搪玻璃設(shè)備及管道布置安裝淺析

王佳寧 華陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

隨著化工行業(yè)的不斷發(fā)展，新產(chǎn)品和生產(chǎn)工藝不斷涌現(xiàn)，化工裝置中各種流體介質(zhì)的特性也日趨復(fù)雜。化工裝置中存在大量腐蝕性介質(zhì)，搪玻璃設(shè)備和管道憑借其卓越的性能，逐漸在生產(chǎn)裝置中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。

1 搪玻璃設(shè)備及管道

1.1 搪玻璃設(shè)備及管道簡介

搪玻璃設(shè)備及管道是金屬和無機非金屬材料的復(fù)合體，是在金屬容器和管道表面高溫復(fù)合一層玻璃層，搪玻璃設(shè)備生產(chǎn)作業(yè)流程圖見圖1。

圖1 搪玻璃設(shè)備生產(chǎn)作業(yè)流程圖

搪玻璃設(shè)備及管道兼有兩種材料的優(yōu)異性質(zhì)，既有金屬的強度，又有搪玻璃的耐腐蝕性、光滑性等特性，但由于金屬與搪玻璃是兩種完全不同的材料，許多性能(如延伸率、彈性、抗拉強度等)有較大差異。

鋼材膨脹系數(shù)比搪玻璃瓷層大，在燒成冷卻過程中可使搪玻璃瓷層得到殘余壓縮應(yīng)力(圖2)，而搪玻璃抗壓強度非常高(據(jù)某項目合作廠家提供的數(shù)據(jù)，其搪玻璃抗壓強度約是鋼材的4倍)，只要選擇合理的搪玻璃膨脹系數(shù)，加上搪玻璃底釉對鋼板的優(yōu)良結(jié)合，可使兩者成為穩(wěn)定、牢固的復(fù)合體。

圖2 搪玻璃/鋼材應(yīng)力示意圖

1.2 搪玻璃設(shè)備及管道特性

搪玻璃設(shè)備及管道的主要特性如下：

(1)耐腐蝕性：搪玻璃可以耐受幾乎所有有機酸、無機酸以及pH≤12的堿液腐蝕，可耐受所有有機溶劑的溶解，但對于強堿、氫氟酸及熱磷酸不適用。

(2)不粘性：其表面為光滑的玻璃面，對于介質(zhì)粘結(jié)度較低且易于清洗。

(3)絕緣性：搪玻璃表面為良好的絕緣體，可用于工藝過程中易產(chǎn)生靜電的場合。

同時，搪玻璃管道與玻璃管道組件相比，由于搪玻璃設(shè)備及管道有金屬基體，對其具有一定的保護(hù)作用，一定程度上可減少由于其脆性破壞而帶來的次生災(zāi)害。

基于以上優(yōu)異性能，搪玻璃設(shè)備及管道廣泛應(yīng)用于石化、醫(yī)藥、農(nóng)藥、軍工、科研等對于潔凈度、耐腐蝕性及耐磨蝕度有較高要求的領(lǐng)域。

1.3 搪玻璃設(shè)備及管道使用的注意事項

搪玻璃層最大的弱點是脆性較大，同時其延伸率低、承受抗拉(張)強度較小，從圖2(c)可看出，圓弧處瓷層受到壓應(yīng)力的同時還受到向外推力，因此凸面瓷層的穩(wěn)定性較平面差一些。在運輸及使用過程中，若處理不當(dāng)會引起接口及法蘭處瓷層脫落。

搪玻璃層常見的損壞類型有：機械沖擊損壞、溫差驟變及熱應(yīng)力損壞、超壓損壞和其他形式損壞。其中，機械沖擊損壞約占70%，溫差驟變及熱應(yīng)力損壞約占20%，其他幾種損壞所占比例較小，本文主要對較常見的兩種損壞方式的原因進(jìn)行舉例說明。

