大型空分装置低温管道设计与运用研究

大型空分装置低温管道设计与运用研究
发布时间：2022-05-31T02:07:59.329Z 来源：《新型城镇化》2022年11期作者：盛梦超朱静迪
[导读] 在工业生产当中，大型空分装置越来越常见。

在制备氧、氮等液态产品的生产环节中，通常使用低温精馏分离的方式，在这一过程中反应温度会比正常的温度低得多，而承载这些介质的管道就属于低温管道。

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摘要：在工业生产当中，大型空分装置越来越常见。

在制备氧、氮等液态产品的生产环节中，通常使用低温精馏分离的方式，在这一过程中反应温度会比正常的温度低得多，而承载这些介质的管道就属于低温管道。

在大型空分装置中，低温管道发挥着重要的作用，是保障空分装置平稳运行的关键。

因此，本文分别从材料选择、管道连接设计和管道布置与预制对低温管道的设计与应用进行详细研究，希望有所帮助。

关键词：大型空分装置；低温管道；管道设计
引言：在国民经济不断发展，社会发展水平不断提高的环境下，空分装置应用范围不断扩大且装置规模不断变大，大型空分装置发展越来越快。

在大型空分装置工作过程中，其稳定性极其重要，提高其工作稳定性的关键之一就在于低温管道的设计和应用。

在低温管道设计过程中，各个环节都容易影响到整个管道的质量、绝热性能等，所以必须加强对大型空分装置低温管道的设计与应用的研究。

1.大型空分装置低温管道材料选择
在大型空分装置低温管道设计过程中常选用铝合金和奥氏体不锈钢作为主要的材料，由于其特殊的结构形式，使其在低温环境下仍然能够保持较强的韧性。

在对冷箱内部低温管道的材料选择中，通常就选择这两种类型的材料。

通过对两种材料的对比，铝合金的材料成本较低，但其力学性能却远远不如奥氏体不锈钢材料，且其热传导系数还相对较高，所以在选择冷箱内部低温管道材料时要根据实际情况从两者中进行选择。

一般来说，受到静设备的限制，冷箱内的压力通常不会过高，且其中常存在保冷材料，所以不需要过度考虑力学性能和热传导系数，所以冷箱装置中的静设备和对应的连接管道可以采用成本较低的铝合金材料。

且铝合金材料的重量较轻，与不锈钢相比可以降低了冷箱载荷，具有一定的优势。

但是在运行过程中动设备发挥重要的作用，且运行较为频繁，铝合金材料在抗疲劳方面较差，所以动设备应选择奥氏体不锈钢材料，且对应的连接管道也应使用不锈钢材料。

所以，从整体来看，冷箱中低温管道所选材料包括铝合金和奥氏体不锈钢两种，且二者之间存在连接。

在大型空分装置中，真空绝热管道也是低温管道设计的重要环节。

在对低温流体进行保冷工作时，其中的输送管道主要分为堆积绝热管道和真空绝热管道，结合以往的实践经验进行分析，总结出在整个保冷过程中真空绝热管道能够发挥更好的绝热效果，并且损耗较小，所消耗的成本也比使用堆积绝热管道要少，所以在大型空分装置外部的低温管道通常使用真空绝热管道。

在真空绝热管道的材料选择方面，通常不选择铝合金材料。

因为了铝合金的导热系数较高，作为保冷管道很容易出现冷量损耗，且其韧性不足，难以抵抗冲击。

为了应对管道内外存在的温差、吸收轴向应力，还需要制作波纹管，所以通常在此环节使用真空多层的不锈钢材料。

并且使波纹管在管道内部存在于辐射屏之间，确保辐射屏的反射率，并结合使用玻璃纤维布等热传导率较低的物体，实现对热量的高效隔绝[1]。

另外，真空管的内垫片通常使用铅材料或者聚四氟乙烯材料制成，并使其与低温介质相隔离以确保材料的弹性，避免出现泄漏的情况。

外垫片主要使用橡胶材料，在高温环境下也能够保证其密封效果。

2.大型空分装置低温管道连接设计
在大型空分装置低温管道内部设计连接过程中，由于主要使用的材料是铝合金和不锈钢，二者之间的力学性能存在较大差异，且热物理性质又有很大的不同，二者的固溶度都比较低，所以要想将二者进行稳固连接，势必会出现过多的应力问题。

并且，不锈钢材料中含有较多的铬元素，这类元素的化学性质不够稳定，在进行材料焊接的过程中很容易出现氧化问题，使其难以维持原本特性，因此，综合考虑多种因素，在连接两种材料时，通常采用惯性摩擦焊的方式。

