氟气和氟化氢管道设计选型研究

刘玉成 马晓芳

(山东天景工程设计有限公司, 山东 淄博 255000)

0 前言

有机氟化工以萤石与硫酸反应制备氟化氢(HF)作为起点，氟化氢可以进一步电解制备氟气(F2)，也可与含碳有机物反应制备有机氟产品如HCFC-22，HCFC-22进一步裂解可制备四氟乙烯(TFE)等，氟气与非含碳物质反应可以制备含氟精细化学品如NF3和SF6等。氟化氢和氟气为有机氟化工必备的原料。

1 物料特性

依据物质与人接触的毒性危害指标划分，氟化氢和氟气属于高度危害介质(II级)[1]，属于A2类流体[2]，在《危险化学品目录》(2018版)中，氟气CAS号为7782-41-4,备注为剧毒，沸点为-188.12 ℃；氟化氢(无水) CAS号为7664-39-3,沸点为19.51 ℃,常温下为气态，符合输送《危险化学品目录》中规定的毒性程度为急性毒性类别1介质、急性毒性类别2气体和工作温度高于其标准沸点的急性毒性类别2的液体介质的工艺管道，故输送氟气和氟化氢的管道为GC1级。

对于输送氟气和氟化氢的最大工作压力不足0.1 MPa(表压)的且公称直径大于或等于50 mm的管道按照GC1管道进行设计和施工。

2 设计选型

2.1 管材选择

有机氟行业因产量等因素制约，通常HF和F2气体的管径不超过DN100，输送的管道类型为无缝钢管。

在《腐蚀数据手册》中，S30408管道只能输送100 ℃以下的干燥氟气和20 ℃以下的氟化氢，即普通304不锈钢在该领域的使用受到严格限制。在实际生产中，建设单位考虑综合成本往往优先选用的材质为20钢的无缝钢管，然而不是所有的20钢管道都能满足使用要求。

国内20钢无缝钢管的标准主要有《输送流体用无缝钢管》(GB/T8163—2018)、《低中压锅炉用无缝钢管》(GB/T3087—2008)、《石油裂化用无缝钢管》(GB/T9948—2013)、《高压锅炉用无缝钢管》(GB/T5310—2017)、《高压化肥设备用无缝钢管》(GB/T6479—2013)，下文中分别简称为GB/T8163、GB/T3087、 GB/T9948、GB/T5310和GB/T6479[3]这5大类。

压力管道规范《GB20801》中第6.4.1条明确指出，采用标准GB/T8163、GB/T3087等碳钢管道及其对焊管件不得用于GC1级管道，故可选用的碳钢类无缝钢管的牌号为GB/T9948、GB/T5310和GB/T6479。综合采购成本和采购难易度，通常采用GB/T9948标准。

2.2 阀门选型

化工过程中经常会选用截止阀、柱塞阀、球阀、蝶阀和闸阀等常规阀门，氟气和氟化氢的管道输送压力相对较低，为降低管道压损，截止阀、柱塞阀等压损大的阀门不予考虑，考虑到密封性等要求，蝶阀密封性相对较差，闸阀的闸板与阀体间的间隙存在落入硬物质后闸板无法密封存在关闭不严的风险，同时鉴于氟气、氟化氢是高腐蚀性气体，理想的阀门通常选型为球阀。为了规避腐蚀，球阀要满足以下要求：连接形式为法兰式、结构形式采用直通流道、密封材质为氟塑料或Mo2Ti不锈钢。是否需要选择阀门衬氟视具体情况而定。

因润滑油的有机性，易与氟气/氟化氢发生反应，所以阀门选用时需要采用禁油设计以保证设计的安全性。

2.3 管件选型

因《钢制对焊管件 技术规范》(GB/T13401—2017)自2017年9月实施以后，对应的管件材料等级约束更加严格，GB/T9948管道对应的管件材料等级为CF415K。

为了降级压损，弯头采用长半径弯头，三通、管帽等严格按照GB12459进行选型。考虑到检修需要，管道上要加设管道用钢制8字盲板，严格按照《管道用钢制插板、垫环、8字盲板系列》(HG/T 21547 —2016)执行。

承插焊管件仅限用于公称直径小于或等于40 mm。

2.4 法兰选型

法兰压力等级选择按照《工业金属管道设计规范》(GB50316—2000)(2008年版)(以下简称GB50316)中13.1.3.6要求：不应采用平焊(平板式)法兰，按照化工工艺设计手册，输送极度和高度危害(有毒)介质的法兰应采用带颈对焊法兰。

法兰压力等级选择：按照GB50316要求，法兰的公称压力等级不应低于公称压力2.0 MPa；按照化工工艺设计手册，输送极度和高度危害(有毒)介质的管道的公称压力≤1.6 MPa的采用PN25等级的法兰；管道的公称压力≤2.5 MPa的采用PN40等级的法兰。

法兰的密封面选择：PN25等级的法兰可以采用RF面或M/FM面，PN40等级的法兰的密封面宜采用M/FM面。若采用软垫片，应选用M/FM面或T/G面的法兰。

2.5 垫片选型

垫片标准通常采用《钢制管法兰用缠绕式垫片》(HG/T 20610—2009)(以下简称HG/T 20610)，RF面采用D型，M/FM面采用B型，T/G面材质采用A型。

材质选型按照《HG/T 20610》表7.0.1进行选型，注意规避腐蚀手册中禁用的材质。

若M/FM面或T/G面采用非金属垫片，该类垫片通常采用《钢制管法兰用非金属平垫片》(HG/T 20606—2009)，代号RPTFE。

2.6 紧固件选型

紧固件采用全螺纹螺柱，材质选型35CrMo，螺母为Ⅱ型六角螺母。材质选型30CrMo，螺柱长度根据《钢制管法兰用紧固件》(HG/T 20613—2009)进行选择。

3 其他事项

输送氟化氢、氟气管道在装配后、安装前应分段或单件进行脱脂，包括所有组成件与流体接触的表面均应脱脂。

该类管道施工验收检查等级为Ⅰ级且进行敏感性泄漏试验，严格按照GC1的要求进行探伤，将隐患降至最低。

4 结论

按照以上选型要求选出的材料能够有效满足生产过程中工艺的需求，规避了项目/工艺技术人员因对物料和管道、管材等物性的认知不全而造成系统在开车或运行过程中出事故的风险。