浅析熔体管道材料设计

林 扬

福陆（中国）工程建设有限公司（上海 201103）

工作研究

浅析熔体管道材料设计

林 扬

福陆（中国）工程建设有限公司（上海 201103）

通过总结大型化工项目中的工程经验，详细介绍了熔体管道系统中管道、法兰、垫片和阀门的设计及选用，为熔体管道材料工程设计提供了可靠的设计参考。

熔体 管道 法兰 垫片 阀门

熔体管道系统在聚酯、尼龙等化纤装置中有着的广泛应用。熔体介质具有高温、高压、高黏度、易凝固等特性。鉴于这种特性，熔体管道的设计需采用夹套管，内管走熔体介质，外管走高温热油，以免熔体介质在输送过程中温度降低发生凝固。

1 熔体管道的设计

由于熔体介质对清洁度的要求较高，所以通常熔体管道系统选用不锈钢作为主材，304、304L、1.4301、1.4541等都是常选的材料。由于熔体黏度很高，输送压力大，所以为了防止粘料和滞流，夹套管内管的内表面要作抛光处理。举例来说，在某聚酯项目中，介质聚合物熔体，设计压力30MPa、设计温度320℃，夹套内管选用德标1.4541，无缝、热轧，固溶酸洗状态交货，管道内径公差要求±0.1mm,壁厚公差要求+12.5%，内表面清洁光滑无毛刺，表面质量参照DIN4763-1981，平均粗糙度Ra=3。同时为了使流道更为平缓，便于熔体介质流动，管道变向处选用了弯曲半径3D的弯管，而不是1.5D的普通弯头。

2 熔体管道法兰的选配

由于熔体管道是夹套管，法兰也必须选用夹套法兰，国内设计通常选用HG/T20615—2009附录B钢制夹套法兰中的带颈对焊夹套法兰（见图1）。

国外有些专利商根据不同的工艺要求设计成半加热夹套法兰（见图2）和全加热夹套法兰（见图3），这种全夹套法兰可以出图在国内法兰厂定制，国外也有专门的生产厂家如MHW。

另外，由于普通三通上焊接法兰的连接方式法兰面离主管中心的距离太长，为了配合热电偶或柱塞阀等的安装要求，通常选用块状法兰，设计中主要有圆的和方的两种。圆的块状法兰（见图4）焊接难度较大，且角焊缝不能作射线探伤，故此推荐使用在中低压介质中。方的块状法兰（见图5）是锻料直接机加工，强度高、质量好，但重量稍大，如一定要夹套里的热媒穿过，需要钻深孔，如果内外管口径差距小，则不能钻孔。

3 熔体管道垫片的选择

熔体管道一般尽量减少法兰的使用，采用焊接的方式连接。但是和阀门、仪表、设备管口对接的时候难免会采用法兰密封，这就涉及到密封面和垫片的选择。由于石墨会污染熔体介质，而熔体管道温度又很高，非金属材质不能满足要求，所以一般选择金属垫片，密封面可以选择环连接面，如果工艺对管道内部平整度要求非常高，那么推荐选用透镜垫片（见图6）。

透镜垫片是一种类似于金属环垫的全金属密封元件。透镜垫片用于高压的场合，法兰的两密封面组成了一个角度为140°的圆锥型空间。密封面的尺寸随着载荷的增加而增加，接触面的压缩量相应地不规则增加。透镜垫片通常可多次使用，因其变形均在塑性变形范围内。透镜垫的标准是DIN2696-1999。值得注意的是，与所有金属垫片一样，透镜垫圈材料应该比法兰材料软，以确保施加的压缩负荷引起透镜环的弹性和塑性变形，而不是法兰密封面的变形。所以在垫片的采购技术规定里要对垫片的硬度作出具体要求，同时在法兰、阀门、设备、仪表的采购技术规定里也要提出相对应的法兰密封面的硬度要求。另外，透镜垫密封的法兰面常常是在原凸面法兰上加工的，原因是阀门、仪表或设备在制造厂里作压力试验的时候可以不用透镜垫密封而采用别的方便采购的垫片，比如缠绕垫。

