低温管道的设计要点

作者：董经理¹³³³⁷⁸⁸³⁰⁸⁶ 更新时间：2023-05-15 点击数：

低温管道的设计要点

在石油化工企业中,低温管道经常被用到。一般情况下,把+5℃以下的物料管道统称为低温管道。但实际中,低碳钢在+5℃至-20℃范围内都可以正常使用,因在在这种条件下钢材主要处在延性状态。温度如果低于-20℃,碳钢管道就慢慢变为以脆性状态为主,在这咱种情况下,使用就有了一定的条件限制。因低于或等于-20℃的管道都属于低温管道。本文主要通过配管设计、管架安装等几个方面,总结了低温管道设计的要点,并结合工程实际,确定了设计人员在低温工况下管道设计时应注意的问题。

前言

油气田地面工程及化工工艺装置中,工艺介质低温管道的设计日趋普遍。如:辅助系统的制冷单元、低温液化CO2,低温液化LNG等。低温管道设计主要考虑“低温脆性”和冷结构设计以及由于保冷需求而产生的一些列设计要求两个方面。“低温脆性”,要求设计人员合理选择“冲击韧性”高的钢材,同时从配管设计和管系制作上防止脆裂和脆断。冷结构设计以及由于保冷需求而产生的一些列设计要求也是非常重要的,它直接关系到能耗和设备管道的施工、操作、检修等。

1. 配管设计

整个管道是否有足够的柔性低,是低温管道设计首先要考虑到的,同时还要充分利用管道的自然补偿。补偿器是当设计温度很低又无法自然补偿时使用。

布置低温管道时,应避免泵、压缩机和排气管等管道振动,必须防止整条管道的振动。如果设计管理时,有机械的振源,就应该及时采取消振措施,此外,接近振源处的管道应设置用以隔断振源的弹性元件,如波型补偿器等。

在低合金钢、低碳素钢的低温管道上,装有安全阀或排污物,排气的支管时,需注意该低温液体介质排出后是否立即汽化,如果立即汽化,就需要大量吸热,就要结霜甚至结冰,把管道温度降到最低,所以在布置这类支管时,在容易结冰范围内应采用奥氏体不锈钢材料,使用法兰连接不同材质的支管。

低温管弯头处因应力最大,所以弯头处最容易发生脆裂,不应焊接支吊架。

在低温管道上,一般靠近弯头或三通处,不允许直接焊接法兰,为了拆卸螺栓时不破坏主管道上的保冷层,需再延长一段长度(接一短管)后再焊接法兰。主管上仪表管嘴焊接法兰时,同样也是这种要求。对接法兰中只需要保证法兰一端留有卸螺栓的间距就可了。

布置管道时,要考虑管道的移动,管道与相邻管道、设备及与梁之间应留有足够的间隙;法兰和阀门的位置保冷厚度大,配管时应留有足够的间隙;放空和放净的最小安装尺寸应根据保冷厚度确定。

当保冷管道贯穿楼板时,注意管道与梁之间的距离,应加大预留孔,配管时应避开梁;立式设备有稠密上升管道处,注意应给出支架与支架的安装间距;应该给出适当的保冷管道间距。

2. 管架的安装

在设计低温保冷管道支架时,应有防止产生“冷桥”的措施:

1) 在水平敷设低温管道时,在管道底部一般垫有木块或硬质保冷材料块,防止管道中冷量损失;

2) 垂直敷设低温管道时,如果支架安装在低温设备上时,在设备和管道上都应垫有木块或硬质保冷材料块;

3) 管架的支撑重量应包括管道保冷结构的重量;

4) 由于低温管道材料强度相对较低,所以应注意低温管道支架间跨距应比一般钢管道支架间的跨距小;

5) 当保冷管道无管托支承时,保冷管道管底标高的确定取决于管架或枕梁上的保冷厚度,在管径变小的位置,保冷厚度也会变小,为了保持管道管底标高,保冷垫木块的厚度不应该改变。

6) 保冷垫木块的厚度比保冷层厚度约大5mm,这样做可以防止由于管子偏移与梁接触而引起保冷层的损坏。

7) 低温管道极易生锈,在管架的滑动表面应采用滑动板;

8) 低温管道弯头处应力最大,弯头处最容易发生脆裂,所以不宜在弯头处焊接管道支吊架。

3. 工艺阀门的安装

1) 当流体是液体时,低温阀的阀杆应向上安装,低温阀的阀杆较长,安装阀门时应引起注意;

2) 有泄压孔的低温闸阀,应在阀体的阀盖上标记泄压孔方向。并注意标记不应被保冷层覆盖。

4. 仪表元件的安装

1) 热电偶套管一般为法兰管嘴,法兰管嘴的长度约为4倍保冷层厚度。低温管道中,热电偶套管不应安装在垂直管道上,要考虑到保冷层最终被破坏时底座上将会结冰。

2) 在低温设备上,仪表测定往往需要暖柱,在设计时,应考虑到安装暖柱所需的间距和仪表保冷层所需空间;

3) 孔板的安装。低温管道上的孔板保冷结构是块状保冷结构,中间填充碎料,所需空间较大。孔板法兰接出的螺纹阀门必须离孔板法兰保冷层外侧有足够的净距,至少76mm。故螺纹接管最小长度应是卸下阀门和操作阀门的间距再加上孔板法兰保冷层厚度;

4) 控制阀的安装。低温管路中的控制阀带有暖柱装在阀盖上,增加了阀中心到顶端的距离。因此,控制阀组的总高度较高。

5. 防止冷缩的措施

1) 应注意管材的性质,用于低温管线的奥氏体不锈钢,通常其线性膨胀量大于碳钢。因此,奥氏体不锈钢的位移量相当大。由于许多不锈钢管的壁厚较薄,故强度较低,因此要考虑这些管子支架的设置;

2) 减少由于管线收缩而作用于管系的力的几项措施

a) 使用自膨胀的管系;

b) 用膨胀环路;

c) 使用膨胀节;

d) 注意位移。

在采取措施以吸收位移量之前,应对管线上每一点进行计算和明确,以防止支架和梁被推倒。

6. 其他

1) 保冷材料选用

对低温流体采取保冷保护与外界环境温度隔绝。如果保冷层内有小的缺陷,如裂缝、裂痕等,就会对管内的低温流体产生较大的影响。如保冷不当,水蒸气从外界透过保冷层就会产生结露,进而结冰。冰粒的不断增长,将破坏保冷材料,影响保冷效果。因此必须从材料方面考虑,采用湿气渗透性较低的保冷材料,外表面也应采用可放水的另一种保冷材料。

2) 操作平台和通道设计

a) 与高温单元不同,低温单元中很多项目需频繁的检查,需特别注意液体的泄露和保冷层是否被破坏,以便发现问题及时解决。

b) 在小面积独立结构中,例如操作平台和通道,需临时组合的结构件如螺纹连接和焊接尝尝是特殊的。