化工非金屬襯里管道設計探討

李 峰

華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

隨著化工新工藝的不斷發展，在化工裝置中腐蝕性流體的應用也越來越多，為了滿足腐蝕性流體對管道材料的抗腐蝕要求，非金屬襯里管道的應用越來越廣泛。

非金屬襯里管道就是以碳鋼管道或鑄鐵管道為載體、在管道內壁敷設非金屬材料，二者結合為一體的管道。非金屬襯里管道對管內流體有較強的耐化學腐蝕能力，對大多數無機酸、有機酸、堿及各種鹽類、醇類等都耐腐蝕，同時鋼管有較強的剛度和強度，因此，被廣泛應用于化工裝置中各種耐腐蝕或有特殊要求的流體輸送中。非金屬襯里具有保護金屬或其他基體免受各種流體侵蝕的能力，并有良好的彈性、耐磨性、抗沖擊性及金屬和其他基體的粘合性能。但是非金屬襯里管道施工過程復雜，含內、外焊接，焊縫的打磨、噴砂、襯膠、硫化、預組裝、回裝等工序。目前各種標準規范鮮有對襯膠管道設計的指導性條文，如果配管不當，會造成制造和安裝的重復和返工，增加費用，延誤工期，因此，非金屬襯里管道的設計顯得尤為重要。

1 非金屬襯里管道分類及應用

1.1 非金屬襯里管道的分類

由于不同化工流體對管道材料腐蝕程度及使用場合的不同，內襯非金屬材料的種類也就不同。設計中選用相關襯里材料時，應以具體標準為依據，還應根據流體介質腐蝕性、使用壓力、使用溫度、材料成分與性能差異以及襯里制造商的化學品防腐數據等因素綜合考慮,最終確定輸送流體的具體內襯材料。非金屬襯里材料的使用范圍見表1。

除以上襯塑類襯里管道外，還有內襯復合陶瓷管道和內襯搪玻璃管道等。內襯陶瓷復合管道適用于輸送含有固體顆粒的兩相流介質，適合使用在流體對管壁有強烈撞擊、沖刷，對管道內壁有長期磨損和腐蝕的地方。內襯搪玻璃管道可以抗氫氟酸和工業磷酸以外的大多數酸的侵蝕，除了防止酸蝕的作用外，玻璃襯里還有抗磨蝕的優點。

表1 非金屬襯里管道的使用范圍

1.2 非金屬襯里管道的應用

在化工行業中，非金屬襯里管道主要應用在酸、堿、鹽制造業、石油、化工、化肥、制藥、紡織、印染、橡膠塑料等行業輸送腐蝕性流體的管道中。

以某無水氟化氫項目為例，對酸濃度較高、設計溫度較高的介質(如氫氟酸，濃硫酸，氟硅酸，HF氣體等)采用內襯PTFE的管道輸送；對操作溫度低于70℃的流體介質(四氟化硅、廢氣、氟硅酸)采用內襯PP的襯里管道輸送?，F場使用情況見圖1。

圖1 某無水氟化氫項目現場襯里管道配管情況

在另一項目中，對輸送HCL、NACL的管道采用內襯PTFE的襯里管道，見圖2。

圖2 某項目現場襯里管道配管情況

2 非金屬襯里管道的安裝工藝

2.1 非金屬襯里管道安裝原理

非金屬襯里管道即在碳鋼管道內襯非金屬材料的膠板，在內襯完膠板后，不能在管道的任何部位進行焊接，否則膠板會受熱破壞，因此，襯里管道需分段設計且必須全部采用法蘭連接，管道、彎頭、三通、四通、異徑管、閥門等均需制成法蘭式。襯里管道一般為兩端帶法蘭，一端為固定式平焊法蘭，另一端為松套法蘭或者固定式平焊法蘭，松套法蘭可以直接與工程中的管道、設備管口用螺栓連接。由于襯膠長度受限，管道不能過長，否則很難完成襯膠，最短長度要滿足工業管道兩端法蘭焊接要求，一般最短長度根據HG/T20592-2009法蘭尺寸計算可得，見表2。襯里管道與管件見圖3。

表2 襯里鋼管的最大及最小尺寸 (mm)

