管道過濾器在工程設計中的問題探討

李 韜 劉錦偉

中海油能源發展裝備技術有限公司工程設計研發中心, 天津 300452

0 前言

管道過濾器是管道系統中常用的管道元件之一,屬于管道特殊件的范圍。管道過濾器一般設置在泵、壓縮機、換熱器等設備入口的管道上,用于過濾流體中的固體雜質,確保下游的泵、壓縮機、換熱器等重要設備能夠正常運轉,保障安全生產[1]。但實際工程中,仍有由于管道過濾器缺陷導致的維修問題、甚至生產事故。

此外,管道過濾器的國內標準較多,但內容差異較大。隨著工程設計要求和精細化程度的不斷提高,標準中的技術要求也出現了一定的局限性。

為確保工程設計階段提出的技術要求盡量合理和完善,最大程度地減少后期出現問題的可能性,本文在現行標準的基礎上,結合實際工程經驗,對涉及管道過濾器的一些細節問題和注意事項進行了探討。

1 管道過濾器標準及種類

1.1 管道過濾器標準

管道過濾器常用標準有GB/T 14382-2008《管道用三通過濾器》[2](以下簡稱GB/T 14382-2008)、SH/T 3411-2017《石油化工泵用過濾器選用、檢驗及驗收規范》[3](以下簡稱SH/T 3411-2017)、HG/T 21637-1991《化工管道過濾器》[4](以下簡稱HG/T 21637-1991)、JB/T 7538-2016《管道用籃式過濾器》[5](以下簡稱JB/T 7538-2016)等。標準內容不盡相同,有些標準已經超過10年未更新。

選用標準時,應注意標準的適用范圍和技術要求,比如,從結構型式來說,GB/T 14382-2008雖然對標準版本和內容進行了更新,但是對于T型過濾器的分類,仍然保持了側流式和直流式2種型式,無法滿足工程設計中T型過濾器在不同布置狀態下的不同技術要求,相較而言,SH/T 3411-2017和HG/T 21637-1991對結構型式的描述較全面。

1.2 管道過濾器種類

結合標準,根據設計經驗,常用管道過濾器一般分為Y型過濾器、T型過濾器、錐形過濾器等型式[6]。其中,T型過濾器的結構型式較多,常用的有直流式、正折流式和反折流式。不同型式的管道過濾器可以設計為不同的連接形式,如對焊連接、法蘭連接、螺紋連接等。目前，由于工程中籃式過濾器多選用壓力容器規范進行設計,故將其劃分至機械專業的范圍。

工程中常用管道過濾器的型式見圖1～5。

圖1 Y型過濾器

圖2 直流式T型過濾器

圖3 正折流式T型過濾器

圖4 反折流式T型過濾器

圖5 錐型過濾器

2 工程設計中的問題探討

標準中對管道過濾器的適用范圍、技術要求、檢驗、驗收等均有要求,不同的標準要求也有差異[7-8]。

有些技術要求對管道過濾器的使用和質量很重要,但在標準中并未深入說明,甚至未涉及,下面就這些技術要求進行探討。

2.1 管道過濾器選型

管道過濾器的種類較多,選擇合適的管道過濾器,可以避免很多問題和風險。選型時需注意以下問題：

1)從管徑角度考慮,一般管徑≤DN 80時,優先選用Y型過濾器；管徑>DN 80時,優先選用T型過濾器。

2)從連接形式角度考慮,對于易燃、易爆、有毒介質的管道,管道過濾器宜采用焊接連接(一般管徑≤DN 40時采用承插焊,管徑>DN 40時采用對焊)；對于壓力等級為Class 150、管徑≤DN 40的公用系統管道,管道過濾器可采用螺紋連接。

實際工程中,因管道過濾器的維修、更換部件基本為濾網,故除特殊要求外,盡量采用焊接連接,既不會影響管道過濾器的后期維護,又可節省至少2套法蘭裝置,降低成本,同時,還可最大程度降低介質泄漏風險。

3)T型過濾器分為直流式、正折流式、反折流式3種型式。采用哪種型式,會受到管道布置的影響。但是,從濾網的強度考慮(濾網的強度校核,理論上濾網“坍塌”的風險高于“脹破”風險),T型過濾器選型時,優先選擇直流式,其次為正折流式,反折流式為最后選擇。因此,需要結合風險的高低,綜合考慮管道布置,最大程度降低風險系數。

4)錐形過濾器為臨時過濾器,一般用于設備正式運行前,過濾管道中的雜質,正式運行時可拆除。因此,注意要在錐形過濾器處設置可拆卸短節,以便拆除。

2.2 濾網目數

對于濾網目數的確定因素,目前仍存在一些誤解。由于管道過濾器是用來保護其下游設備的,因此,濾網目數最終應由下游設備所能接受的雜質顆粒度來確定,需要由設備廠家確認或提供[9],設計時可在此基礎上適當考慮一些裕量。

不同性質的流體介質、不同類型的設備,對濾網目數的要求都不相同。比如,介質為液體的泵、板式換熱器設備的管道入口過濾器,濾網目數為20目,甚至10目即可滿足要求；而Solar Turbines Incorporated廠家的天然氣壓縮機,管道入口過濾器的濾網目數達120目。

