搪玻璃设备及管道布置安装浅析

王佳宁 华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

随着化工行业的不断发展，新产品和生产工艺不断涌现，化工装置中各种流体介质的特性也日趋复杂。化工装置中存在大量腐蚀性介质，搪玻璃设备和管道凭借其卓越的性能，逐渐在生产装置中获得了越来越广泛的应用。

1 搪玻璃设备及管道

1.1 搪玻璃设备及管道简介

搪玻璃设备及管道是金属和无机非金属材料的复合体，是在金属容器和管道表面高温复合一层玻璃层，搪玻璃设备生产作业流程图见图1。

图1 搪玻璃设备生产作业流程图

搪玻璃设备及管道兼有两种材料的优异性质，既有金属的强度，又有搪玻璃的耐腐蚀性、光滑性等特性，但由于金属与搪玻璃是两种完全不同的材料，许多性能(如延伸率、弹性、抗拉强度等)有较大差异。

钢材膨胀系数比搪玻璃瓷层大，在烧成冷却过程中可使搪玻璃瓷层得到残余压缩应力(图2)，而搪玻璃抗压强度非常高(据某项目合作厂家提供的数据，其搪玻璃抗压强度约是钢材的4倍)，只要选择合理的搪玻璃膨胀系数，加上搪玻璃底釉对钢板的优良结合，可使两者成为稳定、牢固的复合体。

图2 搪玻璃/钢材应力示意图

1.2 搪玻璃设备及管道特性

搪玻璃设备及管道的主要特性如下：

(1)耐腐蚀性：搪玻璃可以耐受几乎所有有机酸、无机酸以及pH≤12的碱液腐蚀，可耐受所有有机溶剂的溶解，但对于强碱、氢氟酸及热磷酸不适用。

(2)不粘性：其表面为光滑的玻璃面，对于介质粘结度较低且易于清洗。

(3)绝缘性：搪玻璃表面为良好的绝缘体，可用于工艺过程中易产生静电的场合。

同时，搪玻璃管道与玻璃管道组件相比，由于搪玻璃设备及管道有金属基体，对其具有一定的保护作用，一定程度上可减少由于其脆性破坏而带来的次生灾害。

基于以上优异性能，搪玻璃设备及管道广泛应用于石化、医药、农药、军工、科研等对于洁净度、耐腐蚀性及耐磨蚀度有较高要求的领域。

1.3 搪玻璃设备及管道使用的注意事项

搪玻璃层最大的弱点是脆性较大，同时其延伸率低、承受抗拉(张)强度较小，从图2(c)可看出，圆弧处瓷层受到压应力的同时还受到向外推力，因此凸面瓷层的稳定性较平面差一些。在运输及使用过程中，若处理不当会引起接口及法兰处瓷层脱落。

搪玻璃层常见的损坏类型有：机械冲击损坏、温差骤变及热应力损坏、超压损坏和其他形式损坏。其中，机械冲击损坏约占70%，温差骤变及热应力损坏约占20%，其他几种损坏所占比例较小，本文主要对较常见的两种损坏方式的原因进行举例说明。

机械冲击损坏主要由以下原因造成：

(1)工具或其他刚性物体砸伤设备；

(2)搪玻璃设备或管道连接时，螺栓(或卡子)紧固时压力不均或过大而引起爆瓷；

(3)运输或者吊装操作不规范等。

温差骤变及热应力损坏主要是由于在常温时搪玻璃受压相对稳定，当搪玻璃受热到一定温度时(约315℃)，搪玻璃受到的压应力会逐渐变小至无压应力状态，此时搪玻璃损坏风险会增加，如若温度发生突变，搪玻璃的压应力也会突变，从而引起爆瓷。