圖3 現場襯里管道及管件

2.2 襯里管道的施工

襯里管道制造商根據每根管道的單線圖設置固定段與調節段。固定段由廠家按圖加工，成品運至施工現場，安裝時由調節段來調節現場施工誤差，安裝完成后拆下調節段，在現場進行襯膠，然后回裝調節段。這種安裝方式適用范圍廣，減少了來回運輸的工作，回裝的工作量也會比較少(只有調節段進行回裝)，但是對設計的合理性要求更高。

3 非金屬襯里管道配管設計

3.1 非金屬襯里管道配管設計要點及注意事項

非金屬襯里配管設計時除了要滿足SH/T 3154-2009中襯里管道的一般要求外，還需注意以下幾個方面。

3.1.1 襯里管道的樓面及墻面開孔

管道設計中，管道穿過樓面或者平臺時，通常會根據管道外徑進行樓面或者平臺開孔大小的確定，但襯里管道不同，襯里管道是法蘭連接的，因此，在預留穿孔時，應以法蘭盤外徑確定。此外，配管設計時應盡量將法蘭設計在樓面以上便于操作的高度，方便緊固件的安裝與拆卸，如果是混凝土樓面或墻面，需要預埋套管時，套管尺寸應考慮襯里管道安裝與拆卸時法蘭的影響(應以法蘭尺寸為依據預留套管)，嚴禁將襯里管道的法蘭設計在套管內,如圖4所示。

圖4 襯里管道樓面穿孔

3.1.2 介質流向對襯里管道的影響

一般情況下，對于口徑較大的管道，襯膠需要多張膠板進行拼接，拼接處是將兩塊膠板切成坡口進行搭接，遇到環形搭接縫時需特別注意：搭接處坡口應與管道內介質流向保持一致，避免介質的沖刷對搭接口造成破壞，因此，在設計襯里管道的空視圖時，必須正確地將管道流向標注在單線圖及管道布置圖中，因為廠家是按設計的空視圖來加工與制作襯里管道的。

3.1.3 襯里管道與其他管道的間距

襯里管道與其他管道并排布置時，應充分考慮管線彼此之間的最小間距要求，因為襯里管道各個管段是通過法蘭進行連接的，管道布置時應考慮法蘭的影響。此外，襯里管道禁止與高溫管道并排布置，也不能設置在高溫管道上方存在熱影響的地方，防止高溫對襯里材料造成損壞，尤其對于內襯PP、PVC和PE等材料的襯里管道，管道設計時需特別注意周圍管道的操作溫度。

3.1.4 對夾式蝶閥的布置

襯里管道設計時應考慮到對夾式蝶閥的布置，為了方便蝶閥碟板的啟閉，對夾式蝶閥不能與彎頭相連，因為彎頭處的壁厚要比管道厚，且還要加上襯里層厚度。因此，在彎頭處布置蝶閥時，最好在靠近彎頭的地方加一段支管，見圖5。

3.1.5 與襯里設備管口相連的問題

襯里管道與襯里設備管口連接時，如果管口有閥門或者經常拆卸的儀表件，則管道設計時需在管口處先加一段特定長度的短管，然后再連接閥門或儀表件，這樣可以有效的保護設備管口的襯里層。

圖5 對夾式蝶閥的布置

3.1.6 襯里管道的墊片

內襯聚四氟乙烯的襯里管道在設計及施工時，部分連接點處是不需要墊片的，因為在其法蘭密封面已經有襯里層，只要施加足夠的緊固力即可充當墊片密封，此情況比較適合低溫、低壓的管線。當襯里管線與其他材質的管線連接時，為了使密封效果達到最佳，需要對墊片進行單獨安裝。此外，當襯里管線中有經常拆卸的儀表時，為了保護襯里層不被破壞，最好安裝相應的墊片。

3.2 非金屬襯里管道調節段的設置

根據襯里管道特性，為了避免不必要的返修，襯里管線在設計時要考慮一定的調節段，用調節段來調節施工過程中出現的偏差，調節段要在施工現場實際測量后再加工安裝。

(1)一個調節段：

管線只在一個方向上布置，沒有彎頭改變方向，需設置一個調節段。見圖6：

圖6

(2)兩個調節段：

管道有一個彎頭改變管道走向，就產生兩個方向的距離，那么這種情況就需要設置兩個調節段；而如果管線在同一平面內有兩個彎頭改變方向時，也只需要設置兩個調節段。當管線在同一平面內有三個及以上彎頭改變方向時，也只需要設置兩個調節段，這兩個調節段的位置可根據實際情況選取，且應設置在不同的空間方向上。以上情況詳見圖7，調節段1 也可以用調節段1’代替，調節段2 可以用調節段2’代替，調節段優先選取在與設備相連接處，其次選擇在與管件連接處。

