大型空分裝置低溫管道的設計與運用

周博博 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

某70000m3/h空分裝置采用低溫精餾法分離空氣，即通過壓縮、膨脹和降溫，直至空氣液化。因為氧、氮、氬汽化溫度(沸點)不同(在標準大氣壓下，氧的沸點為-183℃，氮的沸點為-196℃，氬的沸點為-186℃)，所以可利用沸點低的介質更容易汽化這個特性，實現氧、氮、氬的分離。空分裝置為超低溫環境，相關管道需要采取保冷措施。

珠光砂是一種多孔結構、白色、粒狀松散的材料，具有容量小、導熱系數低、化學穩定性好、不燃、無毒、無味、吸音等特性，具有良好的超低溫保冷性能，上述裝置冷箱內的低溫管道采用珠光砂作為保冷材料。

真空絕熱管道于1951年由彼得遜(Peterson)發明，其絕熱空間抽到低于1×10-3Pa的負壓下，它是目前效率最高的一種絕熱形式。自20世紀50年代以來，真空絕熱管道在真空隔熱和超導技術上開始應用，而后廣泛用于各種低溫液體儲存和運輸等低溫領域中[1]，上述裝置冷箱外管道采用真空絕熱管道保冷。

1 某70000m3/h空分裝置的工藝流程

1.1 冷箱內空氣的精餾流程

該裝置流程示意圖見圖1。經分子篩凈化后的干燥潔凈空氣進入空氣壓縮機增壓后進入冷箱，隨后分為兩股，第一股進入氣體膨脹機增壓端進一步增壓，后經過高壓板式換熱器冷凝為-196℃的液化空氣，再通過液體膨脹機進入氮塔。另一股經氣體膨脹機進行膨脹，進入高壓板式換熱器，而后進入氮塔，經氮塔精餾后，富氧液化空氣進入下塔，氮塔頂部的高純液氮通過管路引入到主冷凝器下部，空氣經氮塔和上下塔精餾，在上塔頂部排出污氮氣，復熱后用于分子篩純化系統再生，在下塔頂部獲取高純液氮，在上塔底部獲取的高純液氧，在上塔中下部抽取氬餾分，送入粗氬塔，粗氬塔頂部的粗氬氣進入純氬塔精餾，得到液氬。

圖1 某70000m3/h空分裝置的工藝流程圖

空氣的精餾過程發生在冷箱內，冷箱內設備包含高壓換熱器、氮塔&氮塔冷凝器、上塔&主冷凝器&下塔、粗氬塔&粗氬塔冷凝器與純氬塔組合。冷箱采用珠光砂保冷，干燥的珠光砂在低溫工況下具有良好的保冷性能和流動性能，不阻礙管道、設備的變形。

1.2 液氧后備系統流程圖

液氧被精餾出來后，一路通過過冷器后，出冷箱，進入液氧后備系統；另一路進入高壓板式換熱器，為膨脹空氣液化提供冷量。自冷箱出來的液氧進入液氧后備系統(見圖2)，分為三路，第一路經過高壓液氧泵，然后通過液氧汽化器，氧氣增壓到8.6MPa(G)，進入氧氣管網，為氣化裝置提供氧氣；第二路通過高壓柱塞泵增壓，經過超高壓液氧汽化器，氧氣壓力增至12MPa(G)，用于給氧氣管網補壓；第三路去充車泵，通過金屬軟管裝車外運。

真空絕熱管道用在低溫流體出冷箱至汽化器之前，并且包含沖車管線，即圖2中粗線表示管線。液氬、液氮管線流程與液氧類似，不再贅述。

圖2 液氧后備系統流程圖

2 低溫管道材料與連接方式的選擇

奧氏體不銹鋼與鋁合金具有面心立方晶體結構，不存在脆性轉變溫度，在低溫下具有良好的塑性和韌性。

2.1 冷箱內低溫管道材料與連接方式的選擇

冷箱內部的設備與管道包括5083-H112鋁合金(以下簡稱鋁合金)與S30408奧氏體不銹鋼(以下簡稱不銹鋼)兩種材料。鋁合金的單位線脹率在-196℃時是-3.79mm/m，低溫下的許用應力為74MPa，導熱系數為156W/(m·K)。不銹鋼的單位線脹系數在-196℃時是-3.10mm/m，低溫下的許用應力是122MPa，導熱系數為16W/(m·K)。因此，不銹鋼的力學性能全面優于鋁合金，且導熱系數遠低于鋁合金。但使用鋁合金的成本比不銹鋼低得多，故冷箱內部的設備與管道仍需視具體情況對這兩種材料進行選擇。

