空分装置低温管道材料的设计.pdf

煤化工与甲醇化 工 设 计 通 讯Coal Chemical MethanolChemical Engineering Design Communications 7第49卷第7期2023年7月空气分离装置的主要任务是给气化炉供给所需要的高纯度氧气，随着煤化工行业的发展需要大量的氧气以及市场对液态氧气的需求，空分装置也得到了快速的发展。合理的设计低温管道材料是空分装置的安全保证。空分装置的冷箱是一般由工艺包商成套设计和供货，本文针对某煤化工配套80 000 m3/h 空分装置项目阐述冷箱外低温管道材料的设计。1 工艺流程简述该空分装置采用全低压分子筛吸附净化空气，空气透平增压膨胀机制冷，产品氧氮内压缩，空气增压循环的工艺流程方案。工艺流程分为空气压缩系统、空气预冷系统、分子筛纯化系统、膨胀机系统、精馏系统、液体贮存后备系统和公用系统1，流程简图如图1所示。空气压缩系统空气预冷系统分子筛纯化系统膨胀机系统液体贮存后备系统精馏系统图1 空分装置流程简图原料空气经自洁式过滤器除去灰尘和其他机械杂质，过滤后的空气进入离心式压缩机，然后进入空冷塔，经空冷塔后的空气进入分子筛纯化器，净化后的空气分为三股，一股作为空分装置自用仪表空气，一股进入低压板式换热器冷却后进入下塔，另一股空气去增压空压机，这股空气又分为三部分：空气经增压空压机第一级叶轮增压后，抽出作为仪表空气和工厂空气。增压机末级空气进入膨胀机的增压风机中增压，然后被冷却器冷却至常温后，进入高压板式换热器，用来与液氧换热，高压空气经液体膨胀机和节流后进入下塔。增压机中抽空气进入高压板式换热器，从高压板式换热器抽出进入膨胀机，膨胀后的空气送入下塔。空气经下塔初步精馏后，获得液空、液氮和污液氮，并经过冷器过冷后节流进入上塔。经上塔进一步精馏后，在上塔底部获得液氧，并经液氧泵压缩后进入高压板式换热器，复热后出冷箱，进入氧气管网。从上塔顶部抽常压氮气，经低压主换热器复热后送入用户管网，抽出部分液氧经过冷器过冷后作为产品进入贮槽。在上塔中部抽取定量的氩馏分送入增效氩塔，氩馏分经增效氩塔精馏得到粗氩气，粗氩气经板式换热器复热后出冷箱进入污氮气管道。从下塔顶部引出液氮送入贮槽后再由贮槽引出经液氮加压后进入高压板式换热器，复热后出冷箱。又抽出部分液氮经过冷器过冷后作为产品进入贮槽。后备系统液氧和液氮贮槽内的液体，一部分装车外运，一部分经过液氧和液氮泵，通过水浴式汽化器，进入管网，流程简图如图2所示。常压液氧贮槽槽车槽车后备高压液氧泵超高压液氧活塞泵后备高压液氧泵后备中压液氧泵后备低压液氧泵后备低低压液氧泵低低压水浴汽化器中压水浴汽化器高压水浴汽化器8.2MPa(G)氮气用户官网5.2MPa(G)氮气用户管网中低压氮气用户管网低低压氮气用户管网真空储槽真空液氮贮槽空浴汽化器低压氮气管网高压液氧水浴汽化器高压氧气管网常压液氮贮槽图2 后备系统流程简图2 低温管道选材低温管道集中在精馏系统和液体贮存后备系统，低温介质有液氧、液氮，液氧和液氮的工艺参数如表1所示。摘要：结合某煤化工配套80 000 m3/h 空分装置项目实例，阐述了空分装置的工艺流程，分析了空分装置冷箱外低温管道材料的设计要点，包括选材、阀门的设计、保冷措施，以及低温管道的压力试验。关键词：空分装置；低温管道；管道材料设计中图分类号：TQ116.11文献标志码：B文章编号：10036490（2023）07000703Design of Low-temperature Pipeline Materials for Air Separation UnitsSun YuanAbstract:Combined with the 80 000 m3/h air separation unit of a coal chemical Project,this paper describes the processflowoftheairseparationunit,analyzesthedesignpointsoflowtemperaturepipematerialoutsidecoldboxofair separation unit,including material selection,valve design,cold insulation measures,and pressure test.Keywords:air separation device;low temperature pipeline;pipeline material design空分装置低温管道材料的设计孙 媛（北京石油化工工程有限公司西安分公司，陕西西安 710000）收稿日期：20230406作者简介：孙媛（1985），女，山东菏泽人，工程师，主要研究方向为管道材料。