機械沖擊損壞主要由以下原因造成：

(1)工具或其他剛性物體砸傷設(shè)備；

(2)搪玻璃設(shè)備或管道連接時，螺栓(或卡子)緊固時壓力不均或過大而引起爆瓷；

(3)運輸或者吊裝操作不規(guī)范等。

溫差驟變及熱應(yīng)力損壞主要是由于在常溫時搪玻璃受壓相對穩(wěn)定，當(dāng)搪玻璃受熱到一定溫度時(約315℃)，搪玻璃受到的壓應(yīng)力會逐漸變小至無壓應(yīng)力狀態(tài)，此時搪玻璃損壞風(fēng)險會增加，如若溫度發(fā)生突變，搪玻璃的壓應(yīng)力也會突變，從而引起爆瓷。

2 搪玻璃管道的設(shè)計

2.1 搪玻璃管道組成件相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的選用

目前，我國關(guān)于搪玻璃管道組成件的標(biāo)準(zhǔn)為化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《搪玻璃管》[1]HG/T 2130—2021、《搪玻璃30°彎頭》HG/T 2131—2021[2]、《搪玻璃45°彎頭》HG/T 2132—2021[3]、《搪玻璃60°彎頭》HG/T 2133—2021[4]、《搪玻璃90°彎頭》HG/T 2134—2021[5]、《搪玻璃180°彎頭》HG/T 2135—2021[6]、《搪玻璃三通、四通》HG/T 2136—2022[7]、《搪玻璃同心異徑管、偏心異徑管、異徑法蘭》 HG/T 2138—2022[8]、《搪玻璃設(shè)備高頸法蘭》HG/T 2149—2018[9]、《搪玻璃設(shè)備人孔法蘭》HG/T 2153—2018[10]、搪玻璃管道組成件的材料、設(shè)計、制造、檢驗、驗收和包裝運輸均執(zhí)行《搪玻璃設(shè)備技術(shù)條件》GB 25025—2010[11]的規(guī)定。

在實際生產(chǎn)中，德國標(biāo)準(zhǔn)DIN 2873的特征尺寸同樣被眾多搪玻璃管道組成件生產(chǎn)廠家所采用。目前，搪玻璃彎頭最新標(biāo)準(zhǔn)為2021版，搪玻璃三通、四通及異徑管最新標(biāo)準(zhǔn)為2022版，本文以搪玻璃90°彎頭及等徑三通為例，對其特征尺寸進(jìn)行對比，詳見表1。搪玻璃90°彎頭及等徑三通特征尺寸見圖3。

表1 搪玻璃90°彎頭及等徑三通特征尺寸對比表 單位：mm

圖3 搪玻璃90°彎頭及等徑三通特征尺寸

由表1可知：

(1)HG/T 2134—2021中90°彎頭相較于往年標(biāo)準(zhǔn)及德標(biāo)DIN 2873，在管件尺寸上均有較大差異，HG/T 2134—2021標(biāo)準(zhǔn)中彎頭尺寸偏大。

(2)HG/T 2136—2022中，等徑三通的尺寸與2015/2009版標(biāo)準(zhǔn)中一致，當(dāng)管徑<100mm時，德標(biāo)尺寸略小于化工部標(biāo)準(zhǔn)尺寸，而當(dāng)管徑>100mm時，德標(biāo)尺寸大于化工部標(biāo)準(zhǔn)尺寸，且隨著管徑的變大，差異逐步變大。

由于搪玻璃管道自身材質(zhì)的特點，安裝時無法像金屬管道那樣自由組對焊接，因此在管道設(shè)計之初應(yīng)先確定供貨廠家，并約定制造標(biāo)準(zhǔn)，以免造成設(shè)計與實際不符，影響施工周期，同時對于技改項目，應(yīng)確認(rèn)好原管件所使用的標(biāo)準(zhǔn)，提前對接頭處尺寸進(jìn)行確認(rèn)。

2.2 搪玻璃管道組成件連接形式的選用

目前，搪玻璃管道組成件的生產(chǎn)廠家眾多，各廠家生產(chǎn)水平高低不一，選用的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)也未進(jìn)行統(tǒng)一，造成了目前市場上搪玻璃管道組成件有多種端部結(jié)構(gòu)，搪玻璃管道組成件連接形式見圖4，搪玻璃管道組成件連接形式一覽表見表2。

