煤化工废水项目中衬里管道的设计与安装

　　摘要：衬里管道相比耐腐蚀性合金钢管道，在化学稳定性及经济合理性方面有着显著的优势，在煤化工废水项目中被广泛的应用。介绍了常见衬里管道的特性;并对煤化工废水项目中衬里管道的连接形式、直管段的设置、支架的选用等设计要点及安装要求进行了研究与分析。

　　关键词：煤化工;废水;衬里管道;直管段;管道支架

　　化工师评职论文投稿刊物：《煤化工》杂志煤化专业技术类期刊，目前是科技源核心期刊，能够有效的反映该行业基础理论研究、行业技术进展、生产操作经验、技改、工艺技术路线选择与评价等。

　　我国能源表现为以煤炭能源为基础，天然气、石油及其他可再生新能源全面发展的结构。但是，传统的煤化工项目会产生大量的废水，在国家“十三五”明确提出严格实行水资源管理制度的要求下，煤化工废水的综合处理及回收利用已成为各个煤化工项目亟待解决的问题[1-2]。目前，煤化工废水处理工艺主要是先通过预处理(物化法)，再经过生化法、膜处理(超滤、纳滤反渗透等)使水中氨氮、COD等成分稳定，最后由化学药剂深度处理并蒸发结晶形成各项指标均符合标准的、无污染、可回收用水的过程[3]。

　　由于煤化工废水中含有大量氨氮及有机酚类等污染杂质，腐蚀性较强，特别是来自煤气化脱硫工序的废水，其中含有H2S等酸性杂质，在处理过程中，需考虑废水对管道的腐蚀及裂化影响[4-5]。目前，工程中主要应用四种方法来对其进行防腐处理：①含腐蚀余量的碳钢管道;②含抗腐蚀添加剂的碳钢管道;③固体耐腐蚀性合金钢管道;④内衬高聚物的衬里管道。前两种方法虽然可以抵抗管道裂化，但防腐蚀效果不稳定，且高腐蚀余量意味着管道壁厚的增加，为管道加工增添困难且会增加成本[6]。所以，在含酸性介质的化工项目中，通常使用后两种管道作为管道材料。煤化工废水处理项目中，性价比较高的衬里管道更为常见。

　　1煤化工废水项目中常见衬里管道的特性

　　衬里管道是指内衬高聚化合物材料的碳钢管道，第一根衬里管道在20世纪40年代后期出现在美国，使用的第一种内衬材料是PVDC。相比耐腐蚀合金钢管道(如不锈钢材料316L、2205和2507)，衬里管道在经济性上更为合理，有效使用衬里管道可以更好地控制项目成本，降低项目风险[6]。不同的内衬材料决定了衬里管道的耐化学性，在煤化工废水项目中，常见的内衬材料为聚四氟乙烯(PTFE)和聚烯烃类(PO)中的乙烯-丙烯酸共聚物(EAA)材料。

　　1.1内衬

　　EAA衬里管道将乙烯-丙烯酸共聚物内衬到碳钢钢管之中，构成EAA衬里管道，该种类型的管道是复合结构材料之中最广泛的形式之一。EAA衬里管道具有较多的优点。(1)该种衬里管道既具有EAA的耐腐蚀性，同时也保持了碳钢的机械性能和抗压性能[7]。(2)EAA具有优异的耐磨性能、较好的吸振性能，且具有优异的防污性能，可减少结垢，清理周期较一般钢管长[8]。

　　(3)EAA材料抗老性能较强，其使用寿命在正常压力及温度下可达15年以上，且可以反复使用。(4)EAA材料与耐腐蚀性金属管相比，除具有显著的成本优势，还有安装简单方便、制作周期短、可缓解工期进度压力等优点。在煤化工废水处理项目中，EAA衬里管道用于输送较低温度、1.6MPa(g)或1.0MPa(g)的煤化工反渗透浓水等介质。

　　1.2内衬

　　PTFE衬里管道PTFE为聚四氟乙烯，由于其具有耐高温、性能稳定等特点，在工业上有着广泛的应用，被称作“塑料之王”[9]。PTFE衬里管道相比其他内衬高聚物管道，具有更好的耐高温性能、耐压性能及耐化学性能。(1)耐高温性能。PTFE衬里管道适用温度范围为-29℃～180℃，远大于EAA等衬里管道的温度适用范围[10]。且其在200℃温度下，仍然保持耐酸耐碱性，使其应用更加广泛[11-12]。(2)耐压性能。PTFE衬里管道在正常温度适用条件下，可耐受高达3MPa(g)的压力，在化工项目中，多用于需要高温高压的环境。(3)耐腐蚀性能。PTFE具有极强的化学稳定性，几乎能耐受除某些熔融金属及高流速液态氟等介质以外的所有化学物质的腐蚀[13]，在煤化工废水项目中，主要用于稀硫酸等高腐蚀性介质的运输。

