空分设备冷箱内管道设计研究

马林

摘要：在煤炭化工以及钢铁行业种,空气分离工程是非常关键的支撑部分。空分设备种，冷箱内配管设计的水平，会在较大程度上影响空分工程设备的价值实现。随着科技的发展，空分设备的长期正常运行需要高水平的冷箱内管道设计。它可以保障空分设备的稳定运行以及安全可靠。然而，不少因索都会影响冷箱管道设计的水平，应该深人地分析和探讨这此问题，进行科学合理的设计，以稳步提升冷箱内管道设计的水平。

关键词：空分设备;冷箱内管道;设计

引言

冷箱内压力管道作为空分设备保冷箱内最复杂的部件之一，是空分设备安全、稳定运行的重点之一。通过多年来的基础性研究设计与现场经验的积累，空分设备冷箱内管道的设计方法已较为成熟，为空分设备的安全、稳定运行提供了保障。从设计到运行，中间有安装调试的过程，因此，现场安装质量的控制是保障冷箱内管道安全运行的一个重要环节。现结合空分设备现场冷箱内管道技术服务过程中遇到的各种安装质量问题，分别从前期管道预制、中期安装施工以及后期检查完善阶段，对冷箱内管道现场安装质量的控制进行探讨。

1同步收缩式管路设计

随着空分设备的大型化发展，冷箱内压力管道的直径已经达到1300mm以上，这样的直径已与早年生产的中型空分设备上塔直径相当。当大直径管道参与补偿时，焊缝的受力应用设计手段使其尽量小，以避免风险，如果处理不好大直径管道补偿问题，那它将是空分设备大型化的障碍。所以大型空分设备的压力管道设计必须引起足够重视。按相同温度下同一种金属材料的线膨胀系数一致或接近的特性，管道与塔器布置成平行形式，并在塔器上设置支吊架，称之为同步收缩式管路布置。一套30000m3/h等级空分设备，在工艺流程一样的情况下，沿塔器布置管道相比沿冷箱壁布置管道大约要节约铝材10%20%，对应降低管道系统阻力15%左右，同时也节约了与之对应的管架。管道布置简洁就减少了安装工作量，减少安装工作量的同时又减少了焊缝，减少焊缝就有效地消除了很多隐患。带来的好处是使整套空分设备阻力更小、更简洁、更易于安装检查、更安全。同步收缩式管路设计方式，对空分设备的管道系统大有益处。同步收缩式管路设计主要考虑塔器温度与管道温度在同一时间点温差不能过大，不然在管系补偿已大量减少的情况下，材料自身所反映的热胀冷缩应力是巨大的，设计人员需要计算分析后判断。整个实现的过程是:首先膨胀机开启后气源的温度下降较缓慢，国内空分行业内一般规定每小时不超过10K，这样膨胀空气进上塔，然后通过上塔经由污氮管、氮气管、氧气管去板翅式换热器，流速大约6m/s。这部分冷气体介质又在板式内与正流空气换热，空气通过换热将冷源带至下塔。同时膨胀后的温降速度还取决于主换热器的中抽、底抽温度，主换热器的中抽、底抽温度又直接来源于上塔的冷却温度。这样环环相扣最终完成整个同步冷却收缩的过程。反之，对空分设备排液、加温也应如此控制温度的回升，切忌温度回升太快，造成管道损坏。这样设计的管道简洁，也高效，但设计人员需严格区分不同类型的管道，凡是不参与同步收缩的管线，如不在同一个系统(如氧、氮分离系统与制氩系统)的管线不能跨塔布置，避免当制氩系统初期未投运时，温度不同步造成收缩不同步从而导致应力过大，发生事故。连接有液体节流阀的管线，如液空、液氮、液氩等，由于阀门是固定在冷箱壁上的结构，在塔器、管系整体向下收缩时起到了阀前阀后管路隔断的作用，现有的设计已应用CAESAＲⅡ应力分析软件计算，设计、安装时将阀门向运行时位移的相反方向移动，在具体开车时使阀门随管道向下收缩并刚好处在阀筒中心，即浮动阀门设计，把阀门与管系视作一个活动的整体，可有效降低整个管系的应力，提高空分设备的安全性，减少管道的补偿结构，减小管线的阻力。在空分设备现场开车时，开车调试人员也需特别注意通过阀门控制让气体能带着冷源到每一根管线，这对空分设备调试时的开/停车过程也提出了新的技术要求。

2管道振动

空分冷箱内的管道振动受到了诸多工况的影响，如节流生成两相流、低温离心泵、透平膨胀机、都可能造成管道振动。通常情况下，低温离心泵、透平膨胀机分别配备了金属软管或波纹膨胀节，将转动设备与管道以及有关设备隔离开，能够降低管系振动的现象，保证管道生成的力不影响有关设备，以保护管系以及设备的稳定性以及安全性。节流阀后产生的震动，是冷箱内非常具有代表性的一种振动现象。两相流指的是，管内流体存在着气相、液相。由于双方存在着较大的密度，流速也不一样，所以管内流体作用于管道的力不同，作用力持续变化，导致管道振动的问题。如从压缩流程来看，高压液空节流阀之前以及之后存在着较大的压差，阀后存在一定气化现象，生成两相流，管道运行中振动幅度较大。假如管道的设计不合理，或是没有设计牢靠的阀架，易于造成管道疲劳破坏，会在较大程度上威胁装置的安全性。为削减振动，在布置管道的过程中，首先要确保管道的柔性，采用尽可能少的弯头，阀后确保适当长度的直管段。其次在合适地方设置导向架和限位架，保证阀架设计充足的刚度，如确有必要，要配置相应的阀箱，以便于开展维修和检测活动。在安装阀架的过程中，焊接要牢靠，应该精准操作，按图进行施工。ASMEB31.3的相关规定指出，在设计管道时要尽可能地除掉振动造成的不利影响。切实提升系统设计水平，除掉结构设计中可能造成振动的相关因素，不必详细地进行振动分析。由于振动机理比较难以阐释，不能准确地模拟实际条件，管道设计者要保证管道本身的充足柔性，重视管系刚度，如有必要，要加入相应的支架，切实除掉振动导致的不利影响。

3安装阶段的质量控制

冷箱内管道安装为空间受限，大部分属于高空作业，加大了施工难度，给施工质量带来了很大影响。冷箱内管道的安装必须在单体设备就位完毕、所有管口方位核对无误后进行，按图施工，并严格按照国家标准及企业标准的规范要求执行。冷箱内工艺管道安装时，首先需注意施工过程中产生的铝屑等杂质清理问题，必须遵循先大管、后小管，先上部、后下部的安装原则，便于及时排除安装过程中产生的铝屑。现场管道开孔及焊缝返修过程中产生的铝屑也需注意清理。其次，需着重关注氧介质管道的安装。出于安全性考虑，氧介质管道在厂内和现场焊接时采用不锈钢衬圈，去除垫环槽铝；当管道口径不小于DN400时，采用双面焊。现场对于DN≥400的氧介质管道，需特别提醒安装人员合理选择预留口，尽可能进行双面焊，保证氧介质管道的施工质量。另外，对于不锈钢材质的氧介质管道，需注意管道内部焊缝余高的控制，确保运行安全、稳定。

结语

随着空分设备体积口益大型化，科技进步迅猛，空分设备冷箱内管道中越来越注重设计的安全性、高效性以及简洁性。设计者应该敢于创新、改进和完善，提升设计水平。与此同时，应该重视冷箱内管道设计的可靠性与安全性，确保这项隐蔽工程能够长时间稳定运行，更好地提升空分设备的运行质量和效果。

参考文献

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