圖7

(3)三個調節段：

如果管線在布置時有兩個及兩個以上的彎頭改變管道走向，且管線不在同一平面內，就需要設置三個調節段，且三個調節段需設置在東西、南北、上下三個不同方位上，見圖8。

圖8

綜上所述，一根管線無論有多長，也不論管線中有幾個彎頭，管線在東西、南北、上下這三個方向上布置時，占用幾個方向，那么就設置幾個調節段。在設置調節段時需注意：①三個調節段中至少有一個調節段應設置在管道的端部或者設備的管口；②調節段的長度應盡量短，便于安裝和運輸；③調節段最好設置在便于施工和安裝的地方。

3.3 非金屬襯里管道排放孔及靜電接地的設計

襯里管線都是輸送腐蝕性的流體，而襯里層又都有一定程度的滲透性。當管線中含有滲透性極強的介質時，介質就會滲透到襯里層外面，從而腐蝕外面的碳鋼管道。為了有效地預防外層碳鋼管道的腐蝕，管材生產廠家一般都在金屬外壁上開一放空口，及時地把滲透的物質排出去，以減少腐蝕性物質的積聚，減少對襯里管道外殼的腐蝕，放空口詳見圖9。

為防止非金屬管道在輸送流體時產生靜電積聚而引起爆炸和火災危險，含有這種易燃易爆流體的襯里管道要安裝靜電接地極。靜電接地極安裝在放空口的對面。襯里管道的接地應在管道軸側圖上標注出，接地耳或接地柱必須由襯里管道制造商預先焊好，不能在施工現場就行焊接，圖10是項目現場靜電接地的情況。

圖9 襯里管道的排放孔設計

圖10 襯里管道的靜電接地

3.4 非金屬襯里管道支架設計

非金屬襯里管道的允許跨距可參考其它金屬管道，支吊架的間距應小于等于管道的允許跨距，但須注意：襯里管道所有的管件及管道都是法蘭連接，尤其是大直徑襯里管道的管件及管道，都是分節組裝的，見圖11。

圖11

為了保護襯里層，襯里管道的支架必須使用管夾型管托，不能使用焊接型管托，否則會損壞襯里。當襯里管道空間不足時，可考慮采用單夾子管托，當有閥門集中荷載時，支架應布置在靠近集中荷載處。

襯里管道應盡可能少地使用假腿焊接支架，以下幾種情況除外：

(1)當豎直管線的支架是承重架時，為了達到更好的承重效果，此時管架最好采用假腿式的焊接管架，假腿的個數依照管線的管徑大小及支架的受力情況來確定。一般在受力大時，要采用兩個假腿來支撐，對受力小的，一個假腿就夠了。

(2)當管架在彎頭處時，無論管徑大小，都必須采用焊接的假腿型式做支撐。

(3)當水平管線上需要固定支架時，為了達到固定管線的目的，支架也需要焊接型式的假腿支架。

綜上所述，當襯里管道帶有任意一個焊接支架時，這根管線的單管圖上必須繪出管架的尺寸、位置和型式，并畫出管架詳圖，將詳圖連同單線圖一起提供給襯里管道制造商，由制造商提前預焊好管道支架。常見的襯里管道假腿支架大體分為以下四種形式，見圖12。

圖12 襯里管道假腿支架

當一根管道(包括固定段和調節段)預組裝后，需將調節段拆下襯膠。設計管道支吊架時，需考慮調節段拆下后，沒有調節段的支撐，剩余的固定段是否還能保持在原安裝位置，此時，管架的設計就顯得尤為重要。因此，在設計襯里管道支架時，應盡量將支架做在固定段上，并且考慮在調節段拆下后，剩余管道能依靠管架固定，如不能，則增加管架數量。

3.5 非金屬襯里管道設計及優化

3.5.1 襯里管道最短長度不能滿足時用特殊件代替

某些工藝管線由于受安裝空間的限制，標準管件連接不能滿足襯里管道最小長度的要求。比如，某個空間加一個標準的彎頭后，剩余直管段就比最小長度要求還小，就需要材控專業做特殊彎頭來滿足安裝空間的要求，同樣的問題還可能出現在三通或異徑三通處。