表2 搪玻璃管道組成件連接形式一覽表

圖4 搪玻璃管道組成件連接形式

綜合表2可以看出，在管道安裝過程中，卡鉗、活套法蘭及固定法蘭式松套法蘭安裝較為靈活，固定法蘭劣勢較大，同時由于在制作過程中會有偏差，若采用固定法蘭，累積偏差會導(dǎo)致管道偏斜，而上述三種形式則可根據(jù)法蘭的靈活轉(zhuǎn)動，盡量減少此類偏差累積，因此卡鉗連接及活套法蘭最優(yōu)，松套法蘭次之，固定法蘭最差，應(yīng)盡量避免使用。

2.3 搪玻璃管道設(shè)計注意事項

2.3.1 管道的布置

搪玻璃管道多用在輸送酸堿性物料、易堵或易沖蝕物料環(huán)境下，因此在進(jìn)行管道布置時，除需滿足化工裝置管道布置設(shè)計規(guī)定[14]要求外，還應(yīng)根據(jù)工藝要求及物料特性優(yōu)先考慮相關(guān)管線布置，對于易堵或易沖蝕的物料環(huán)境，應(yīng)減少彎頭等的使用。

同時，由于搪玻璃管道是通過法蘭來進(jìn)行連接的，因此搪玻璃管道在布置時，應(yīng)充分考慮各個管段之間連接法蘭的影響，在不影響安裝及拆卸的情況下，最大程度的利用空間進(jìn)行布置，同時在標(biāo)準(zhǔn)《搪玻璃管》HG/T 2130—2021[1]中規(guī)定了不同管徑下搪玻璃管的最大長度(表3)，設(shè)計時可參考此標(biāo)準(zhǔn)合理地對管道長度進(jìn)行布置。

表3 搪玻璃管道最大長度一覽表 單位：mm

在管道穿樓層或平臺時，應(yīng)注意開孔應(yīng)以管道上法蘭外徑為基準(zhǔn)，以免搪玻璃管道由于兩端法蘭面無法拆卸而無法穿過孔洞，對于混凝土樓面需要預(yù)埋鋼管時，應(yīng)著重注意預(yù)埋套管尺寸。在管道布置過程中，應(yīng)盡量使法蘭處于便于操作的位置，以便安裝以及后期拆卸檢修。多根搪玻璃管道并排布置時，應(yīng)注意考慮法蘭大小及緊固件的安裝與拆卸。

目前所參與使用搪玻璃管線的項目，主要有以下兩種分工方式：

(1)搪玻璃管道由供貨商設(shè)計，而其他管道則由工程公司設(shè)計，由于設(shè)計區(qū)域高度交叉，需要建立有效的工作平臺和溝通機制，以免造成碰撞和進(jìn)度延誤。

(2)工程公司設(shè)計所有管道，待設(shè)計完成后，向供貨商提供搪玻璃管道的單線圖，由其進(jìn)行搪玻璃管道的分解及編號，進(jìn)而進(jìn)行加工生產(chǎn)。這種方式協(xié)調(diào)界面少，推薦采用。

2.3.2 搪玻璃管道與設(shè)備管口/鋼管連接注意事項

由于搪玻璃管道及設(shè)備脆性這一弱點，導(dǎo)致其受力條件較為苛刻，而設(shè)備管口處受力較為集中，很容易會因為受力偏大而產(chǎn)生爆瓷，因此在設(shè)計過程中要求在管道與設(shè)備直連處安裝膨脹節(jié)以吸收集中應(yīng)力。某項目大口徑膨脹節(jié)實物圖見圖5。

圖5 某項目大口徑膨脹節(jié)實物圖

搪玻璃管道與鋼管道連接處，由于兩者材料的差異，在應(yīng)用過程中會有較大形變差異，從而導(dǎo)致此處應(yīng)力較為集中，為避免對搪玻璃管件造成損壞，應(yīng)設(shè)置膨脹節(jié)來吸收集中應(yīng)力。鋼管與搪玻璃管道連接模型示意圖見圖6。