　　2煤化工废水项目中衬里管道的设计

　　相比于普通碳钢管道或合金钢管道，衬里管道在管件连接形式、管道布置、管道支架设计等方面有着其特殊的要求。并且，在煤化工废水处理项目中，较多使用大口径衬里管道，其设计与安装更需要工程设计人员对其进行深入研究。

　　2.1管道连接

　　2.1.1法兰

　　由于衬里管道内衬高聚物，施工时不可动火明焊，所以其管件均需通过法兰连接。同时，衬里管道与钢制管道不同，其直管段有标准要求，可以视为与三通、弯头、异径管相似的管件。根据衬里管道直管段法兰型式，可将其分为3种型式。应用平焊法兰时，可能会出现螺栓孔对接困难，导致需要管道拆卸返工的问题。在煤化工废水项目中，大管径水管较多，在设计时应当充分考虑管道的安装与拆卸，使用松套法兰，则可以解决上述问题。通常，在以下情况中，使用松套法兰较平焊法兰更为合理：①在管道变径、变向及三通位置;②管件与管件，管件与设备管口连接位置;③大管径阀门或仪表连接位置;④大管径管道单方向长距离布置时，其端部位置。另外，在某些特定环境，如相邻两装置之间，也常设置松套法兰，方便管道之间的连接[14]。

　　2.1.2垫片

　　由于衬里管道在制作时会对其法兰面进行衬里，所以在两个标准直管段(定长管)连接时通常无需添加垫片，衬里管道自身即可对管系进行密封。但是，在以下情况时，需添加垫片，防止泄漏。(1)衬里管道与钢制管道连接。如衬里管道埋地变更管道材料时，煤化工废水处理项目中有大量的衬里管道需埋地进入地下反应池设备，此时，为便于安装，多将管道材料由衬里钢管变更为耐腐蚀合金钢材料，在材质变更时，衬里管道与埋地管道法兰之间应增加垫片，防止钢管损坏衬里层。(2)管道与设备管口、需要经常拆卸的管件、阀门连接时，为了避免磨损导致介质泄漏，需在连接处增加垫片。衬里管道是否选用垫片需根据项目实际情况确定，需要结合介质类型、管道布置的具体情况综合考虑。

　　2.2直管段的设置

　　2.2.1定长管的设置

　　衬里管道直管段可分为定长管和调整段。定长管即生产厂家根据标准在其工厂预先制定的标准直管段，EAA、PE、PO等衬里管道定长管长度一般设置为1000mm、1500mm、2000mm、3000mm、4000mm、6000mm。最大长度由管道公称直径决定。PTFE衬里管道与其他高聚物衬里管道不同，其最大长度一般小于4000mm。

　　2.2.2调整段的设置

　　若将衬里管道直管段全部设置为定长管，则项目施工现场很可能出现由于施工误差导致定长管无法安装的情况。所以，衬里管道在设计过程中，通常需要在其直管段设置调整段来避免误差。调整段的长度由管道设计具体条件来确定，一般不宜小于200mm，不宜大于1000mm，否则现场制作比较困难。在煤化工废水处理项目中，调整段的设置需遵循以下原则。(1)衬里管段每一个方向均需至少设置一个调整段。由于管道走向的改变或支管的连接，每一个方向都会形成一段新的直管，此时，需要在每一段直管上设置一个调整段。(2)大管径管道在同一方向直管段较长时，需在端部设置一段调整段，如有需要，可以设置两段调整段。由于大管径管道安装及拆卸较为困难，为避免重复安装返修，在其端部设置调整段有利于施工。

　　(3)调整段应设置在靠近设备管口、特殊仪表、特殊阀门附近。因为这些地方需要经常检修维护，并且在煤化工废水项目中，特殊仪表、阀门、一些外包设备到货资料较晚，调整段设置在附近，可以尽可能地减少施工工作量。(4)调整段应集中布置，且调整段应尽可能布置在易操作位置。由于调整段通常布置在管线端部，且最后施工，所以将调整段布置在方便安装、操作的位置，可以提高施工工作效率。