煤化工与甲醇化 工 设 计 通 讯Coal Chemical MethanolChemical Engineering Design Communications8 第49卷第7期2023年7月表1 低温管道工况介质操作温度操作压力MPa（G）设计温度设计压力MPa（G）液氧-1800.25.2-196/600.86.3液氮-1930.28.2-196/600.89.5根据标准，奥氏体不锈钢06Cr19Ni10的最低使用温度可到-2552，并且在低温下具有良好的强度、塑性、韧性和焊接性能，且具有成熟的生产和安装工艺，低温管道材料可选择06Cr19Ni10，无缝管执行标准 GB/T 149762012流体输送用不锈钢无缝钢管，焊接钢管可执行标准 GB/T 127712019流体输送用不锈钢焊接钢管或 HG/T 20537.31992化工装置用奥氏体不锈钢焊接钢管技术要求、HG/T 20537.41992化工装置用奥氏体不锈钢大口径焊接钢管技术要求。无缝钢管在-196及以上使用时，可免除低温冲击试验。焊接钢管的焊接接头应按照标准 GB/T 20801.22020进行低温冲击试验。对于液氧管道，根据危险化学品目录，液氧属于氧化性介质，按照 GB/T 20801.12020压力管道规范 工业管道 第1部分：总则中第4条的压力管道分级，公称直径大于或等于50，设计压力小于10 MPa 的液氧管道判定为 GC23。这与高压氧气的压力管道级别不同，由于氧气是乙类可燃气体，设计压力大于或等于4 MPa 的氧气管道压力级别定为 GC1。因此应根据压力管道级别合理选择低温管道材料。3 阀门的设计该部分低温管道上的阀门以低温截止阀和低温止回阀为主。低温阀门材料为避免产生低温脆性破坏，主体材料选用奥氏体不锈钢，阀门内件要满足耐低温的要求，阀瓣堆焊硬质合金。为稳定阀门尺寸，提高阀门的密封性能和消除组织变化产生的应力，阀门及其零部件都需要深冷处理，深冷处理的方法是将阀门放置在-196的低温条件下，保持一定时间，然后取出放在环境温度下，让其恢复到常温。阀门承压部件的焊接部位应按标准进行焊接工艺评定和夏比冲击试验，低温冲击值符合表2的规定。表2 奥氏体不锈钢低温冲击值试验温度冲击值 J单个试样最小值三个试样的平均值-1962734低温阀门结构上有特殊的设计。低温阀门采用长颈阀盖结构，阀盖加长量应满足气化空间要求，使阀杆填料的工作温度满足使用条件。为防止冷凝水进入阀盖的保温层，通常在阀盖加长颈上设置一个滴水盘。对于双阀座的低温阀门，阀门在关闭时存在封闭的中腔，中腔内的液体由于气化会造成破坏事故，因此在闸板、球体或阀座设置泄压孔，将封闭中腔内的高压介质排出，泄压孔的孔径不小于3 mm，泄压方向宜为上游高压侧。应当在阀门明显的位置标示泄压方向，宜标示在隔离滴盘上，阀门的泄压方向不同于阀门的介质流向。以往低温阀门现场安装中，个别施工人员将阀门的泄压方向当做介质流向进行阀门安装，核查过程中发现问题又拆卸重新安装。4 保冷为满足工艺生产、保持和发挥生产能力、减少冷损失、节约能源、防止表面凝露、改善工作环境等，需对低温管道进行保冷。该部分低温管道的保冷主要采用泡沫玻璃和真空绝热管。4.1 泡沫玻璃泡沫玻璃是以玻璃粉和发泡剂为原料，经高温熔化、发泡制成的无机非金属玻璃材料。其密闭多孔结构具有良好的保冷性能，且不燃烧，吸水率低，可在-196400使用，被广泛应用于低温管道的保冷。管道保冷结构一般由保冷层、防潮层和保护层组成。通常在泡沫玻璃的内层涂抹耐磨剂，其作用是在温度变换或机械振动的情况下，阻止保冷材料与金属外壁和保冷材料相互接触面间发生磨损。泡沫玻璃成品件有管壳和弧形板，保冷层厚度按10 mm 为单位进行分档，最小厚度为30 mm。采用泡沫玻璃保冷结构时，保冷层厚度较厚，根据管径不同厚度在150250 mm，保温外径对配管安装的空间要求较大。4.2 真空绝热管真空绝热管用在液氧和液氮自精馏系统去贮槽，常压液氧贮槽去后备高压液氧泵，常压液氮贮槽去液氮泵，后备中压液氮泵去真空液氮贮槽的管路。真空绝热管由内外两根同心管组成，内外管间用支撑隔离，内管外表面缠绕多层绝热材料，夹层为高真空状态。内管、外管均采用不锈钢（06Cr19Ni10）无缝管道。