冷箱內的靜設備諸如各類換熱器、各類精餾塔，其設計壓力最高為8.0Mpa(G)，且鋁合金重量較輕，由于冷箱內采用珠光砂保冷，不用考慮金屬材料的導熱系數，因此，該裝置冷箱內靜設備(各類換熱器與精餾塔)均采用鋁合金，其對應的接管也采用鋁合金管道。但動設備(氣體膨脹機、液體膨脹機與各類泵)具有振動載荷，而鋁合金的抗疲勞性卻很差，所以動設備需選用不銹鋼材質，其對應接管也采用不銹鋼，故冷箱中低溫管道存在不銹鋼與鋁合金管道的連接。鋁合金與不銹鋼的固溶度較低、熱物理性質以及材料力學性能差異巨大，將兩者焊在一起，將產生嚴重的殘余應力，此外不銹鋼中含有鉻元素，它和鋁的化學性質都比較活潑，在焊接過程中極易氧化，導致脆性化合物出現[2]，此問題可用慣性摩擦焊來解決。

慣性摩擦焊結構圖見圖3。

圖3 慣性摩擦焊結構圖

慣性摩擦焊利用飛輪儲存旋轉的動能，用以提供工件摩擦時需要的能量。飛輪與工件固定，焊接時，飛輪與左側工件首先被加速到設定的轉速，隨后在軸向力作用下，左側工件向右旋轉移動，兩側工件逐漸靠攏、壓緊，工件接觸后開始摩擦，同時通過離合器切斷電機供電，飛輪轉速不斷降低，直至停止轉動，保壓一段時間后，焊接結束。在實際生產中，可通過更換飛輪或組合不同尺寸的飛輪來改變飛輪的轉動慣量，從而改變焊接能量及焊接能力。

慣性摩擦焊屬于固相焊接，接頭不會產生融化，因此不會產生焊接脆化現象；再者摩擦焊接時間短，焊接熱影響區窄，熱影響區內組織無明顯的粗化現象[3]。慣性摩擦焊完美地解決了鋁合金與不銹鋼焊接過程中的焊接脆性與熱應力大的問題，采用慣性摩擦焊可以制作鋁合金/不銹鋼異種金屬接頭。施工現場采購成品鋁合金/不銹鋼異種金屬接頭解決了不銹鋼與鋁合金管道的焊接問題。

2.2 真空絕熱管道材料與連接方式的選擇

液氧、液氮等低溫流體的輸送管道有兩種保冷方式，第一種為采用堆積絕熱管道；另一種為采用真空絕熱管道。經過理論計算與實踐分析，真空絕熱管道在使用過程中由于絕熱性能好、冷損小，經濟效益顯著優于采用堆積絕熱管道[4]。因此，該裝置冷箱外部的低溫管道選擇真空絕熱管道。

由于鋁合金的導熱系數太大，若采用鋁合金做真空絕熱管道冷量損失將會很大;另外,真空絕熱管道內外管溫差很大,熱伸縮量不同，因此，需要使用波紋管來吸收軸向應力，而鋁合金沖擊韌性比較差，不適于制作波紋管。基于上述兩種原因，真空絕熱管道采用不銹鋼。

真空多層不銹鋼絕熱管道內外管之間交替安置許多層平行于冷壁的具有高反射率的輻射屏(鋁箔、雙面或單面噴鋁的滌綸薄膜)和低熱傳導率的間隔物(例如：玻璃纖維布、尼綸網等)，從而大幅減小輻射和熱傳導，進而達到高效絕熱目的。

真空絕熱管道為一般為分段式，單支長5～8m，通常在制造廠抽真空并預制，到現場組裝成為長距離輸送管道。其連接形式有承插法蘭式、平面法蘭式和焊接式。

承插法蘭式管接頭的結構圖見圖4。

圖4 承插法蘭式管接頭結構圖

陽接頭插入陰接頭中，兩者之間的間隙很小，低溫液化氣體進入此間隙中被汽化，從而形成“氣阻”，改善了管路接頭的絕熱性能并減輕低溫對密封圈的作用。由于密封圈不直接與低溫液體接觸，其溫度較高，可以采用橡膠O形密封圈，其具有優良的密封可靠性。在管路接頭間隙中形成的“氣阻”是改善絕熱性能的關鍵，插入部分增長，能提高絕熱性能。減小插入件之間的間隙，有利于形成“氣阻”，對密封和絕熱有利，但對加工精度要求更高，美國專利曾介紹采用膨脹系數很小的因瓦合金制作陽接頭，低溫工作時靠陰接頭材料冷收縮，兩者間隙變得很小，有利于密封和形成“氣阻”[5]。但這種結構方案未見有在工程上應用的報道，估計未能推廣應用的原因是因瓦合金價格昂貴。

承插法蘭式管接頭的優點是密封可靠，對制造的要求低，具有相當好的絕熱性能;其缺點是拆裝時要做較大距離的軸向移動。

平面法蘭式管接頭的結構圖見圖5。

圖5 平面法蘭式管接頭結構圖

內墊片是冷密封，通常采用聚四氟乙烯、氟-46或鉛制作。冷密封與低溫介質直接接觸，材料會失去彈性并有較大的冷收縮，因而易泄漏。外墊片是熱密封，它在較高溫度下工作，通常采用橡膠O形圈，密封可靠。

