浅析含氟、含氯废气废液焚烧装置中衬塑钢管道设计

祁艳军，孙明明

（北京航天动力研究所，北京 100176）

含氟、含氯废气废液焚烧环保装置可以对有机含氯、含氟废气废液进行无害化处理，此类环保装置已广泛应用在氯碱、氟化工、农药等多个行业。

此类环保装置通过焚烧炉的高温焚烧以及急冷等后续工艺系统，将有机含氟、含氯有机废气废液最终转化为氢氟酸、盐酸等，同时最终尾气也达到了国家环保要求的相关标准。在此类装置管道设计过程中，由于工艺流程特点及介质温度要求，涉及到含HCL、HF 等介质的管线需使用衬塑钢管道，常用为衬氟、衬PE 等钢管道。其中衬氟塑料（PTFE）管道材料费最高，甚至要远高于不锈钢材质管道。衬塑钢管道一般占含氟、含氯焚烧环保装置管道材料总成本的50% ～ 70%，基于此类管道特性及制作特点，有必要对该类管道设计进行更进一步的分析探 究。

1 衬塑钢管道分类及适用范围

衬塑钢管道是以碳钢管材作为基体，内壁衬以化学稳定性优良的塑料层管道，衬层厚度一般为几毫米不等[1]。衬塑钢管道根据衬塑层不同，主要分为衬聚丙烯（PP）、衬聚乙烯（PE）、衬聚烯烃（PO）、衬聚四氟乙烯（PTFE）、衬超高分子量聚乙烯（UHMWPE）。公称压力为PN10、PN16、Class150（PN20），公称尺寸为DN 25 ～ DN 1 200 mm[2]。衬塑钢管及管件的适用温度如表1 所示。其中低温数值-25 ℃及-29 ℃仅适用于钢管材质为ASTM A106、A53 等美标材料。若使用国内20 号钢钢管材料，则低温值应高于-20 ℃。

表1 衬塑钢管和管件的适用温度Table 1 Applicable temperature of plastic-lined pipe and fittings

聚四氟乙烯（PTFE）属于氟塑料中的一种，氟塑料还包括改性聚四氟乙烯（M-PTFE）、可熔性聚四氟乙烯（PFA）、聚偏氟乙烯（PVDF）、全氟乙烯丙烯共聚物（FEP）、乙烯和四氟乙烯共聚物（ETFE）[3]。氟塑料各种衬里材料规格如表2 所示。

表2 氟塑料衬里材料规格Table 2 Fluoro plastic specification of lined steel pipe

衬氟塑料钢管及管件适用于设计压力不大于2.5 MPa；使用介质为气体、液化气体、蒸汽或可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高温度高于或等于标准沸点的液体；且公称尺寸为DN 25 ～ DN 600 mm 范围的管道。也适用于上述介质、工况、直径的耐负压管道[4]。

2 衬塑钢管道制作方法类别

根据衬里材料的不同及工艺介质特性的要求，衬塑管制造工艺主要分为松衬、紧衬、滚衬、模压等几类；

松衬是指将内衬塑管直接放入钢管内，两端翻边的衬塑方法。此类管线不适用于负压管路使用，耐负压性能较差。

紧衬是指通过一定的机械方法使衬里层与基体间无缝隙的衬里工艺。该工艺适用于所有类型氟塑料的管道及管件制作，此类管道耐负压性能优于松衬管道，但仅适用于低负压、小口径、温度低的管路。

滚衬是指将塑料粉末熔融黏附在钢体上，内衬层有一定剥离强度的衬塑方式。

模压是指以管子和管件的钢体为外模，将塑料粉末均匀填放在管子和管件内腔与模芯之间，施以一定压力将粉末压实后再进行烧结的衬塑方式。该类型管道有较好的耐温及耐压性能，但制作成本较高。