3.5.2 襯里管道的放空及放凈支管設計

一般情況下，管道的放空及放凈支管都比較小，為DN25～40不等，如果使用異徑三通將會占用較大空間，影響整體配管。在某項目中，對于DN25～40的支管連接借鑒使用儀表的對夾式三通。在新發布的《襯塑鋼管和管架選用系列標準》-HG/T20538-2016中，也將此儀表三通稱為放凈環，圖13所示為放凈環的型式，圖14為現場施工圖。

圖13 放凈環的型式

圖14 現場放凈環的安裝圖

3.5.3 襯里管道調整墊塊的使用

普通管道的設計項目及施工現場中，管道可以是任意長度，生產及安裝都可以實現。但是襯里管道由于其制造及安裝的要求精準程度高，如果出現幾毫米或者幾十毫米的長度正偏差，管道安裝位置又不夠，為避免重新制造管道而造成浪費，在襯里管道的安裝空間內剩余3～50mm以內的情況可以用調整墊塊來調整，調整墊塊的材料可以是整體PP或PTFE等非金屬材料，具體尺寸可參考HG/T20538-2016。

4 工程實例分析

4.1 發現問題

某項目在選用非金屬襯里管道時，現場發現如下問題：

(1)配管時未考慮管道制造商會將管道及管件分解制作，導致現場實際管道自重比設計值大很多。原設計支架數量嚴重偏少，同時管架的強度及剛度不夠。對于應力管道，需根據現場配管情況，讓管機專業重新核算應力管線，見圖15。

圖15 襯里管道現場安裝

(2)襯里管道上的系統特殊件(如視鏡，過濾器)到貨尺寸與PDS建模中的尺寸不一致，現場施工時只能手測實際需要的長度，補采相應的襯里管道，造成現場襯里管道返工及重新制作，增加了施工工期。

(3)襯里管道PDS建模過程中并未考慮襯里廠家會將襯里管道、彎頭等分解成很多較短的管段以方便廠家襯膠制作，導致模型中法蘭連接處的螺栓缺少較多，現場施工時補采了大量的墊片、螺栓及螺母，增加了采購周期。

(4)襯里管道彎頭處及垂直管道上有彈簧支架，但是現場到貨襯里管道上并未預焊支腿及耳軸，導致管架無法施工，現場將管架設置在法蘭處，彎頭處支腿采用F15型支架，但這兩種支撐方式有如下問題：①管架強度不夠；②現場制作困難，施工量大。見圖16。

圖16 現場襯里管架情況

(5)某項目主項轉鼓過濾機氣相出口管線設計壓力為30KPA，此處采用內襯PTFE的金屬軟管連接，用PPH管道輸送，現場開車發現，由于真空度較高，內襯PTFE金屬軟管襯膠層脫落，后與業主及材控專業溝通，將此軟管設計為鈦材，長度L=800mm改為L=300mm。

4.2 解決措施

針對上述項目前期配管及現場施工等遇到的問題，總結之前的經驗，采取了以下解決措施：

(1)在確定非金屬襯里管道的供貨商后，先與其溝通，了解制作廠家對襯里管道及管件(如大直徑彎頭等)的分解原則及最短直管段，確定每段襯里管道的理論長度，之后按照廠家資料搭建襯里管道模型，解決了現場襯里管道模型與現場不一致的問題，方便后期統一采買螺栓、螺母及墊片，正確設計襯里管道支吊架等問題。

(2)在確定系統特殊件(如視鏡和過濾器)的供貨廠家后，由廠家返回特殊件的外形尺寸圖，供配管設計，解決了設計時襯里管道長度與現場不符的問題。

(3)與襯里廠家協調好需要預焊支腿及耳軸的管道，當襯里管道到貨，開箱驗收時需格外注意相關管道是否滿足設計要求。

(4)對于真空度較高管線，設計時應提前與襯里管道廠家充分溝通，確保供貨管道能滿足設計要求。

5 結語

綜上所述，襯里管道不同于碳鋼管道和不銹鋼管道，不能在現場焊接。在設計后期，應和材料生產廠家對襯里的材料進行確認，同時，還應該對每根管子的相關材料量予以確認。設計時，必須從整體出發，考慮周全，才能使設計更完美，施工更順利，業主更滿意。本文根據非金屬襯里管道的制作及安裝工藝原理出發，結合現場容易出現的問題，重點闡述了在非金屬襯里管道在配管設計中應該注意的問題，希望能夠為以后襯里管道的設計提供一些參考。