空分装置整装冷箱内管道设计的探究

空分装置整装冷箱内管道设计的探究

作者：徐建

来源：《中国化工贸易·中旬刊》2018年第08期

摘要：基于科学技术的不断创新，空分设备朝向大型化方向发展，冷箱内压力管道的设计也得到了优化，出现整装冷箱。但因为运输条件的限制以及安装能力等因素的约束，冷箱内塔器、管道等设备单元的布局与设计需要进一步优化。本文以某空分设备为例，分析该设备整装冷箱内设备布置、管道布局、管架设计、应力分布以及管道CE认证方面的技术特征，以及为我国空分设备整装冷箱内管道设计提供参考。

关键词：空分设备；整装冷箱；管道设计

相比传统冷箱，整装空分冷箱安装质量更为优秀，且现场安装周期明显缩短，但因为受到运输条件等多种因素的约束，所以多应用于小规格空分设备或是液化设备之中。如今，空分设备逐渐向大型化发展，市场与部分特殊用户均需要适用于大型空分设备的整装冷箱。目前，市场已经开始存在该类整装冷箱，本文即以某10000m3/h空分设备为例，简要介绍某设备冷箱的设计特征与部分问题的解决方法。本空分装置工艺流程采用液氧泵内压缩流程：①空气压缩→②空气预冷和纯化系统→③热交换和制冷→④空气分离。本空分冷箱内包括以下设备：上塔、下塔、主换热器、过泠器、各流路的气液分离器、高低压板式换热器、氩塔、液氧泵、液氩泵。

1 设备布置

某空分设备应用整装冷箱，所以必须保证冷箱内设备与管道布置的合理性，以缩减冷箱空间尺寸，达到现有运输的要求。按照塔器直径以及高度，结合冷箱现有运输条件，综合该设备工艺流程以及使用方对设计的要求，在设计期间不断对冷箱予以优化，最终确定设备按照如下条件布置：

第一，上塔、下塔与主冷组合；粗氩冷凝设备同粗氩塔组合；精氩冷凝设备与精氩蒸发设备组合；设备布置于主冷箱位置，主冷箱规格为6300mm×4500mm× 60000mm。第二，主冷箱侧面作为运输面，冷箱内阀门全部置于冷箱正面或是背面。第三，主换热设备、过冷设备、液氧蒸发设备均置于副冷箱内，副冷箱规格为6300mm×3500mm×18000mm。第四，副冷箱侧面作为运输面，副冷箱内阀门全部置于冷箱正面或是背面。第五，主冷箱的侧面与背面各自配置两个液氧泵冷箱与液氩泵冷箱，副冷箱侧面配置膨胀机过桥冷箱，主、副冷箱利用过桥冷箱实现连接。

本文采用PDMS三维造型软件成图，具体设备布置方式如下图所示：

图1空分冷箱内设备布置图

2 管道设计

2.1 空分设备管道设计标准

本空分设备所有管道所用材料均满足ASME标准，所有铝合金管材均采用5083为原料，不锈钢管材则用316L，设计与无损检测均满足欧洲工业气体协会（EIGA）标准，所有压力管均已获得CE认证。

2.2 管道布局设计

本空分设备冷箱内管道均应用PDMS软件作为设计辅助软件，已构建了冷箱结构、塔器、管道、阀门以及管架对应的三维模型，在计算机中完成对冷箱内各个单元的科学分布，不仅符合工艺流程的需要，同时也可为之后的安装作业预留空间。本空分设备整装冷箱的特点在于如下方面：

