宋军帅，周金娟，尹本宽

(开封空分集团 设计研究院有限公司，河南 开封 475000)

·工艺与设备·

浅析空分冷箱内小管道的设计

宋军帅，周金娟，尹本宽

(开封空分集团 设计研究院有限公司，河南 开封 475000)

阐明了空分冷箱内小管道的设计重要性，论述了各类型小管道的设计要点,对小管道的支撑和保护做了简要介绍。

空分；冷箱；小管道设计；分析；保护

0 概述

随着我国工业的快速发展和科学技术的进步，钢铁冶金、石油化工、煤化工和大型化肥等企业对氧、氮、氩的需求量急剧增加，从而带动空分产业向大型化及特大型化发展。

随着空分等级的增加，冷箱内管道的直径也在逐步增大。由于考虑工业上放大效应的影响，人们通常把大部分的精力集中于关注大管道和复杂管系的应力分析上，而忽略了小管道的精细化设计。

对于工程管道而言，小管道不作为设计要点，只要求现场依据流程配置即可。但对于冷箱内的管道设计，大口径管道和复杂管系应重点设计，同时也要对小管道的布置有足够的重视。因为不论管道的大小，只要管道泄漏、堵塞或不满足工艺需要，严重时都要停车扒砂检修，给业主带来极大的经济损失。

1 冷箱内小管道的设计要点

通常认为，小管道是指公称直径小于80的各类管道。由于冷箱内超低温运行的特点，本文小管道的材质仅为不锈钢和铝合金。

1.1 小管道的工艺设计

对于空分冷箱配管设计而言，小管道通常为设备及管道的吹除排放管、液体产品管、不凝气管、加温充气管和某些大管道的支管。就不同的工艺用途，管道设计的侧重点有所不同。

对于内压缩流程而言，在某些吹除排放管道出冷箱后，要连接互相连通的阀组。阀组管系复杂，且需安装在便于操作和检修的位置，还需兼顾美观。故此处小管道的设计需与外部管道统筹考虑，既满足工艺要求，又能使管道设计合理美观。

液体产品管和吹除排放管，在出冷箱的位置，都需要加设气封，以减少空分装置冷量的损失。此处气封的形式和高度应符合国家规范并结合配管设计的实际情况。气封过高，可能会导致与管道相连的冷箱外阀门过高，给阀门的安装、操作和检修带来不便。气封过低，在工况不稳、压力波动或某些极端工况，甚至在正常工况下，外界的热量持续进入或低温液体漫过气封，导致冷箱结霜。

主冷处不凝气管道设计时，在出设备管口的地方需要加设一个倒U形弯，U形弯最高点高度要高于下塔氮气进主冷的管口，防止在液氮回下塔阀门全关时，主冷内液氮液位上升导致低温液体流入不凝气管道。

冷箱内加温充气管道，主要有两个作用。一是为了防止空分装置开车运行时，冷箱内温度逐步降低，空气冷缩造成的负压。二是为了在装置运行时保持冷箱内200～500 Pa的微正压，防止湿空气及空气中的水分在管道和保冷箱壁冷凝而侵入。此管道虽在冷箱内，但介质温度接近常温，且非压力管道，故配管时无特殊要求。但要注意，管系中孔管的布置，要与低温液体管道和设备有足够的距离，防止热量持续传入导致低温液体的气化。

1.2 小管道的应力分析

冷箱内小管道，一般与其连接的大管道作为一个管系进行应力分析。由于其直径小，柔性大，其一次应力和二次应力一般均能满足设计要求。在泵冷箱处的小管道，由于空间位置相对较小，自然补偿段较短，故此处的管道设计必须结合应力分析进行，以防止管道变形较大造成管道碰撞，或应力过大造成小管道根部焊缝撕裂。

