化工非金属衬里管道设计探讨

李 峰

华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

随着化工新工艺的不断发展，在化工装置中腐蚀性流体的应用也越来越多，为了满足腐蚀性流体对管道材料的抗腐蚀要求，非金属衬里管道的应用越来越广泛。

非金属衬里管道就是以碳钢管道或铸铁管道为载体、在管道内壁敷设非金属材料，二者结合为一体的管道。非金属衬里管道对管内流体有较强的耐化学腐蚀能力，对大多数无机酸、有机酸、碱及各种盐类、醇类等都耐腐蚀，同时钢管有较强的刚度和强度，因此，被广泛应用于化工装置中各种耐腐蚀或有特殊要求的流体输送中。非金属衬里具有保护金属或其他基体免受各种流体侵蚀的能力，并有良好的弹性、耐磨性、抗冲击性及金属和其他基体的粘合性能。但是非金属衬里管道施工过程复杂，含内、外焊接，焊缝的打磨、喷砂、衬胶、硫化、预组装、回装等工序。目前各种标准规范鲜有对衬胶管道设计的指导性条文，如果配管不当，会造成制造和安装的重复和返工，增加费用，延误工期，因此，非金属衬里管道的设计显得尤为重要。

1 非金属衬里管道分类及应用

1.1 非金属衬里管道的分类

由于不同化工流体对管道材料腐蚀程度及使用场合的不同，内衬非金属材料的种类也就不同。设计中选用相关衬里材料时，应以具体标准为依据，还应根据流体介质腐蚀性、使用压力、使用温度、材料成分与性能差异以及衬里制造商的化学品防腐数据等因素综合考虑,最终确定输送流体的具体内衬材料。非金属衬里材料的使用范围见表1。

除以上衬塑类衬里管道外，还有内衬复合陶瓷管道和内衬搪玻璃管道等。内衬陶瓷复合管道适用于输送含有固体颗粒的两相流介质，适合使用在流体对管壁有强烈撞击、冲刷，对管道内壁有长期磨损和腐蚀的地方。内衬搪玻璃管道可以抗氢氟酸和工业磷酸以外的大多数酸的侵蚀，除了防止酸蚀的作用外，玻璃衬里还有抗磨蚀的优点。

表1 非金属衬里管道的使用范围

1.2 非金属衬里管道的应用

在化工行业中，非金属衬里管道主要应用在酸、碱、盐制造业、石油、化工、化肥、制药、纺织、印染、橡胶塑料等行业输送腐蚀性流体的管道中。

以某无水氟化氢项目为例，对酸浓度较高、设计温度较高的介质(如氢氟酸，浓硫酸，氟硅酸，HF气体等)采用内衬PTFE的管道输送；对操作温度低于70℃的流体介质(四氟化硅、废气、氟硅酸)采用内衬PP的衬里管道输送。现场使用情况见图1。

图1 某无水氟化氢项目现场衬里管道配管情况

在另一项目中，对输送HCL、NACL的管道采用内衬PTFE的衬里管道，见图2。

图2 某项目现场衬里管道配管情况

2 非金属衬里管道的安装工艺

2.1 非金属衬里管道安装原理

非金属衬里管道即在碳钢管道内衬非金属材料的胶板，在内衬完胶板后，不能在管道的任何部位进行焊接，否则胶板会受热破坏，因此，衬里管道需分段设计且必须全部采用法兰连接，管道、弯头、三通、四通、异径管、阀门等均需制成法兰式。衬里管道一般为两端带法兰，一端为固定式平焊法兰，另一端为松套法兰或者固定式平焊法兰，松套法兰可以直接与工程中的管道、设备管口用螺栓连接。由于衬胶长度受限，管道不能过长，否则很难完成衬胶，最短长度要满足工业管道两端法兰焊接要求，一般最短长度根据HG/T20592-2009法兰尺寸计算可得，见表2。衬里管道与管件见图3。

表2 衬里钢管的最大及最小尺寸 (mm)

图3 现场衬里管道及管件

2.2 衬里管道的施工

衬里管道制造商根据每根管道的单线图设置固定段与调节段。固定段由厂家按图加工，成品运至施工现场，安装时由调节段来调节现场施工误差，安装完成后拆下调节段，在现场进行衬胶，然后回装调节段。这种安装方式适用范围广，减少了来回运输的工作，回装的工作量也会比较少(只有调节段进行回装)，但是对设计的合理性要求更高。