第一，管道的分布既符合管道对柔性的需求，同时也符合设备对管口荷载的需求。第二，进塔器与出塔器管道按照塔体走向布置，同时于塔上安设管架，不仅需要令冷箱内空间达到最大，还需要降低管道所承受的应力，减少管道与管架耗损的材料。第三，主冷箱侧面为运输面，在安装过程中，同样以左侧着地。且本空分设备冷箱操左侧与塔器之间基本没有设置管道，特别是管径较大的管道，以此为之后管道安装提供便利。第四，本空分设备整装冷箱内管道阀门均设计为浮动形式，借此避免塔器与管道出现相对位移，将管道所承受的应力释放，进而解决粗氩冷凝设备顶出的液空蒸汽回流至上塔管道以及主冷液氮流入下塔管道柔性问题。第五，膨胀机进口管道与出口管道部分设计部分补偿弯，以符合冷箱对管道柔性设计以及膨胀机对管口应力的需求，不再应用金属膨胀节。第六，设计将液体泵进出口管道与回流管均设计为泵口处于低位，管道保持固定角度倾斜上方的形式，借此确保液体泵能够平稳的工作。第七，本设备所有氧介质管道均应用不锈钢管道，经脱脂处理，安设过程中需要保证管道内壁的洁净与光滑，以确保管道在设备运行期间的安全性。第八，避免了管道形成袋形，管道形成袋形会阻碍气体或液体的流动，气体管如果出现U形，它的低点应该避开比其温度更低的管道，防止饱和气体液化残存在管道低点。液体管在冷箱内最好“渐渐低”或者“渐渐高”，不应出现高点，以防止形成气阻：①液氧、液氮产品管道。与冷箱外工程管道设计人员沟通，根据液体产品管在管廊的放置高度确定相应的冷箱开孔标高和液体管引出位置以及阀门放置高度，如果能将液体产品管布置为“渐渐低”，那么冷箱内外将不会出现袋形，整个管线不需要另设排气；②过冷器不应放置过低。过冷器下部一般有污氮气和氮气管线，如果这两根汇总管分层布置，那么過冷器可能要布置在较高位置，但对于某些较小等级空分，或者不分层布置氮、污氮管线，过冷器可能不需要放置很高，但是它的最低标高是有限制的，限制条件为：下塔富氧液空抽（下转第42页）（上接第40页）口至过冷器进口的管道应该为“渐渐高”，以免形成气阻。

2.3 管架设计

本空分设备冷箱内管道除对常用管道设计支吊架，还需添设临时支架，以避免运输期间发生管道变形的问题。管道支吊架往往依照管道布置，也需要将应力结果纳入考虑范围当中，以便令管道所承受的应力与变形更为科学。故而，本次管架设计如下：

第一，循着塔器目前已经安设完毕的管道于塔体之上安设支架，不在其他位置搭设其他支架。第二，针对含浮动阀门的管道，设计人员于阀门前后设计了导向支架与存在间隔的承重导向支架，针对浮动阀门则设计有临时支架。第三，冷箱安设过程中需要部分标准托架作为冷箱型钢的支撑物，但在实际安装时，其并不是承重支架，可利用安装、运输期间可承重的支架予以替换，如此一来，支架还兼具运输支架的功能。第四，膨胀机进口管道与出口管道由于不需要安设膨胀节，所以不可使用标准管架，设计人员需要按照应力计算结果调节膨胀机进出口所处位置以及限位的方向。第五，液体泵进口进口软管与出口软管两端均配置有法兰，针对临近软管的管道支架，建议设计人员设计采用管道与支架焊死的形式予以固定。

2.4 应力分析

空分设备整装冷箱内管道设计期间，管道的分布、管架设计以及应力分析同期开展，按照应力分析最终结果对管道与管架的设计与布局进行调节，校对塔器与设备管口荷载是否达到标准。一般来说冷箱内管道应力采用CAESAR Ⅱ软件予以核算，应力计算所用文件可直接自PDMS软件导出。

针对冷箱内管道应力计算，需要将地震荷载纳入考虑范围当中，通常情况下爱，地震加速度设定为0.3g。各个工况之间的组合应包含设备运行过程中所有可能出现的状况，所有计算结果均满足标准，保证设备可以在任何情况下稳定运行。

2.5 管道CE认证

任何产品在进入欧盟市场之前必须经过CE认证且通过。本设备整装冷箱内管道CE认证采用PED指令，第三方验证企业为德国TÜV企业，该企业也已经获得CE验证资格。

按照PED相关规定，流体物质分为有危险与无危险两类。冷箱之中的流体多为空气、液空与气态或是液态的氧、氩以及氮，上述流体中，气态氧、液态氧、液空均属于危险类流体，其余则不具备危险性。确定各个流体性质之后，再按照流体的相态合理设计管道压力、公称直径，并对管道进行分类，分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类以及非类管道。不同类型管道所适用的评审方式也有一定差异。