1.3 小管道的保护和支撑

对于适用于低压条件下的铝管道，作为大管道的支管，直接采用插入焊接即可。对于内压缩流程中的中高压管道，需要采用强度大的不锈钢材质，而在其上连接的支管，由于压力等级的提高，单纯的插入焊接已经不能满足开孔补强的要求。故需要采用对焊支管座或单承口管箍对开孔处进行补强和保护。对于采用哪种形式，与主管道尺寸、支管尺寸和管道压力等级有密切关系。我公司经过理论计算和实际验证，对于各个压力等级下采用哪种补强形式形成了公司标准，见表1。

表1 4.0 MPa压力等级下不锈钢管道支管连接表

注：B—管子直接开孔；T—无缝对焊三通；W—对焊支管座；S—单程口管箍。

对于铝管道支管的连接，需要在支管根部加设保护措施，如图1所示。

图1 DN80以下管道插入主管的管架形式图

小管道的支撑，一般采用不锈钢U形箍，使其固定在焊接于冷箱型钢或冷箱内设备的支架上。为避免螺母松动，应采用双螺母形式。在装置开车运行时，温度的降低会使管道和U形箍产生相对位移，在正常工况下，气流的波动也会造成管道震动，而对于一些撬装冷箱，运输过程中的震动不可避免。为了减少以上情况对管道的损伤，U形箍和管道之间要加设一层聚四氟乙烯垫片。

管道支架的形式和间距，应按照应力分析计算结果进行设计。小管道由于直径小，所产生的二次应力和变形不会对安全和运行产生太大的影响，为了提高设计效率，对于管系形状较好的小管道，一般不再对其进行应力分析，而是依据公司标准设计支架和间距。一般来说，小管道在竖直方向的支架间距为3～4 m，水平方向间距见表2。

表2 冷箱内小管道水平敷设时支架间距推荐表

在冷箱管道安装过程中和冷箱装砂时，可能会发生材料、工具的掉落。由于小管道比较脆弱，为了更好保护小管道特别是水平方向管道，应使其尽量设计在靠近冷箱和设备或布置在大管道的下部。但要注意，设计时要留出足够的安装、检修和探伤的空间。

1.4 其他

冷箱内温度接头一般为套管式温度计，安装时需要插入管道内部足够的距离。因此在小管道上若有温度测点，应当在此处进行扩径，使其满足温度计的安装要求。

部分小管道为现场弯制，因此在设计时，要考虑管道的弯曲半径不能太小，以便于现场施工。

由于小管道在设计后期配置，为了避让大管道，需要很小的空间内连续弯曲，因此，对于弯头焊接的小管道，必须要留出足够的焊缝距离。根据GB/T 20801—2006的规定，焊缝距离应不小于管子外径。

2 总结

随着空分行业的发展，空分技术已经趋于成熟，各个空分厂家工艺设计水平的差距已渐渐缩小。要想在激烈竞争的情况下取得优势，不仅要寻求技术突破，还要十分注重设计细节的把控。小管道的合理布置能反映公司的精细化设计，着眼于设计中细小的环节，提升客户对产品和设计的认可程度。

[1] 张祉佑，石秉三.低温技术原理与装置[M].北京：机械工业出版社，1987.

[2] 岳进才.压力管道技术[M].北京：中国石化出版社，2005.

[3] 唐永进.压力管道应力分析[M].北京：中国石化出版社，2009.

Preliminary Discussion on Small-Diameter Pipelines in Air Separation Cold Box

SONG Junshuai，ZHOU Jinjuan，YIN Benkuan

(Design & Research Institute Co.,Ltd.， Kaifeng Air Separation Group, Kaifeng 475000, China)

This paper expounds the importance of small pipelines in air separation cold box, discusses the design points of various types of small pipelines, and introduces the support and protection of small pipelines.

air separation；cold box；small pipelines design；analysis；protection

2017-04-17

TB657.7

A

1007-7804(2017)03-0017-03

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.03.005

宋军帅(1988)，男，毕业于郑州轻工业学院热能与动力工程专业，现在开封空分集团设计研究院从事压力管道设计工作。