　　2.3衬里管道管件

　　防腐衬里管道的管件与管道之间均采用法兰连接。弯头、三通、异径管等管件均制造成法兰式。如2.1.1节所述，为方便管道安装，衬里管道的管件与直管段之间可采用平焊法兰连接，但管件与管件、管件与设备管口之间，优先采用松套法兰进行连接。与钢制管道相比，衬里管道的管件两端需预制法兰，其法兰面与管件轴心直管段长度应设置为可供调整的管件直管段。

　　管件直管段长度和规格应符合以下要求。(1)当DN≤50mm时，管件之间、管件与直管之间管件直管段长度不应小于150mm;与管件相连的直管调整段长度不应小于100mm。(2)当50mm

　　2.4支架的设置

　　衬里管道在支架设置时，除了需要遵循管道支架设计的一般标准外，还有着自己的特殊要求。若在衬里管道上设置焊接型支架，则会损坏衬里管道外层钢管与内层高聚物的密合性，可能会导致管道泄漏，因此，一般情况下，衬里管道的支架多采用非焊接型的单螺栓型管架、双螺栓型管架、托板型管架。支架应靠近法兰、阀门、管件设置。对于输送含污泥废水的大管径衬里管道，在满足支架设计标准间距的同时，应尽可能在每一段定长管上设置一个支架。煤化工废水处理项目中，某些位置由于管道应力的需要，必须使用焊接型支腿管架，此时，需将此种管架与其所焊直管段做特殊件处理，由制造厂家预先制备，不与其他管架合并编入《管道支架表》中。

　　3煤化工废水项目中衬里管道的安装

　　在煤化工废水处理项目中，衬里管道的用量较多，若对衬里管道的安装要求不加重视，则可能造成人工与材料的浪费，甚至延误工期。因此，从设计阶段开始，工程技术人员即需对衬里管道的安装加以考虑。(1)安装过程应避免破坏高聚物衬里层。衬里管道内层多为高聚物材料，其物理、化学特性决定了过高温度会使衬里层变形、损坏，因此，熔融焊接、火焰切割等高温施工作业不得接近衬里管道;同时，对管道内层与外层作用力有损害作用的扭曲、敲打等施工作业，也不可在衬里管道安装过程中发生。(2)衬里管道公称直径在DN500以上时，施工人员可以钻进管道内部进行内衬操作[15]。但对于小于DN500的衬里管道，设计人员应当将仪表、取样点靠近直管端部设计，以方便施工人员在进行焊接支管后的内衬操作时，能在靠近主管的一端进行涂抹。

　　(3)衬里管道安装过程中，可能由于施工误差导致直管段出现一定尺寸的负偏差，若误差在10mm以内，可用加厚垫块来调整，由于垫块材料一般为聚乙烯，此时需在两端增加垫片后进行密封。(4)衬里管道外层应设置安全放气孔，其作用为释放高聚物内层与钢制外层之间由于衬里过程升温产生的气体，放气孔应做相应防护措施，避免堵塞。(5)敷设在管廊上的衬里管道，设计阶段应考虑安装过程中各管段连接时的法兰碰撞问题，衬里管道定长管、调整段、管件等连接处法兰应避免与管廊结构梁碰撞，成排管道之间应留出足够净距，衬里管道不宜与高温管道布置过近。(6)针对特殊位置的配管，非标准长度的管道现场预安装后，再返回进行衬里加工。

　　4结语

　　与其他含腐蚀性介质的化工项目相比，煤化工废水处理项目中，废水介质更为复杂，介质组分更加不稳定。因此，无论从经济上还是功能性上，化学性能稳定的高聚物衬里管道均是废水处理项目管材选用上的发展趋势。相比其他金属材料管道，衬里管道的设计更为复杂，材料统计更为精细，因此，工程设计者应从管道的设计、安装、衬里材料的选择等多方面综合考虑，合理、合规地对其进行布置，从而提升工程质量，保证工程进度，减少项目投资。

　　参考文献：

　　[1]张冉.煤化工企业废水深度处理与用水系统集成优化[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017.

　　[2]陈雁玲，刘琳琳，何湛聪，等.考虑再生操作的间歇过程用水网络优化[J].化工进展，2017，36(4)：1173-1179.

　　[3]吴限.煤化工废水处理技术面临的问题与技术优化研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.