真空绝热管段间接头形式有法兰连接和焊接连接，焊接连接的真空管接头为非真空保冷，接头采用连接桶内填充珠光砂保冷，简图如图3所示。珠光砂填充口3个保温桶珠光砂5050真空绝热管外管真空绝热管内管图3 真空绝热管接头结构示意图工艺设计人员提供的真空绝热管的公称直径一般为真空管的内管直径，配管人员在选择管道支吊架时要注意考虑外管尺寸，布管时留有足够的空间。真空绝热管在工厂进行预制，施工现场无法进行加工，一旦出现偏差，施工现场无法处理，极易造成浪费。因此，真空绝热管道必须精准预制。为保证现煤化工与甲醇化 工 设 计 通 讯Coal Chemical MethanolChemical Engineering Design Communications 9第49卷第7期2023年7月场顺利施工，在真空绝热管进行订货时，需将管道轴测图提供给供货商，并要求供货商实地测量后确定最终管道轴测图。待施工现场设备就位后，供货商技术人员和配管设计人员进行现场实地测量，确认最终的真空绝热管走向、支架位置等问题，在管道轴测图中将每一段管线各个部位（直管段、管件等）进行编号，供货商将管道轴测图中编号标记在各个部件上，以此确保真空绝热管道顺利安装4。对于真空绝热管的制造许可，JB/T 126652016要求低温管的制造单位应取得国家市场监督管理总局颁发的 AX 级低温绝热管的制造许可证，且在许可规定的级别、品种范围及有效期内从事低温管产品的制造，而国家市场监督管理总局办公厅关于压力管道气瓶安全监察工作有关问题的通知（质检办特2015675号）第3条规定：低温绝热管不再需要取得特种设备制造许可。了解到目前 AX 级低温绝热管的制造许可证国家已不发放，也就是说，低温绝热管不再属于特种设备，行政上不再监检。虽然现行的 JB/T 126652016要求制造许可证，但是目前大部分制造能力较好的真空绝热管供货商提供的特种制造许可证和型式试验证书已过期，且不再取证。5 压力试验通常情况下，管道的压力试验以洁净水为试验介质，对于不锈钢管道，水中氯离子含量不得超过25106。当管道的设计压力小于或等于0.6 MPa 时，也可采用气体为试验介质，但应采取有效的安全措施。该部分设计压力小于且等于0.6 MPa 的低温管道选用气压试验，气压试验温度必须高于金属材料的脆性转变温度，试验压力为1.15倍的设计压力。设计压力大于0.6 MPa 的低温管道采用洁净水试验，试验压力为1.5倍的设计压力，试验时，环境温度不宜低于5，当环境温度低于5时，应采取防冻措施。压力试验合格后采用压缩空气进行吹扫。但由于现场干燥困难、施工进度以及工艺原因等，设计同意将低温管道的水压试验改为气压试验，但是必须征得建设单位的同意，并保证试压方案有切实的安全措施，试压方案经施工单位安全部门和技术部门审核，并经技术负责人批准。与液压试验相比，气压试验有许多优点，例如：试验介质来源容易，试压时间短，干燥容易，缩短施工时间减少施工程序。但是气压试验致命的缺点是安全性差，事故危害大，这是因为气压试验时，系统内的储能要比液压试验大得多，管道一旦破裂，相同体积、相同压力的气体爆炸时所释放出的能量要比液体大得多，危害范围广。因此，选取气压试验时，必须编制专项施工技术措施，经项目管理各方审批后方可实施。6 结束语空分装置冷箱外低温管道材料的设计要点如下。1）低温管道材料推荐选用奥氏体不锈钢。2）低温阀门的材料和结构应符合耐低温的要求。低温阀门采用长颈阀盖结构，对于双阀座的低温阀门设置泄压措施。3）低温管道的保冷材料要有良好的绝热性能，真空绝热管要保证施工顺利安装。4）低温管道的压力试验通常采用水压试验，在采用气压试验时应采取有效的安全措施。参考文献1 衣爽.空气分离技术及发展研究 J.天津化工,2018,32(5):1-3.2 应道宴,尤子涵,徐锋,等.压力管道规范 工业管道 第2 部分：材料：GB/T 20801.22020S.北京:中国标准出版社,2020.3 王炎,申世勇.空分装置低温管道研究 J.河南科技,2020,39(26):50-52.4 周博博.大型空分装置低温管道的设计与运用 J.化工设计,2021,31(5):14-17.录 稿 声 明录稿通知发出后，视为投稿人已阅读并理解我刊（投稿须知）等内容。例如，投稿人投稿时请勿“一稿多投”；根据国家著作权法，本编辑部享有作品的汇编权和文字修改权等权力，投稿人将作品交本刊刊载的同时也同意将其信息网络传播权授予我编辑部等等。本通知所说的信息网络传播权，包含相应的电子版本复制权。如发现已录用稿件有学术不端行为嫌疑的编辑部有权将其从知网、万方等数据库平台撤稿。