空分装置低温管道设计浅析

空分装置低温管道设计浅析

空分装置中涵盖众多低温管道，只有将低温管道的全部问题分析清楚，管道在低温下不发生破坏断裂，才能保证整套空分装置安全平稳的运行。

标签：低温；空分；管道；材料

工业中获得氧、氮、氩及其液态产品的方法多采用低温精馏分离方法，从数据得出的各组分标准沸点，可见其温度远远低于常温，这些介质的管道均属于低温管道的范畴，本文对国内外对低温的界定、低温管道的材料、压力管道分级、配管相关问题逐一进行讨论。空气各组份标准沸点：氧-183℃；氮-196℃；氩-186℃。

随着国民经济的快速发展，空分装置的国模也随之越来越大，特别是煤化工项目的空分装置，对空分工程设计的稳定性要求越来越高。提高装置关键管道——低温管道的设计质量是每一位设计人员要解决的首要问题。做出一个优秀的工程设计项目，不仅需要对空分流程比较熟悉，而且对低温领域的相关标准及低温管道的材料有深刻理解。以下将从这几个方面进行分析探讨。

1 低温管道材料的规定

空分装置中常用的低温管道材料是不锈钢（06Cr19Ni10）、铝（5052-O、5083-O），这是因为此类材料具有面心立方晶格，其冲击韧性与温度无关，在低温下不发生冷脆现象，具有良好的机械性能。同时相对铜材有较大的经济优势，全国钢标准化技术委员会于2016年发布了GB/T18984《低温管道用无缝钢管》中列出的管道材料温度下限仅为-100℃，远远不能满足空分装置中各组份的沸点，所以国内材料必须采用不锈钢（06Cr19Ni10）、铝（5052-O、5083-O）这两种材料。

GB/T18984中牌号16MnDG、10MnDG、09DG最低实验温度-45℃；09Mn2VDG最低实验温度-70℃；16Ni3MoDG最低实验温度-100℃。

低温下奥氏体不锈钢具有良好的冲击韧性，GB150《钢制压力容器》材料篇中规定，奥氏体不锈钢的使用温度高于或等于-196℃时，可免做低温冲击试验。

2 低温管道的分级

根据特种设备目录中压力管道，是指利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压），介质为气体、液化气体、蒸汽或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体，且公称直径大于或者等于50mm的管道。公称直径小于150mm，且其最高工作压力小于1.6MPa（表压）的输送无毒、不可燃、无腐蚀性气体的管道和设备本体所属管道除外。GB/T20801-2006《压力管道规范工

业管道》对工业管道的分级有以下规定：

2.1 符合下列条件之一的为GC1级

①输送毒性程度为极度危害介质，高度危害气体介质和工作温度高于其标准沸点的高度危害的液体介质的管道；②输送火灾危险性为甲、乙类可燃气体或者甲类可燃液体（包括液化烃）的管道，并且设计压力大于或者等于4.0MPa的管道；③输送除前两项介质的流体介质并且设计压力大于或者等于10.0MPa，或者设计压力大于或者等于4.0 MPa，并且设计温度高于或者等于400℃的管道。

2.2 符合下列条件的为GC2级

除2.3条规定的GC3级管道外，介质毒性程度、火灾危险性（可燃性）、设计压力和设计温度低于2.1条规定（GC1级）的压力管道。

2.3 符合下列条件的为GC3级

输送无毒、非可燃流体介质，设计压力小于或等于1.0MPa且设计温度大于-20℃但不大于185℃的压力管道。

综上得出结论，凡是公称直径大于或者等于50mm的管道，输送介质是氧、氮、氩的低温管道均属于GC2级压力管道。

3 低温管道的配管浅析

空分装置中的低温管道分布在分馏塔冷箱内部及冷箱外液体储罐区，冷箱内选用的材料均为铝（5052-O、5083-O），冷箱外的低温管道材料均为不锈钢（06Cr19Ni10）。铝的单位线膨胀率在-190℃时是-3.79mm/m，5052-O低温下的许用应力是42MPa，5083-O低温下的许用应力是67MPa，不锈钢的单位线膨胀率在-190℃时是-3.10mm/m，低温下的许用应力是122MPa。

我公司空分装置的管道配管采用A VEV A公司开发的三维配管软件PDMS，应力分析采用COADE公司开发的CAESARⅡ，实践证明，它们能夠满足空分装置中低温管道的设计工作要求。下面对低温管道的设计简要论述：①合理选用支架的固定型式，充分利用管道的自然补偿。必要时增加L型、π型补偿，保证整个管系有足够的柔性；②受空间限制自然补偿无法满足应力要求时，可采用膨胀节补偿；③与膨胀机、低温泵动设备连接的管道应避免应力过大破坏与设备连接的管嘴，应避免管道震动，造成疲劳破坏；④可能出现汽液两相流的管道应避免高点气封，低点液封的出现；⑤低温管道距冷箱壁要有足够的绝热距离，避免跑冷损失，防止冷箱挂霜，出冷箱的管道要设置自然补偿弯；⑥管道与管道并排设置时要考虑管道间的温度差，保证管道间有足够净距；⑦液体管道要避免死点，尤其是液氧管道，要避免碳氢化合物积聚；⑧塔器设备上的管嘴在低温工作状态有冷位移，应力分析时要充分考虑相关因素；⑨低温管道支架采用保冷管道，避免与碳钢直接接触；⑩冷箱内低温管道采用珠光砂保冷，冷箱外低温管道采用聚

氨酯管壳保冷；?冷箱内低温液体残液排放管应排入集液坑中避免直接对大气排放。

4 结束语

低温管道涵盖的范围广泛，本文仅就空分装置低温管道做简要介绍，配管问题还应包括阀门、仪表的配置，除此之外低温管道的施工、验收也是检验设计思想，贯彻设计思路的重要环节。