2 搪玻璃管道的设计

2.1 搪玻璃管道组成件相关标准的选用

目前，我国关于搪玻璃管道组成件的标准为化工行业标准《搪玻璃管》[1]HG/T 2130—2021、《搪玻璃30°弯头》HG/T 2131—2021[2]、《搪玻璃45°弯头》HG/T 2132—2021[3]、《搪玻璃60°弯头》HG/T 2133—2021[4]、《搪玻璃90°弯头》HG/T 2134—2021[5]、《搪玻璃180°弯头》HG/T 2135—2021[6]、《搪玻璃三通、四通》HG/T 2136—2022[7]、《搪玻璃同心异径管、偏心异径管、异径法兰》 HG/T 2138—2022[8]、《搪玻璃设备高颈法兰》HG/T 2149—2018[9]、《搪玻璃设备人孔法兰》HG/T 2153—2018[10]、搪玻璃管道组成件的材料、设计、制造、检验、验收和包装运输均执行《搪玻璃设备技术条件》GB 25025—2010[11]的规定。

在实际生产中，德国标准DIN 2873的特征尺寸同样被众多搪玻璃管道组成件生产厂家所采用。目前，搪玻璃弯头最新标准为2021版，搪玻璃三通、四通及异径管最新标准为2022版，本文以搪玻璃90°弯头及等径三通为例，对其特征尺寸进行对比，详见表1。搪玻璃90°弯头及等径三通特征尺寸见图3。

表1 搪玻璃90°弯头及等径三通特征尺寸对比表 单位：mm

图3 搪玻璃90°弯头及等径三通特征尺寸

由表1可知：

(1)HG/T 2134—2021中90°弯头相较于往年标准及德标DIN 2873，在管件尺寸上均有较大差异，HG/T 2134—2021标准中弯头尺寸偏大。

(2)HG/T 2136—2022中，等径三通的尺寸与2015/2009版标准中一致，当管径<100mm时，德标尺寸略小于化工部标准尺寸，而当管径>100mm时，德标尺寸大于化工部标准尺寸，且随着管径的变大，差异逐步变大。

由于搪玻璃管道自身材质的特点，安装时无法像金属管道那样自由组对焊接，因此在管道设计之初应先确定供货厂家，并约定制造标准，以免造成设计与实际不符，影响施工周期，同时对于技改项目，应确认好原管件所使用的标准，提前对接头处尺寸进行确认。

2.2 搪玻璃管道组成件连接形式的选用

目前，搪玻璃管道组成件的生产厂家众多，各厂家生产水平高低不一，选用的生产标准也未进行统一，造成了目前市场上搪玻璃管道组成件有多种端部结构，搪玻璃管道组成件连接形式见图4，搪玻璃管道组成件连接形式一览表见表2。

表2 搪玻璃管道组成件连接形式一览表

图4 搪玻璃管道组成件连接形式

综合表2可以看出，在管道安装过程中，卡钳、活套法兰及固定法兰式松套法兰安装较为灵活，固定法兰劣势较大，同时由于在制作过程中会有偏差，若采用固定法兰，累积偏差会导致管道偏斜，而上述三种形式则可根据法兰的灵活转动，尽量减少此类偏差累积，因此卡钳连接及活套法兰最优，松套法兰次之，固定法兰最差，应尽量避免使用。

2.3 搪玻璃管道设计注意事项

2.3.1 管道的布置

搪玻璃管道多用在输送酸碱性物料、易堵或易冲蚀物料环境下，因此在进行管道布置时，除需满足化工装置管道布置设计规定[14]要求外，还应根据工艺要求及物料特性优先考虑相关管线布置，对于易堵或易冲蚀的物料环境，应减少弯头等的使用。

同时，由于搪玻璃管道是通过法兰来进行连接的，因此搪玻璃管道在布置时，应充分考虑各个管段之间连接法兰的影响，在不影响安装及拆卸的情况下，最大程度的利用空间进行布置，同时在标准《搪玻璃管》HG/T 2130—2021[1]中规定了不同管径下搪玻璃管的最大长度(表3)，设计时可参考此标准合理地对管道长度进行布置。