3 衬塑钢管道设计要点

3.1 衬塑材料选择

由于含氯含氟有机废气废液焚烧装置中工艺介质特性，该类装置主要应用衬聚四氟乙烯（PTFE）及衬聚乙烯（PE）钢管，根据需要焚烧处理的工艺介质腐蚀性、设计温度的区别，选用合适的衬里材料。衬聚四氟乙烯（PTFE）的耐腐蚀性和耐温性优于衬聚乙烯（PE），价格也略贵，在两种材料都能满足工艺介质的情况下，考虑到成本的控制，优先选用衬聚乙烯（PE）。

3.2 衬塑钢管布置

衬塑钢管道布置除需满足常规金属管道布置要求外，还需要注意其特殊要求[5]；

（1）输送腐蚀性介质的衬里管道布置时宜有一定坡度，以避免介质在管道内积聚；

（2）非金属衬里管道布置应使管系具有必要的柔性。在保证非金属衬里管道柔性及非金属衬里管道对设备、机泵管口作用力和力矩不超过允许值的情况下，应使管道最短，组成件最少；

（3）非金属衬里管道布置时应考虑支承点的位置，宜设置在法兰接头和阀门附近，并保证管道不发生于支承件脱离、扭曲、下垂或立管不垂直等现象；

（4）非金属衬里管道应采用卡箍型支吊架。如有必要采用焊接型的支吊架时，应在衬里作业前施焊。不得对衬里后的管道施焊；

（5）非金属衬里管道不应与高温管道相邻布置，也不应布置在高温管道上方有热影响的位置。非金属衬里管道不得紧靠不保温的热介质管道；

（6）非金属衬里管道应采取有效的防静电措施；

（7）在非金属衬里管道及管道组成件加工工艺允许的情况下，应减少连接法兰的数量。

（8）若非金属衬里管道需要做蒸汽伴热，为了避免温度过高损坏衬里材料，衬里管与伴管之间应加隔离块。

3.3 压力管道判定

在含氟、含氯废气废液焚烧环保装置实际管道设计过程中，某项目当地质监局及施工方以衬塑钢管道没有现场焊接工作为依据，认为在管道特性表中这类管道不能划分为压力管道。但根据《特种设备目录》2014 年修订版中对压力管道的定义及国家质检总局最终解释，管道材料不作为压力管道判断依据。也即只要满足压力管道定义，衬塑钢管道也属于压力管道范围。

3.4 衬塑钢管道采购文件注意事项

衬塑钢管道在设计完成后，应将管道轴测图和请购技术文件等一起提给衬塑钢管道加工厂家。请购技术文件应包含对衬塑钢管和管件的各项常规技术要求和特殊技术要求，预制的公差要求、试验和检验要求、防腐要求、包装运输要求等。

请购技术文件中应含有每根衬塑管道的工艺设计参数信息，特别注意确认是否存在负压工况，如存在负压工况，应在管道数据表中单独明确负压具体参数。如果属于压力管道，还需供货方厂家具备压力管道元件制造、安装资质。

4 易出现的问题及避免措施

4.1 元件长度、尺寸问题

某含氟、含氯废气废液焚烧项目，衬PTFE 钢管道材料库文件中工艺阀门长度类型为GB/T 12221 短型，设计人员经与衬氟阀门供货厂家确认，其供货长度也为短型。但在项目现场实际安装过程中发现，实际阀门到货长度仍为中型，后采取变更相关联直管段长度以完成安装。由于阀门长度问题，增加了项目额外的经济、时间成本。

由于衬塑钢管道本身制作特点，衬塑钢管道中任何元件的长度及尺寸必须准确无误，否则只能通过变更衬塑管长度解决安装问题。在材料库文件设计过程中，应与供货方提前确认衬塑钢管道上的阀门及其他特殊件的安装长度及尺寸。管道设计阶段往往没有阀门供货商的尺寸，可按标准HG/T 3704 或GB/T 12221 进行设计，采购询价阶段要求厂商按设计的长度供货，若有偏差应及时提出，修改3D 模型中的相关偏差后再出管道施工图纸。