圖6 鋼管與搪玻璃管道連接模型示意圖

2.3.3 管道調(diào)整段的設(shè)置

搪玻璃管道的安裝是通過組裝提前加工好的管道組件來實現(xiàn)的，而在管道加工及施工過程中，誤差無法避免，為消除累積誤差，設(shè)計時需要設(shè)置管道調(diào)整段來實現(xiàn)最后的連接。而在設(shè)置調(diào)整段時，不同管道布置方式需設(shè)置的調(diào)整段數(shù)量不一。

當(dāng)管道布置為一維線性時，需設(shè)置一個調(diào)整段；當(dāng)管道布置為二維平面時，需在垂直的兩個方向上各設(shè)置一個調(diào)整段；當(dāng)管道布置為三維立體時，需在相互垂直的三個方向上各設(shè)置一個調(diào)整段。

調(diào)整段的布置應(yīng)盡量設(shè)置在便于施工的地方，并應(yīng)相對短一些，以便于及時加工、運輸和安裝。即使設(shè)計了調(diào)整段，現(xiàn)場施工時也難免有間隙，此時可以通過對夾PTFE調(diào)整墊的方式加以調(diào)整。

2.3.4 管道的支撐

在完成管道布置后，需設(shè)計支吊架對其進(jìn)行支撐以保證管道的自重應(yīng)力在允許范圍內(nèi)，并以此來增加管道剛度，避免產(chǎn)生過大的撓度和振動，同時，可以通過設(shè)置支架對其進(jìn)行限位，以控制管系熱位移的大小和方向，保證管道和與其相連接設(shè)備能可靠安全運行。

2.3.4.1 支架的跨距及荷載

搪玻璃管道較普通鋼管道重，同時由于搪玻璃管道之間是通過法蘭連接的，連接處法蘭重量遠(yuǎn)超普通管道重量，且應(yīng)力較為集中，因此在設(shè)置管道支撐時應(yīng)注意盡量減少管道連接處的應(yīng)力，在設(shè)置管道支吊架時應(yīng)特殊考慮管道重量，適當(dāng)選用較大承載力架型的同時縮短管道跨距，以保證搪玻璃管道在連接時不會由于形變產(chǎn)生應(yīng)力，進(jìn)而造成爆瓷。表4列出了無縫鋼管[15]及搪玻璃管[1]標(biāo)準(zhǔn)中，不同管徑在相同壁厚下的參考單位重量。

表4 搪玻璃管道組成件重量一覽表 重量單位：kg/0.5m或kg/m

2.3.4.2 支架的選型

在設(shè)置管道支架時，應(yīng)避免使用需與管道進(jìn)行焊接的架型，以免對管道造成損傷，對于大部分管道在《管架標(biāo)準(zhǔn)圖》HG/T 21629—2021[16]中都可選到相應(yīng)架型，如管托應(yīng)選用管夾型(J2或者J4)，在架型的選用及安裝過程中，應(yīng)綜合考慮管道走向、重量、受力情況、熱位移值及保溫情況等因素，合理設(shè)置支吊架，同時支吊架應(yīng)滿足上述標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)要求(如荷載、適用范圍等)。而當(dāng)管道必須要用到焊接型管架時，如豎直管道上需設(shè)置耳軸進(jìn)行承重、水平管道需設(shè)置固定架等情況時，應(yīng)將此處的支架詳圖連同單線圖同時提供給搪玻璃管道廠家，由其在制作鋼坯時提前焊接好后再進(jìn)行搪燒，以此保證搪玻璃管道及管件的完整性。

對于大口徑搪玻璃管道，由于其本體較大，安裝、支撐及固定要求高，一般需根據(jù)管道布置情況在搪玻璃組成件的金屬基體上設(shè)置吊件或支撐件(如吊耳、耳座等)。這類附件同樣需生根在金屬基體上，需在搪燒之前進(jìn)行焊接，因此需及時給生產(chǎn)商家提要求。

3 搪玻璃管道及設(shè)備的安裝

搪玻璃設(shè)備的最大弱點為脆性，受到外力作用時很容易發(fā)生損壞，因此在布置時應(yīng)充分考慮整體調(diào)出檢修，需預(yù)留出吊點及空間，在施工過程中，合理規(guī)范的流程就顯得非常重要。