表3 搪玻璃管道最大长度一览表 单位：mm

在管道穿楼层或平台时，应注意开孔应以管道上法兰外径为基准，以免搪玻璃管道由于两端法兰面无法拆卸而无法穿过孔洞，对于混凝土楼面需要预埋钢管时，应着重注意预埋套管尺寸。在管道布置过程中，应尽量使法兰处于便于操作的位置，以便安装以及后期拆卸检修。多根搪玻璃管道并排布置时，应注意考虑法兰大小及紧固件的安装与拆卸。

目前所参与使用搪玻璃管线的项目，主要有以下两种分工方式：

(1)搪玻璃管道由供货商设计，而其他管道则由工程公司设计，由于设计区域高度交叉，需要建立有效的工作平台和沟通机制，以免造成碰撞和进度延误。

(2)工程公司设计所有管道，待设计完成后，向供货商提供搪玻璃管道的单线图，由其进行搪玻璃管道的分解及编号，进而进行加工生产。这种方式协调界面少，推荐采用。

2.3.2 搪玻璃管道与设备管口/钢管连接注意事项

由于搪玻璃管道及设备脆性这一弱点，导致其受力条件较为苛刻，而设备管口处受力较为集中，很容易会因为受力偏大而产生爆瓷，因此在设计过程中要求在管道与设备直连处安装膨胀节以吸收集中应力。某项目大口径膨胀节实物图见图5。

图5 某项目大口径膨胀节实物图

搪玻璃管道与钢管道连接处，由于两者材料的差异，在应用过程中会有较大形变差异，从而导致此处应力较为集中，为避免对搪玻璃管件造成损坏，应设置膨胀节来吸收集中应力。钢管与搪玻璃管道连接模型示意图见图6。

图6 钢管与搪玻璃管道连接模型示意图

2.3.3 管道调整段的设置

搪玻璃管道的安装是通过组装提前加工好的管道组件来实现的，而在管道加工及施工过程中，误差无法避免，为消除累积误差，设计时需要设置管道调整段来实现最后的连接。而在设置调整段时，不同管道布置方式需设置的调整段数量不一。

当管道布置为一维线性时，需设置一个调整段；当管道布置为二维平面时，需在垂直的两个方向上各设置一个调整段；当管道布置为三维立体时，需在相互垂直的三个方向上各设置一个调整段。

调整段的布置应尽量设置在便于施工的地方，并应相对短一些，以便于及时加工、运输和安装。即使设计了调整段，现场施工时也难免有间隙，此时可以通过对夹PTFE调整垫的方式加以调整。

2.3.4 管道的支撑

在完成管道布置后，需设计支吊架对其进行支撑以保证管道的自重应力在允许范围内，并以此来增加管道刚度，避免产生过大的挠度和振动，同时，可以通过设置支架对其进行限位，以控制管系热位移的大小和方向，保证管道和与其相连接设备能可靠安全运行。

2.3.4.1 支架的跨距及荷载

搪玻璃管道较普通钢管道重，同时由于搪玻璃管道之间是通过法兰连接的，连接处法兰重量远超普通管道重量，且应力较为集中，因此在设置管道支撑时应注意尽量减少管道连接处的应力，在设置管道支吊架时应特殊考虑管道重量，适当选用较大承载力架型的同时缩短管道跨距，以保证搪玻璃管道在连接时不会由于形变产生应力，进而造成爆瓷。表4列出了无缝钢管[15]及搪玻璃管[1]标准中，不同管径在相同壁厚下的参考单位重量。

表4 搪玻璃管道组成件重量一览表 重量单位：kg/0.5m或kg/m

2.3.4.2 支架的选型

在设置管道支架时，应避免使用需与管道进行焊接的架型，以免对管道造成损伤，对于大部分管道在《管架标准图》HG/T 21629—2021[16]中都可选到相应架型，如管托应选用管夹型(J2或者J4)，在架型的选用及安装过程中，应综合考虑管道走向、重量、受力情况、热位移值及保温情况等因素，合理设置支吊架，同时支吊架应满足上述标准中相关要求(如荷载、适用范围等)。而当管道必须要用到焊接型管架时，如竖直管道上需设置耳轴进行承重、水平管道需设置固定架等情况时，应将此处的支架详图连同单线图同时提供给搪玻璃管道厂家，由其在制作钢坯时提前焊接好后再进行搪烧，以此保证搪玻璃管道及管件的完整性。