惯性摩擦焊在工作过程中，主要通过飞轮旋转产生动能，以供摩擦使用。

在惯性摩擦焊实际工作过程中，飞轮和其中的工件相互配合作用，使工件在特定的转速下进行加速旋转，左右两侧工件在作用下不断靠近、接触，并在接触后产生较强的摩擦力，在达到这一效果后就停止对惯性摩擦焊供电，控制其飞轮转速，直到停止就代表着焊接完成[2]。

在选择惯性摩擦焊时，要根据实际所需的能量，选择不同尺寸的飞轮，进而实现对材料的高效连接。

利用惯性摩擦焊能够很好地解决原本铝合金和不锈钢在连接过程中可能出现的各种问题，并且能够保证接头部位的稳定性，实现高质量的焊接工作。

在对大型空分装置外部低温管道进行连接设计时，通常将真空绝热管道进行分段式设计，保证每段的长度基本一致，通过焊接、平面法兰式等方式将每段管道进行连接，形成一个整体长距离的输送管道。

利用承插法兰式进行连接时，要将阳接头和阴接头相连接并在二者之间留出小范围的间隙，以供低温气体在其中通过，当气体通过时受到作用就会发生汽化现象，进而出现气阻，以此降低低温对密封圈的影响，使管道接头处的绝热性能有所提高。

通过实践分析可以看出，承插法兰式管接头的制造过程较为便捷，且在连接过程中能够保证紧密性和可靠性，并能够发挥较好的绝热效果，但是在对其进行安装或者拆卸时必须要加强控制轴向位移的情况。

在对冷密封进行连接设计时，通常使用平面法兰式管接头，该连接原理与承插法兰式管接头相类似，在低温液体进入到空腔时，也能使其发生汽化，形成气阻，阻
隔液体出现渗漏，以此保证在管道运行过程中能够持续保持绝热性能。

平面法兰式管接头安装操作较为容易，但是相对消耗较大，且较为容易出现渗漏情况，需要加强注意。

3.大型空分装置低温管道布置与预制
一般来说，以冷箱为例，在设计过程中，针对低温管道的布置和预制分为两部分，冷箱内低温管道布置主要由制造商负责，而设计人员主要负责冷箱外的低温管道布置。

在对真空绝热管道进行布置的过程中，为了避免热量的消耗，应尽量减少接头的设置，并且为了应对在真空绝热管道中可能会出现的液体汽化现象，在布置管道时要循序渐进。

一般来说，不同的大型空分装置中真空绝热管道的各项设计参数也有所不同，所以在布置管道时应严格根据产品本身的参数特点并结合以往的经验，设计出最为合理的布置图。

在对管架设计布置时，应严格参照管架标准图进行，且应根据其中所要求的不同管夹层间距进行保冷管道支架的布置[3]。

为了保证布置的合理性，设计师和工程师之间应加强沟通交流，对真空绝热管道的相关参数信息加强研究和分析，确保数据信息的真实性和准确度。

真空绝热管道在运输到施工现场后就难以再进行二次处理，所以一旦出现尺寸等问题就很难及时解决，不仅会浪费材料还会耽误工期，所以对真空绝热管道的预制环节是十分必要的，且必须保证预制的精确度。

技术人员和设计人员应对其进行现场实地测绘，综合考虑多项因素，对管道的管线进行分段式设计，并在绘制的管道预制图中对管线的各个部位加强细节设计，以此保证真空绝热管道预制的精准性，减少误差的产生，以此保证管道的质量，确保真空绝热管道的安装质量。

结论：综上所述，低温管道的合理设计在大型空分装置中发挥着重要的作用，占据着不可被替代的地位。

要想保证大型空分装置的稳定性，就必须提高低温管道的设计质量。

在设计过程中，加强对材料的选择和筛选，并注意选择最为合适的连接方式，保证连接质量和接头的性能，同时加强把控管道布置和预制环节的质量，从多方面提高低温管道设计应用的质量，进而保障大型空分装置的高效运行。

参考文献：
[1]周博博. 大型空分装置低温管道的设计与运用[J]. 化工设计,2021,31(05):14-17+20+1.
[2]陈渭中. 空分装置低温液体管道的配管设计[J]. 云南化工,2019,46(05):102-103.
[3]叶春峰. 空分装置后备系统低温液体管道设计[J]. 山东化工,2017,46(09):115-116.乡村振兴背景下的“多规合一”村庄规划。