3.1 安裝前檢驗

搪玻璃管道及設(shè)備在安裝前應(yīng)進(jìn)行檢查，首先是對其外觀進(jìn)行檢查，不應(yīng)有裂紋、魚鱗爆、局部剝落、擦傷、肉眼可見的變形、影響正常使用的發(fā)紋等現(xiàn)象，一旦發(fā)現(xiàn)嚴(yán)禁使用，應(yīng)與廠家聯(lián)系更換或做電火花實驗來確定是否可以使用[17]。

3.2 設(shè)備吊裝及注意事項

由于搪玻璃設(shè)備的特殊性，在設(shè)備吊裝過程中，應(yīng)盡可能地保證其本體不會受到物理沖擊，同時應(yīng)保證吊裝過程的穩(wěn)定性，減少其局部受力的可能，以免對設(shè)備本體造成損害。安裝過程及注意事項如下：

(1)設(shè)備吊裝，根據(jù)設(shè)備尺寸及重量選擇相應(yīng)的起吊工具，一般建議使用兩輛起重機或者1個起重橫梁，以此來均衡受力；吊裝時應(yīng)盡量使用纖維吊帶，使用鉸鏈及鉤子時應(yīng)避免產(chǎn)生杠桿力；臥式設(shè)備吊裝時，在保持設(shè)備穩(wěn)定吊裝的前提下，應(yīng)盡可能地減小吊裝夾角。

(2)設(shè)備二次倒運，部分設(shè)備無法在吊裝時一次就位，需進(jìn)行二次倒運至相應(yīng)位置就位，在倒運過程中需要注意使設(shè)備受力均勻，避免集中應(yīng)力而導(dǎo)致設(shè)備損壞。

(3)設(shè)備就位找正，就位前應(yīng)復(fù)查設(shè)備完好情況，無問題后根據(jù)設(shè)備布置及管口方位對設(shè)備進(jìn)行就位，盡量一次到位，如需校正，應(yīng)使設(shè)備抬高后放入墊鐵后再緩緩放下，確定水平以及垂直度后再緊固卡子。

(4)設(shè)備附屬件安裝。

3.3 管道安裝注意事項

在管道安裝過程中，應(yīng)注意嚴(yán)格按設(shè)計圖紙施工，同時應(yīng)注意如下4點：

(1)搪玻璃管道與搪玻璃設(shè)備管口連接時，要檢查設(shè)備管口瓷釉面是否損壞。

(2)嚴(yán)格保證搪玻璃管道不受外力影響，不允許施焊、加熱、扭曲和敲打，不允許施加設(shè)計以外的荷載。

(3)法蘭連接應(yīng)使用同一規(guī)格的螺栓，安裝方向應(yīng)一致。

(4)管道連接時不得強力對口，在法蘭間安裝墊片后，通過輕輕轉(zhuǎn)動短節(jié)使法蘭面達(dá)到平行，不帶壓安裝管線，不逆軸線拉管線，螺栓應(yīng)自由穿入，緊螺栓時不要用力，按照米字型進(jìn)行緊固。

4 工程實例分析

圖7為大口徑立管圖，由于管線直徑較大，在設(shè)計初期便與廠家確認(rèn)各段管線及管件的吊裝位置，設(shè)置吊點，同時對于穿樓層支撐部分，要提前設(shè)置耳座。在實際生產(chǎn)中，為避免支撐點長期產(chǎn)生集中應(yīng)力，設(shè)置支撐環(huán)將支耳處力進(jìn)行分散。安裝過程中，需將管線逐段吊裝，確保每段就位后連接。及時合理的設(shè)置管道吊點及支撐點，為現(xiàn)場安裝提供了極大的便利，同時減少了損壞風(fēng)險。

圖7 大口徑立管圖

5 結(jié)語

本文簡述了搪玻璃的特性，并對比搪玻璃管道管件等制造標(biāo)準(zhǔn)[18]，同時，總結(jié)其連接形式，對搪玻璃管道的設(shè)計、改造等提供了建議及參考。搪玻璃設(shè)備和管道憑借其卓越的性能，在化工及多個領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，但其延展性不足及脆性差等特性又在一定程度上對其應(yīng)用有所限制，因此，增加其韌性彌補上述不足將是其未來發(fā)展及應(yīng)用拓展的一個重點方向。