3 非金属衬里管道配管设计

3.1 非金属衬里管道配管设计要点及注意事项

非金属衬里配管设计时除了要满足SH/T 3154-2009中衬里管道的一般要求外，还需注意以下几个方面。

3.1.1 衬里管道的楼面及墙面开孔

管道设计中，管道穿过楼面或者平台时，通常会根据管道外径进行楼面或者平台开孔大小的确定，但衬里管道不同，衬里管道是法兰连接的，因此，在预留穿孔时，应以法兰盘外径确定。此外，配管设计时应尽量将法兰设计在楼面以上便于操作的高度，方便紧固件的安装与拆卸，如果是混凝土楼面或墙面，需要预埋套管时，套管尺寸应考虑衬里管道安装与拆卸时法兰的影响(应以法兰尺寸为依据预留套管)，严禁将衬里管道的法兰设计在套管内,如图4所示。

图4 衬里管道楼面穿孔

3.1.2 介质流向对衬里管道的影响

一般情况下，对于口径较大的管道，衬胶需要多张胶板进行拼接，拼接处是将两块胶板切成坡口进行搭接，遇到环形搭接缝时需特别注意：搭接处坡口应与管道内介质流向保持一致，避免介质的冲刷对搭接口造成破坏，因此，在设计衬里管道的空视图时，必须正确地将管道流向标注在单线图及管道布置图中，因为厂家是按设计的空视图来加工与制作衬里管道的。

3.1.3 衬里管道与其他管道的间距

衬里管道与其他管道并排布置时，应充分考虑管线彼此之间的最小间距要求，因为衬里管道各个管段是通过法兰进行连接的，管道布置时应考虑法兰的影响。此外，衬里管道禁止与高温管道并排布置，也不能设置在高温管道上方存在热影响的地方，防止高温对衬里材料造成损坏，尤其对于内衬PP、PVC和PE等材料的衬里管道，管道设计时需特别注意周围管道的操作温度。

3.1.4 对夹式蝶阀的布置

衬里管道设计时应考虑到对夹式蝶阀的布置，为了方便蝶阀碟板的启闭，对夹式蝶阀不能与弯头相连，因为弯头处的壁厚要比管道厚，且还要加上衬里层厚度。因此，在弯头处布置蝶阀时，最好在靠近弯头的地方加一段支管，见图5。

3.1.5 与衬里设备管口相连的问题

衬里管道与衬里设备管口连接时，如果管口有阀门或者经常拆卸的仪表件，则管道设计时需在管口处先加一段特定长度的短管，然后再连接阀门或仪表件，这样可以有效的保护设备管口的衬里层。

图5 对夹式蝶阀的布置

3.1.6 衬里管道的垫片

内衬聚四氟乙烯的衬里管道在设计及施工时，部分连接点处是不需要垫片的，因为在其法兰密封面已经有衬里层，只要施加足够的紧固力即可充当垫片密封，此情况比较适合低温、低压的管线。当衬里管线与其他材质的管线连接时，为了使密封效果达到最佳，需要对垫片进行单独安装。此外，当衬里管线中有经常拆卸的仪表时，为了保护衬里层不被破坏，最好安装相应的垫片。

3.2 非金属衬里管道调节段的设置

根据衬里管道特性，为了避免不必要的返修，衬里管线在设计时要考虑一定的调节段，用调节段来调节施工过程中出现的偏差，调节段要在施工现场实际测量后再加工安装。

(1)一个调节段：

管线只在一个方向上布置，没有弯头改变方向，需设置一个调节段。见图6：

图6

(2)两个调节段：

管道有一个弯头改变管道走向，就产生两个方向的距离，那么这种情况就需要设置两个调节段；而如果管线在同一平面内有两个弯头改变方向时，也只需要设置两个调节段。当管线在同一平面内有三个及以上弯头改变方向时，也只需要设置两个调节段，这两个调节段的位置可根据实际情况选取，且应设置在不同的空间方向上。以上情况详见图7，调节段1 也可以用调节段1’代替，调节段2 可以用调节段2’代替，调节段优先选取在与设备相连接处，其次选择在与管件连接处。

