空分裝置低溫管道研究

王炎 申世勇

摘 要：空分裝置用來分離空氣中的各組分氣體，生產氧氣和氮氣，其離不開低溫管道。本文介紹了國內外對低溫的界定方法，并闡述了低溫管道的材料、分級、配管和保冷措施。

關鍵詞：低溫管道;材料;分級;配管;保冷

中圖分類號：TQ116.11文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）26-0050-03

Abstract： The air separation unit is used to separate each component gas in the air to produce oxygen and nitrogen， which cannot be separated from the cryogenic pipeline. This paper introduced the definition of low temperature at home and abroad， and expounded the materials， classification， piping and cold insulation measures of low temperature pipelines.

Keywords： cryogenic pipeline;material;classification;piping;cold insulation

對于低溫，我國曾經有兩個界定，即-20 ℃和-29 ℃，有的標準以-20 ℃來界定低溫，而有的標準以-29 ℃來界定低溫。這就使得沸點在-29～-20℃的一氯甲烷等物質在設計和驗收時產生矛盾。隨著時間的推移，這個現象逐漸改善，《工業金屬管道工程施工規范》（GB 50235—2010）的配合標準《工業金屬管道工程施工質量驗收規范》（GB 50184—2011）表8.1.1中明確了“設計溫度低于-20 ℃的所有流體管道的焊縫檢查等級為I級，無損檢測比例為100%”。而《石油化工有毒、可燃介質鋼制管道工程施工及驗收規范》（SH 3501—2011）的管道分級的設計溫度仍按照-29 ℃來界定。空分裝置常用組分標準沸點如表1所示。

由于空分裝置常用組分遠低于常溫，所以不管-20 ℃還是-29 ℃都不會對空分裝置的設計和驗收造成影響。但是，從標準的嚴謹性角度來看，還是應該明確低溫的界定溫度，避免給實際工作中的設計和施工驗收帶來不必要的麻煩。

1 低溫管道材料的規定

空分裝置中常用的低溫管道材料按照壓力的不同分為兩類，高壓管道采用不銹鋼（06Cr19Ni10）材質，中低壓管道采用鋁合金（5052-O、5083-O）材質。這是因為此類材料具有面心立方晶格，沖擊韌性不受溫度的影響，在低溫下不發生冷脆現象，具有良好的機械性能。2016年，《低溫管道用無縫鋼管》（GB/T 18984—2016）發布，其中，不同材質低溫鋼管的性質如表2所示，表2列出的管道材料溫度下限僅為-100 ℃，不能滿足表1列出的空分裝置各組分沸點要求，所以國內的空分裝置通常采用不銹鋼和鋁合金（5052-O、5083-O）這兩種材料。

低溫下，奧氏體不銹鋼具有良好的沖擊韌性，《壓力容器 第2部分：材料》（GB 150.2—2011）規定，鋼材的使用溫度低于或等于-20 ℃時，應按附錄C的規定進行夏比低溫沖擊試驗（V形缺口），而奧氏體鋼的使用溫度高于或等于-196 ℃時，可免做低溫沖擊試驗。

2 低溫管道的分級

管道分級應首先符合《壓力管道安全技術監察規程——工業管道》（TSG D0001—2009）[1]的規定。同時，依據原國家質量監督檢驗檢疫總局于2014年10月30日公布的《質檢總局關于修訂〈特種設備目錄〉的公告》（2014年第114號）定義的壓力管道的范圍和分類，確定其是否屬于壓力管道。

2.1 壓力管道分級

屬于壓力管道的，按照《壓力管道規范 工業管道 第1部分：總則》（GB/T20801.1—2020）[2]中第4條的壓力管道分級來判定。低溫壓力管道凡是公稱直徑大于或等于50 mm，設計壓力小于10.0 MPa，輸送介質是氧、氮、氬的低溫管道都屬于GC2級壓力管道。

2.2 非壓力管道分級

屬于非壓力管道的，按照《工業金屬管道設計規范》（GB 50316—2000）中第2.1條術語的規定進行分級。低溫非壓力管道，輸送介質是氧（液氧）的為B類流體（氧按照可燃流體類別對待）;輸送介質是氮（液氮）、氬（液氬）的為C類流體。

3 低溫管道的配管

空分裝置中的低溫管道集中在分餾塔冷箱內部，國內選用的材料都是鋁（5052-O、5083-O），通常5083-O用于公稱直徑小于等于125 mm的管道，5052-O用于公稱直徑大于125 mm的管道，同時儀表管采用5052-O。冷箱外的低溫管道材料都是不銹鋼（06Cr19Ni10，即S30408）。鋁的單位線脹率在-190 ℃時是-3.79 mm/m。對于5052-O低溫下的許用應力，管材是46 MPa、板材是43 MPa;對于5083-O低溫下的許用應力，管材是74 MPa、板材是83 MPa。不銹鋼（06Cr19Ni10）的單位線脹系數在-190 ℃時是-3.10 mm/m。低溫下的許用應力是：管道壁厚小于等于14 mm時，許用應力122 MPa;管道壁厚小于等于18 mm時，許用應力為90 MPa。