4.2 衬里方式问题

某含氯有机物焚烧项目中公称直径为DN 250 mm的酸性尾气管道采用衬PTFE 钢管及管件，管道供货厂家根据自身常规供货经验认为此根管线会有负压情况出现，自行将该管道的衬里方式由普通松衬提高为模压工艺进行商务报价。后经我方设计确认，该管线为气体管线不存在负压情况，最终采用松衬（推压管）方式加工生产。两种衬里方式材料费用前后对比如表3 所示。由表3 可见松衬方式的管道材料费仅占模压方式管道材料费的46.8%左右。由此可见，管道内压情况是影响管道衬里方式及材料费的重要因素之一。管道设计人员在提交采购申请文件后，还应对供货厂家返回的报价文件进行必要的技术审查。

表3 两种工艺管道材料费用对比Table 3 Comparison of material cost of two kinds of process pipeline

4.3 专业间沟通问题

部分含氟、含氯废气废液焚烧项目工艺管道及仪表流程图中，在水洗塔、碱洗塔上的循环液接口处均设置了波纹软管（原意是考虑管道的膨胀），但实际情况是此处管线操作温度40 ℃，设计温度为70 ℃，通过合理配管，完全可以做到管道柔性化设计，即完全可以取消衬里波纹软管。部分配管人员没有与工艺专业进行沟通，完全按照流程图中标示进行了配管设计，造成了材料的一定浪费。

5 精细化设计探究

5.1 设备布置

由于含氟、含氯废气废液焚烧项目的工艺流程及介质特点，衬塑钢管道及管件，特别是衬PTFE 材料管道及管件材料成本，远高于不锈钢材质费用，故在设备布置时，在满足工艺流程要求及相关设计规范要求的前提下，应以缩短管道长度，减少弯头等管件为基本设计原则。

现以含氟含氯焚烧装置中水洗塔、碱洗塔与相应循环泵的间距为例进行分析，塔与其相应泵的间距可以按照工艺流程图并结合塔及管道尺寸进行管道长度最优化设计。具体方法为：两者间距理论值L=塔外径/2+150 mm（管口伸出筒壁长度）+管道元件长度+泵入口与出口中心间距+150 mm（预留余量）。常规水洗塔、碱洗塔与泵间距优化理论参考值如表4所示。根据具体项目情况，水洗塔、碱洗塔与相应循环泵的间距可依据理论值进行适当调整。

表4 水洗塔、碱洗塔与循环泵间距优化参考值Table 4 Reference value for optimization of spacing between water washing tower， alkali washing tower and circulating pump

其次，在确定设备的管口方位图时，前后相邻关联设备的管口中心线应尽量设置在一个平面内，即减少弯头及管道直段数量。卧式设备（降膜储酸罐、急冷储酸罐等）酸液出口位置应调整到离循环泵距离较近的方位，即而减少酸液出口到循环泵入口间的管道长度。

5.2 管道设计

在进行管道设计之前，应提前对管道布置进行总体规划，应按照先主流程大尺寸衬塑钢管道、后大尺寸工艺金属管道，最后小尺寸管道的顺序进行整体规划设计。由于衬塑管供货厂家是依据单线图进行拆分加工详图，在管道设计时，应尽量减少不必要的分段。对于从总管上需要多个分支接出的衬塑管道，应在靠近用户点位置时再进行分支。

5.3 专业间深化协调

由于专业分工，各专业存在一定的设计界限，在管道设计过程中，需要配管人员对工艺的基本流程应有一定的理解，对于可以减少或取消管道元件的情况应及时与工艺人员进行沟通。仪表专业需及时提供仪表阀门等安装尺寸条件，着重注意元件的外形尺寸、法兰压力等级等重要参数。工艺专业需根据仪表专业所提仪表条件及时更新工艺PID 等相关设计文 件。

6 结论

（1）衬塑钢管道衬里材质及加工工艺，应根据含氟、含氯废气废液项目中各具体工艺介质的特性、温度及压力情况确定；管道设计人员应对衬塑钢管道供货厂家返回的报价文件进行技术参数复审。

（2）衬塑钢管道只要满足压力管道定义，也属于压力管道监管范围。

（3）根据含氟含氯废气废液焚烧工艺流程特点，可以对衬塑管道进行精细化设计，形成相对定型化的配管设计。