图7

(3)三个调节段：

如果管线在布置时有两个及两个以上的弯头改变管道走向，且管线不在同一平面内，就需要设置三个调节段，且三个调节段需设置在东西、南北、上下三个不同方位上，见图8。

图8

综上所述，一根管线无论有多长，也不论管线中有几个弯头，管线在东西、南北、上下这三个方向上布置时，占用几个方向，那么就设置几个调节段。在设置调节段时需注意：①三个调节段中至少有一个调节段应设置在管道的端部或者设备的管口；②调节段的长度应尽量短，便于安装和运输；③调节段最好设置在便于施工和安装的地方。

3.3 非金属衬里管道排放孔及静电接地的设计

衬里管线都是输送腐蚀性的流体，而衬里层又都有一定程度的渗透性。当管线中含有渗透性极强的介质时，介质就会渗透到衬里层外面，从而腐蚀外面的碳钢管道。为了有效地预防外层碳钢管道的腐蚀，管材生产厂家一般都在金属外壁上开一放空口，及时地把渗透的物质排出去，以减少腐蚀性物质的积聚，减少对衬里管道外壳的腐蚀，放空口详见图9。

为防止非金属管道在输送流体时产生静电积聚而引起爆炸和火灾危险，含有这种易燃易爆流体的衬里管道要安装静电接地极。静电接地极安装在放空口的对面。衬里管道的接地应在管道轴侧图上标注出，接地耳或接地柱必须由衬里管道制造商预先焊好，不能在施工现场就行焊接，图10是项目现场静电接地的情况。

图9 衬里管道的排放孔设计

图10 衬里管道的静电接地

3.4 非金属衬里管道支架设计

非金属衬里管道的允许跨距可参考其它金属管道，支吊架的间距应小于等于管道的允许跨距，但须注意：衬里管道所有的管件及管道都是法兰连接，尤其是大直径衬里管道的管件及管道，都是分节组装的，见图11。

图11

为了保护衬里层，衬里管道的支架必须使用管夹型管托，不能使用焊接型管托，否则会损坏衬里。当衬里管道空间不足时，可考虑采用单夹子管托，当有阀门集中荷载时，支架应布置在靠近集中荷载处。

衬里管道应尽可能少地使用假腿焊接支架，以下几种情况除外：

(1)当竖直管线的支架是承重架时，为了达到更好的承重效果，此时管架最好采用假腿式的焊接管架，假腿的个数依照管线的管径大小及支架的受力情况来确定。一般在受力大时，要采用两个假腿来支撑，对受力小的，一个假腿就够了。

(2)当管架在弯头处时，无论管径大小，都必须采用焊接的假腿型式做支撑。

(3)当水平管线上需要固定支架时，为了达到固定管线的目的，支架也需要焊接型式的假腿支架。

综上所述，当衬里管道带有任意一个焊接支架时，这根管线的单管图上必须绘出管架的尺寸、位置和型式，并画出管架详图，将详图连同单线图一起提供给衬里管道制造商，由制造商提前预焊好管道支架。常见的衬里管道假腿支架大体分为以下四种形式，见图12。

图12 衬里管道假腿支架

当一根管道(包括固定段和调节段)预组装后，需将调节段拆下衬胶。设计管道支吊架时，需考虑调节段拆下后，没有调节段的支撑，剩余的固定段是否还能保持在原安装位置，此时，管架的设计就显得尤为重要。因此，在设计衬里管道支架时，应尽量将支架做在固定段上，并且考虑在调节段拆下后，剩余管道能依靠管架固定，如不能，则增加管架数量。

3.5 非金属衬里管道设计及优化

3.5.1 衬里管道最短长度不能满足时用特殊件代替

某些工艺管线由于受安装空间的限制，标准管件连接不能满足衬里管道最小长度的要求。比如，某个空间加一个标准的弯头后，剩余直管段就比最小长度要求还小，就需要材控专业做特殊弯头来满足安装空间的要求，同样的问题还可能出现在三通或异径三通处。