另外，由于透镜垫和法兰的接触面积非常小，产生的密封压紧力高，而需要的螺栓扭矩却比通常的缠绕垫小很多，为了安装垫片后能达到良好的密封效果，需要厂家提供螺栓扭矩表供施工方安装使用。

4 熔体阀门的选择

由于柱塞阀（见图7）具有无死区的特点，所以在熔体管道系统中被广泛使用。适用于反应釜、容器或管道底部，用以放料、冲洗或取样。柱塞阀主要优点是柱塞顶端形状与管道或设备内表面完全吻合，阀门对介质的流动不构成任何干扰。阀门开启时，柱塞边升降边旋转，消除缓流区，在启闭瞬间，压力不急剧波动。对于高压柱塞阀门内表面需作抛光处理，要求不粘料、不滞流。常温低温工况阀座可选软密封，高温工况采用金属密封阀座。柱塞阀支管角度通常为45°或60°,也可以选择是否要夹套。有时功能要求改变介质流向，控制多路介质的合流或分流，柱塞阀还可以做成三通、四通，甚至七通，该类阀门又叫熔体分流阀。

4.1 柱塞阀结构形式的选用

按结构形式分，柱塞阀有柱塞伸出型（见图8）和阀体伸出型（见图9）。柱塞伸出型需要设备管嘴内径、管道法兰的内径和它匹配，否则会有空隙，会产生积料，如果介质黏度高或易凝结会造成堵塞，阀门不能打开。对于新建装置设计时要协调好设备制造商和配套管道法兰的制造商。相反如果是改造项目，设备折旧，或新建装置设备是进口的或因其他种种原因设备口无法定制，为了与设备口配合应选用阀体伸出型，由阀门厂家与设备口匹配。当然新建装置选用阀体伸出型也没有问题。相比较而言，阀体伸出型应用范围更广，从以往的项目经验来看选用得也比较多。

按阀座结构分，有可拆卸型阀座和整体阀座两种，相对而言可拆卸型制造成本较低，对于厂家来说阀体本身可以标准化设计，阀座的长度外径可根据实际情况调整，而整体阀座型阀门由于顶部伸出长度和外径不同，每个阀门都要单独设计制造。但整体阀座的密封可靠性和耐用性比可拆卸型阀座要好，通常用于关键部位。

4.2 柱塞阀采购的注意事项

采购柱塞阀时注意提清楚技术要求，为了让柱塞顶端和管道内径完全匹配，柱塞顶端需是弧形的，曲率半径为R（见图10），如果介质要求不高或是装在罐底基本平坦部位，柱塞也可平顶，顶部和主管内径外缘成切线。配套的块状法兰可以要求阀门厂家配套供应，这样公差比较好控制，现场直接焊接在管道上就可以了。

5 结论

通过以上对熔体系统中管道、法兰、垫片及阀门的介绍，可以看出对于熔体系统的管道材料设计要充分考虑介质的特性、压力的高低和是否安装于系统的关键部位等各方面因素，才能使整个系统的设计既能满足工艺要求又能节省项目投资。

[1] 宋移团.PET熔体直纺夹套管的设计[J] .聚酯工业, 2010,23(2):52-54.

[2] 宋凯卓.直纺熔体输送管道的设计[J] .聚酯工业,2006, 19(5):5-7.

[3] DIN 4763- 1981. Progressive ratio of number values of sur-face roughness parameters[S].

[4] HG/T20615—2009钢制管法兰[S] .

[5] DIN 2696- 1999 Lenticular ring joint gaskets for flanged joints[S].

Analysis on Material Design for Melt Pipeline

Lin Yang

Summarized the experience of large chemical engineering projects, introduced the design and selection of pipeline, flange, gasket and valve for the melt pipeline system in detail, which could provide reliable reference for the en－gineering design of materials for melt pipeline.

Melt; Pipeline; Flange; Gasket; Valve

TQ323

2014年6月

林 扬 男 1980年生 工程师 主要从事压力管道材料设计