对于大口径搪玻璃管道，由于其本体较大，安装、支撑及固定要求高，一般需根据管道布置情况在搪玻璃组成件的金属基体上设置吊件或支撑件(如吊耳、耳座等)。这类附件同样需生根在金属基体上，需在搪烧之前进行焊接，因此需及时给生产商家提要求。

3 搪玻璃管道及设备的安装

搪玻璃设备的最大弱点为脆性，受到外力作用时很容易发生损坏，因此在布置时应充分考虑整体调出检修，需预留出吊点及空间，在施工过程中，合理规范的流程就显得非常重要。

3.1 安装前检验

搪玻璃管道及设备在安装前应进行检查，首先是对其外观进行检查，不应有裂纹、鱼鳞爆、局部剥落、擦伤、肉眼可见的变形、影响正常使用的发纹等现象，一旦发现严禁使用，应与厂家联系更换或做电火花实验来确定是否可以使用[17]。

3.2 设备吊装及注意事项

由于搪玻璃设备的特殊性，在设备吊装过程中，应尽可能地保证其本体不会受到物理冲击，同时应保证吊装过程的稳定性，减少其局部受力的可能，以免对设备本体造成损害。安装过程及注意事项如下：

(1)设备吊装，根据设备尺寸及重量选择相应的起吊工具，一般建议使用两辆起重机或者1个起重横梁，以此来均衡受力；吊装时应尽量使用纤维吊带，使用铰链及钩子时应避免产生杠杆力；卧式设备吊装时，在保持设备稳定吊装的前提下，应尽可能地减小吊装夹角。

(2)设备二次倒运，部分设备无法在吊装时一次就位，需进行二次倒运至相应位置就位，在倒运过程中需要注意使设备受力均匀，避免集中应力而导致设备损坏。

(3)设备就位找正，就位前应复查设备完好情况，无问题后根据设备布置及管口方位对设备进行就位，尽量一次到位，如需校正，应使设备抬高后放入垫铁后再缓缓放下，确定水平以及垂直度后再紧固卡子。

(4)设备附属件安装。

3.3 管道安装注意事项

在管道安装过程中，应注意严格按设计图纸施工，同时应注意如下4点：

(1)搪玻璃管道与搪玻璃设备管口连接时，要检查设备管口瓷釉面是否损坏。

(2)严格保证搪玻璃管道不受外力影响，不允许施焊、加热、扭曲和敲打，不允许施加设计以外的荷载。

(3)法兰连接应使用同一规格的螺栓，安装方向应一致。

(4)管道连接时不得强力对口，在法兰间安装垫片后，通过轻轻转动短节使法兰面达到平行，不带压安装管线，不逆轴线拉管线，螺栓应自由穿入，紧螺栓时不要用力，按照米字型进行紧固。

4 工程实例分析

图7为大口径立管图，由于管线直径较大，在设计初期便与厂家确认各段管线及管件的吊装位置，设置吊点，同时对于穿楼层支撑部分，要提前设置耳座。在实际生产中，为避免支撑点长期产生集中应力，设置支撑环将支耳处力进行分散。安装过程中，需将管线逐段吊装，确保每段就位后连接。及时合理的设置管道吊点及支撑点，为现场安装提供了极大的便利，同时减少了损坏风险。

图7 大口径立管图

5 结语

本文简述了搪玻璃的特性，并对比搪玻璃管道管件等制造标准[18]，同时，总结其连接形式，对搪玻璃管道的设计、改造等提供了建议及参考。搪玻璃设备和管道凭借其卓越的性能，在化工及多个领域均有广泛的应用，但其延展性不足及脆性差等特性又在一定程度上对其应用有所限制，因此，增加其韧性弥补上述不足将是其未来发展及应用拓展的一个重点方向。