目前，業內空分裝置的管道配管多采用三維軟件，如PDMS、PDS、AUTOCAD 3D等，應力分析多采用COADE公司開發的CAESARⅡ。下面簡要論述冷箱內低溫管道的配置。

3.1 自然補償

要充分利用管道自身的補償能力，必要時改變管道走向，增加L型、π型、Z型補償，改善管系的柔性。

3.2 膨脹節、金屬軟管

與動設備連接的管道可選用波紋管膨脹節或金屬軟管，降低管道振動，避免焊縫疲勞斷裂。受空間限制，自然補償無法滿足應力要求時，可采用波紋管膨脹節補償。

3.3 支架

合理選用管道支架的形式及其固定型式，此外，還要注意支架的材質，避免低溫下冷脆失效。考慮冷箱是低溫，設備和管道周圍存在溫度梯度，彈簧材料的物理性質在低溫下會發生變化，很難建立數學模型，所以要慎重選擇彈簧支架。

3.4 管嘴

與靜設備連接的管道應注意低溫下管嘴隨設備的產生位移，不可按照固定點處理。

3.5 氣封、液封

冷箱內的低溫管道通常是汽液兩相流，所以管道的走向應為階梯式，避免低點液封、高點氣封的出現。

3.6 位移

低溫下管道必然產生位移，管道與冷箱壁要有足夠的距離，避免冷損，防止冷箱掛霜。相鄰管道并排或交叉設置時要考慮管道在低溫下的狀態，避免低溫下管道干涉斷裂。

3.7 盲腸

對于液氧介質，在配置管道時不可出現盲腸，避免碳氫化合物積聚。

3.8 其他措施

加固液體管道角焊縫，解決角焊縫應力集中的問題。對于儀表管等小管徑的管道，要采用必要的遮蔽措施，避免珠光砂裝填時砸斷管道。

4 低溫管道的保冷

4.1 冷箱保冷

空分裝置分餾塔內部設備和管道工作在低溫狀態，采用填充珠光砂的方式保冷。干燥的珠光砂在低溫工況下仍具有良好的保冷性能和流動性能，不阻礙管道、設備的變形，目前業內均采用該方式保冷。

4.2 真空管道

真空管道又稱為高真空多層絕熱低溫液體管道，簡稱“真空管”，是用于低溫液體輸送的特種保冷管道，由內管、外管以及多層絕熱材料組成。內管、外管均采用不銹鋼（06Cr19Ni10）無縫管道。與采用普通包扎絕熱的低溫液體保冷管相比，其具有冷損量極小、外觀小巧美觀、使用壽命長、易于安裝等優點。

4.3 PIR保冷材料

PIR即“聚異三聚氰酸脂”，簡稱“三聚脂”，是一種有機高分子材料，同時也是一種泡沫聚合體。使用溫度為-196～120℃，導熱系數0.019～0.021 W/（m·K），耐火焰阻燃性能優異，符合《建筑材料及制品燃燒性能分級》（GB 8624—2012）難燃材料B1級，可用于可燃介質（氧）的管道。另外，可制作為成型管殼，現場安裝方便，也可以現場噴涂，滿足閥門等形狀不規則的保冷要求。

4.4 多層復合保冷

由于聚氨酯適用溫度為-60 ℃，而PIR和泡沫玻璃保冷材料價格較貴，對于大管徑低溫管道，保溫厚度較厚的通常會按照溫度梯度選擇兩種保溫材料，即內層選用PIR或泡沫玻璃，外層選用聚氨酯的辦法，即可以滿足絕熱的要求，又能夠減少投資。

由于空分中低溫液體管道的管徑通常不大于200 mm，保溫厚度不大，所以這種方法一般不采用。

5 結語

低溫管道涵蓋的范圍是很廣的，本文僅簡要介紹空分裝置低溫管道。未來，在低溫材料上、保冷材料上仍須加大開發力度，并盡快出臺相關標準法規。另外，低溫管道的問題主要是冷箱內的管道問題。只有將問題分析清楚，并結合長期的實踐經驗，才能避免管道發生破壞斷裂，保證裝置安全平穩地運行，給人民的生命和財產安全保駕護航。

參考文獻：

[1]國家質量監督檢驗檢疫總局.壓力管道安全技術監察規程——工業管道：TSG D0001-2009[S].北京：中國標準出版社，2009.

[2]國家市場監督管理總局，國家標準化管理委員會.壓力管道規范 工業管道 第1部分：總則：GB/T 20801.1—2020[S].北京：中國標準出版社，2020.