3.5.2 衬里管道的放空及放净支管设计

一般情况下，管道的放空及放净支管都比较小，为DN25～40不等，如果使用异径三通将会占用较大空间，影响整体配管。在某项目中，对于DN25～40的支管连接借鉴使用仪表的对夹式三通。在新发布的《衬塑钢管和管架选用系列标准》-HG/T20538-2016中，也将此仪表三通称为放净环，图13所示为放净环的型式，图14为现场施工图。

图13 放净环的型式

图14 现场放净环的安装图

3.5.3 衬里管道调整垫块的使用

普通管道的设计项目及施工现场中，管道可以是任意长度，生产及安装都可以实现。但是衬里管道由于其制造及安装的要求精准程度高，如果出现几毫米或者几十毫米的长度正偏差，管道安装位置又不够，为避免重新制造管道而造成浪费，在衬里管道的安装空间内剩余3～50mm以内的情况可以用调整垫块来调整，调整垫块的材料可以是整体PP或PTFE等非金属材料，具体尺寸可参考HG/T20538-2016。

4 工程实例分析

4.1 发现问题

某项目在选用非金属衬里管道时，现场发现如下问题：

(1)配管时未考虑管道制造商会将管道及管件分解制作，导致现场实际管道自重比设计值大很多。原设计支架数量严重偏少，同时管架的强度及刚度不够。对于应力管道，需根据现场配管情况，让管机专业重新核算应力管线，见图15。

图15 衬里管道现场安装

(2)衬里管道上的系统特殊件(如视镜，过滤器)到货尺寸与PDS建模中的尺寸不一致，现场施工时只能手测实际需要的长度，补采相应的衬里管道，造成现场衬里管道返工及重新制作，增加了施工工期。

(3)衬里管道PDS建模过程中并未考虑衬里厂家会将衬里管道、弯头等分解成很多较短的管段以方便厂家衬胶制作，导致模型中法兰连接处的螺栓缺少较多，现场施工时补采了大量的垫片、螺栓及螺母，增加了采购周期。

(4)衬里管道弯头处及垂直管道上有弹簧支架，但是现场到货衬里管道上并未预焊支腿及耳轴，导致管架无法施工，现场将管架设置在法兰处，弯头处支腿采用F15型支架，但这两种支撑方式有如下问题：①管架强度不够；②现场制作困难，施工量大。见图16。

图16 现场衬里管架情况

(5)某项目主项转鼓过滤机气相出口管线设计压力为30KPA，此处采用内衬PTFE的金属软管连接，用PPH管道输送，现场开车发现，由于真空度较高，内衬PTFE金属软管衬胶层脱落，后与业主及材控专业沟通，将此软管设计为钛材，长度L=800mm改为L=300mm。

4.2 解决措施

针对上述项目前期配管及现场施工等遇到的问题，总结之前的经验，采取了以下解决措施：

(1)在确定非金属衬里管道的供货商后，先与其沟通，了解制作厂家对衬里管道及管件(如大直径弯头等)的分解原则及最短直管段，确定每段衬里管道的理论长度，之后按照厂家资料搭建衬里管道模型，解决了现场衬里管道模型与现场不一致的问题，方便后期统一采买螺栓、螺母及垫片，正确设计衬里管道支吊架等问题。

(2)在确定系统特殊件(如视镜和过滤器)的供货厂家后，由厂家返回特殊件的外形尺寸图，供配管设计，解决了设计时衬里管道长度与现场不符的问题。

(3)与衬里厂家协调好需要预焊支腿及耳轴的管道，当衬里管道到货，开箱验收时需格外注意相关管道是否满足设计要求。

(4)对于真空度较高管线，设计时应提前与衬里管道厂家充分沟通，确保供货管道能满足设计要求。

5 结语

综上所述，衬里管道不同于碳钢管道和不锈钢管道，不能在现场焊接。在设计后期，应和材料生产厂家对衬里的材料进行确认，同时，还应该对每根管子的相关材料量予以确认。设计时，必须从整体出发，考虑周全，才能使设计更完美，施工更顺利，业主更满意。本文根据非金属衬里管道的制作及安装工艺原理出发，结合现场容易出现的问题，重点阐述了在非金属衬里管道在配管设计中应该注意的问题，希望能够为以后衬里管道的设计提供一些参考。