2.3 濾網的強度校核

濾網的變形和破壞是管道過濾器常見問題,原因主要是流入與流出濾網的壓差超過了濾網的承受能力。因此,濾網需要根據壓差進行強度校核。

對于濾網的強度校核,除了考慮正常的設計壓差以外,還應詳細分析不同情況、不同破壞形式下的壓差,并在技術要求中提出。歸納如下：

1)設計壓差。一般由過濾器廠家提供,根據設計經驗,濾網的設計壓差一般在140 kPa左右。

2)在確保設備和系統正常運行的前提下,介質經過濾網時,流通無阻塞、有阻塞情況下的壓差。介質干凈時,可視為流通無阻塞,但由于濾網的存在,仍然會在濾網內外產生壓差(需要注意的是,隨著流量增大,壓差也會隨之變大)；當介質變臟,雜質在濾網聚集較多時,濾網內外壓差增大,視為流通有阻塞。

兩種情況下不同的壓差允許值需要由工藝專業提供,然后與過濾器廠家計算的結果進行對比,以便確保所選擇的濾網規格不影響設備和系統的正常運行。

3)脹破壓差和坍塌壓差。為了便于理解,可形象描述為：當介質流入“濾筒”內部,過濾后流入“濾筒”外部時(圖3),由于“濾筒”內外壓差超過允許值而使“濾筒”產生永久性變形,此種情況下的壓差可稱為“脹破壓差”；反之,當介質流入“濾筒”外部,過濾后流入“濾筒”內部時(圖4),由于“濾筒”內外壓差超過允許值而使“濾筒”產生永久性變形,此種情況下的壓差可稱為“坍塌壓差”。在系統運行時,脹破和坍塌的情況一旦出現,在極短時間內會大概率地(如果過濾器前后沒有壓差變送器)導致濾網破裂,介質進入下游設備內部,對設備和系統產生重大不利影響。

因此,在工程設計階段,需要工藝專業提供濾網在兩種情況下的最大壓差(一般會取濾網在完全阻塞情況下的壓差,甚至達1 000 kPa)；同時,要求過濾器廠家根據壓力容器規范(如ASME VIII Divison 1[10]),分別計算兩種情況下濾網所能承受的最大壓差。比較雙方提供的數值,如果過濾器廠家計算值小于工藝專業提供的數值,則證明濾網有脹破或坍塌的風險,需要過濾器廠家對濾網強度進行加強,比如在濾網上設置加強筋(注意不能影響過濾面積),或者更換強度更高的材料。

2.4 濾網的安裝

取出濾網前,需要先打開盲法蘭端的排放口(圖1～4),將介質排放干凈,然后再打開盲法蘭,取出濾網。但是當濾網取出的方向沖下時,打開盲法蘭后,由于重力作用,此時仍然有可能會出現濾網滑落的情況。

為了防止此類情況的發生,技術要求中需要向過濾器廠家提出防止濾網自行脫落的要求。具體采取的結構型式,可以由過濾器廠家推薦。

2.5 管道過濾器的操作維修

尺寸稍大的管道過濾器,整體重量較重。建議在管道過濾器本體或管道過濾器的法蘭盤上設置吊耳,以便管道過濾器的吊裝。

此外,有些過濾器的盲法蘭較重,比如ASME B 16.5規范中DN 400、Class 150的盲法蘭[11]重量約82 kg,維修時拆下和手動移開盲法蘭非常困難。因此,從人性化的角度,建議超過25 kg(根據經驗,正常情況下25 kg是手動操作的極限重量)的盲法蘭,設置吊臂和旋轉機構,以便于管道過濾器的操作維修,見圖6。

圖6 T型過濾器盲法蘭設置的吊臂和旋轉機構

2.6 排放口的位置

打開盲法蘭之前,需要通過排放口將管道過濾器內的介質盡量排放干凈。因此,技術要求中需將排放口的位置盡量布置在過濾器的最底部位置(圖6排放口位置)。否則,會增加維修難度。

在設計時未充分考慮管道過濾器的布置情況,使安裝在立管上的Y型過濾器排放口位于上方,無法起到維修前的排放目的；此外,由于此Y型過濾器尺寸較大,盲法蘭重量超過25 kg,但未設置吊臂和旋轉機構,維修難度相應增加，見圖7。

圖7 Y型過濾器排放口在上方

3 結論

綜上所述,同樣規格的管道過濾器,不同的布置方式,可能會使技術要求變得不同,比如吊桿、旋轉機構和排放口的位置變得不同,濾網是否需要加強等等。因此工程設計階段應盡量把數據表和請購文件等設計工作做得細致,避免問題的出現和反復。

管道過濾器雖然只是管道特殊件中的一種,但一些技術要求仍被忽略,而這些技術要求關系到所使用的管道過濾器的設計質量、產品質量和操作維修,甚至直接影響到下游設備和系統的安全運行,因此,這些技術要求值得詳細探討,并進一步補充和細化。

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