平面法蘭式管接頭的絕熱機理與承插法蘭式管接頭相似，少量液體通過冷密封漏入空腔，同樣會立即汽化形成“氣阻”，并自動阻止液體進一步漏入。因此，冷密封少量泄漏是允許的。如大量低溫液體進入腔室中則會引起絕熱性能明顯下降，并可能導致熱密封在低溫作用下失效從而導致泄漏。對于平面法蘭式管接頭，為了獲得可靠的冷密封，對有關影響密封的制造精度要求更高。

平面法蘭式管接頭安裝比較方便，維修相對簡單，但是它的漏熱比較大，如長期輸送低溫液體，浪費比較大，而且對加工要求比較高[6]。

真空絕熱管道系統的漏熱由管接頭漏熱和管體漏熱兩部分組成。根據美國CVI公司的技術資料，3″真空絕熱液氧管路單位管長的漏熱量為1.04W/m，一個對應尺寸的承插法蘭式管路接頭的漏熱為21.8W。如果每10m有一個管接頭，在管路系統的總漏熱量中，通過管路接頭的漏熱量占67.7%，通過管體的漏熱量占32.3%。由此可見，通過法蘭式管路接頭的漏熱量占整個管路漏熱量的絕大部分。

縱觀國內外各種類型的真空絕熱管道，采用焊接連接仍是大幅提高管路系統絕熱性能的有效途徑，尤其是對于連接接頭較多的復雜管路系統更是如此。焊接式連接方式結構簡單、加工容易、冷損小，一般性日常抽空維修簡單，不需拆卸，但更換較復雜。

上述裝置采用焊接式管接頭連接,見圖6。

圖6 焊接式管接頭結構圖

內管采用焊接方式連接，連接處采用泡沫玻璃包覆進行保冷，根據供貨商技術資料，DN50真空絕熱液氧管路單位管長的漏熱量為1.01W/m，一個長度為200mm的焊接式管路接頭的漏熱量為2.93W，該裝置每6m有一個管接頭，在管路系統的總冷量損失中，通過管路接頭的漏熱量占32.6%，通過管體的漏熱量占67.4%，相對于法蘭式連接，管接頭的漏熱量大幅降低。

3 真空絕熱管道的布置、管道支架設置與工廠預制

冷箱為成套供貨，冷箱內低溫管道的布置與支撐均由制造商負責。設計院負責的低溫管道范圍均為冷箱外真空絕熱管道。

真空絕熱管道的連接應盡量減少管接頭，以減少熱量損失，且真空絕熱管道中不可避免有少量液體氣化，因此，管道的布置應遵循“步步高”或“步步低”的原則，避免出現氣堵。

由于各供貨商真空絕熱管道內外管間距、夾層真空度、單支長度等參數不一致，設計院依照以往經驗進行管道布置，采用管道單線圖進行招標，待確定供貨商后，由供貨商依照自身產品特點對設計院管道布置圖進行優化。

真空絕熱管道其外管無需進行保冷，理論上管道支架采取《管架標準圖》HG/T 21629中的常用形式即可，但由于無法確認真空絕熱管道內外管夾層間距，因此須選用《管架標準圖》HG/T 21629中保冷管道支架，見圖7，待供貨商返回真空絕熱管道內外管夾層間距后,再確認管道支架尺寸。

圖7 保冷管道支架結構圖

真空絕熱管道的布置及管道支架的選用與供貨商的產品參數息息相關，因此采購工程師需要積極與設計工程師和供貨商溝通，確保雙方信息的準確與時效，避免造成不必要的損失。

真空絕熱管道為工廠化預制交貨，到施工現場后無法進行切削加工，一旦出現尺寸偏差，施工現場無法處理，極易造成浪費。因此，真空絕熱管道必須精準預制。為避免發生偏差，在動、靜設備就位后，采購工程師應組織供貨商技術人員和設計工程師對現場真空絕熱管線進行實地測繪，針對設備接管位置、管道走向、外波紋管位置、管道固定支撐點間距等問題達成一致，對真空絕熱管線進行分段設計，重新繪制管道單線圖，并在圖中將每一段管線的各個部位(直管段、彎頭、三通等)進行編號，交貨時將管道單線圖中編號標記在各部件上，以此確保真空絕熱管道順利安裝。

4 結語

綜上所述，得出以下結論：

(1)鋁合金與奧氏體不銹鋼常用于空分裝置的低溫管道。

(2)裝置冷箱內管道采用珠光砂保冷；冷箱內不銹鋼管道與鋁合金管道可采用慣性摩擦焊制作的鋁合金/不銹鋼異種金屬接頭連接。

(3)冷箱外低溫管道采用S30408制作成的真空絕熱管道保冷，相比于法蘭連接方式，焊接連接方式可大幅度降低真空絕熱管道管接頭漏熱量。

(4)真空絕熱管道的布置與管道支架的選用均需要供貨商提供產品參數方能最終確認。空分裝置設備就位后，須對真空絕熱管線重新測繪，以保障真空絕熱管道工廠預制的精準性。