刘超
核工业工程研究设计有限公司 北京 101300
内容摘要：
低温管道设计作为气站设计的一部分，在每个供气站项目中都会遇见。本文以参与过的北京某氧气站和天津某氮气站为设计实例，论述了低温管道在选材、保冷冷缩、管架的特点，希望本文能对低温管道的设计起到指导作用。
关键词：低温管道 低温管选用 保冷设计
引言：
低温管道内介质由于其低温特性，会使与其接触的物质变得非常脆，因此低温管道进行选材时与普通管道侧重点不同。同时，为保持低温管道的功能性和安全性，低温管道往往需要保冷。由于选材和保冷与其它管道存在差异，因此低温管道有具有冷缩的特点，同时其管架布置等与普通管道也有所不同。
1.气站低温管道概述
气站是指利用储罐储存液化气体，通过汽化器连续气化低温液化气体，源源不断输出具有一定压力的供气系统。系统由三部分组成：液化气体储罐、气化器、调压装置，本文重点论述储罐与气化器间的低温液化气体管道的设计。
气站中的低温管从储罐中输送液态气体介质至气化器，介质类型有液氧、液氮、液氩以及液态二氧化碳。
2.低温管的选用
以北京某氧气站的低温管的选用为例。该项目流程图示意如下：
.png)
已知：液氧储罐设计压力1.6Mpa，设计温度为-196℃；客户用气正常流量为540Nm3/h，峰值流量为700Nm3/h,用气点氧气压力为0.5Mpa，工作温度为常温。
根据GB50316-2000中的有关规定，氧气设计流量为700Nm3/h，液氧管道设计压力取1.6 Mpa，液氧管道设计温度取-196℃。
2.1管道材料的选择
根据GB50030-2013 氧气站设计规范第11.0.9条，液态氧气管道应选用奥氏体不锈钢无缝钢管。故本工程中选用06Cr19Ni10，管道采用的标准号为GB/T14976-2012 液体输送用不锈钢无缝钢管。
2.2管道规格的选择
确定管道材料后，要确定管道的规格，即管径和壁厚。
氧气的设计流量为700Nm3/h，根据工业气体手册，标准状态下，气/液体积比为798.4，故可以认为换算为标准状态下（T=0℃，P=101.325Kpa），液氧的流量为700/798.4≈1m3/h。根据工业气体手册可知，同一温度下，液氧密度变化并不大，因此在进行管径计算时，液氧的流量可以直接取1m3/h。其中，液氧管道内流速取1.0m/s。管道内径按式2.1计算。
.png)
本工程中，设计压力取1.6 MPa，按GB50316-2000工业金属管道设计规范附录A,取137 MPa，无缝钢管取1， 取0。
在《无缝钢管尺寸、外形、重量及允许偏差》(GB/T17395-2008)中初选外径=25mm，壁厚t=2.5mm钢管，壁厚负偏差C1=10%和-0.2中的大者，本项目取-0.2。该规格管道内径=19.6mm≥18.8mm。根据式2.2、式2.4、式2.3计算得=0.138 mm，=0.2 mm ，=0.338 mm<2.5 mm，因此初选管径满足设计要求。
3.低温管的保冷
3.1保冷材料选择
根据气体的性质可知，当液化气体从外界吸收热量后，会从液态气化为气态，体积成数百倍增长。若液化气体在管道内进行气化，会给管道安全带来隐患，因此液化气体管道维持低温状态很重要，这就需要对低温液化气体管道进行保冷。
对管道进行保冷时，如果保冷层内有缺陷，如裂缝、裂痕等，会对管内的低温流体产生较大的影响。若采取的保冷措施不当，水蒸汽从外界透过保冷层会产生结露，进而结冰。冰粒增长将破坏保冷材料、影响保冷效果。因此保冷材料的选择很重要。
GB 50264-2013 工业设备及管道绝热工程设计规范附表A.0.2对各类保冷材料进行了相关说明，工程设计中按结合工程实际按附表A.0.2选取即可，本文不再重复叙述。
3.2保冷厚度计算
以天津某二氧化碳气站的保冷计算为例。
已知：该气站液态二氧化碳管道最低操作温度为-40℃；管道材料按GB/T14976-2012 液体输送用不锈钢无缝钢管选用，材料牌号为06Cr19Ni10；管道设计压力取2.6Mpa，管道外径=57mm，管道内径=50mm。根据GB 50264-2013工业设备及管道绝热工程设计规范附表A.0.2，保冷材料选硬质聚氨酯泡沫塑料（PUR）。
最大允许冷损失量确定
.png)
根据GB 50264-2013工业设备及管道绝热工程设计规范附表A.0.2计算可得，本工程中=0.01985，由式3.3得，等式右边=0.0752。根据GB 50264-2013工业设备及管道绝热工程设计规范附表D查得，当=0.075时，保冷厚度取27mm。根据GB 50264-2013工业设备及管道绝热工程设计规范第5.9.8取修正系数取K=1.3,刚保冷厚度=1.3x27=35.1mm，取整得保冷厚度为40mm。
本工程中计算得最终保冷层厚度为40mm，小于80mm，不需分层设置，因此计算时用单层计算是合理的。若计算结果大于80mm，则保冷层应分层敷设，且按双层进行计算，按规范GB 50264-2013中相关公式计算即可，在此不进行详细叙述。
4.低温管的冷缩
奥氏体不锈钢综合性能好，在气站低温管道设计时得到了充分应用。由于其线性膨胀量大于碳钢，因此，奥式体不锈钢的位移量相当大。金属管道的膨胀量按式4.1计算：
.png)
以前文中的氧气站为例，管道的设计温度为-196℃，管道设计安装温度为20℃，根据GB 50316-2000 (2008年版) 工业金属管道设计规范附录B可知，奥氏体不锈钢线膨胀系数为14.67/℃。按式4.1计算得，每1000m奥氏体不锈钢的膨胀量为3.2mm，因此在进行低温管设计的时候应考虑管道的冷缩。在相同设计条件下奥氏体不锈钢的壁厚比碳钢薄，其强度不如碳钢管道，因此在进行低温管道设计的时候同时需考虑低温管道的支架设置。
5.低温管支架设计
低温管道支架设计时，需要注意以下几点注意事项：
管架支撑管道重量时，必须是隔热的，因此这些管架应包含隔热材料。
由于隔热材料的强度较低，因此低温管线上的支架跨度要小于光管支架跨度。
管底标高根据管架上保冷层的厚度确定。应注意支管的向上或向下的尺寸。若管线管径变小，保冷层的厚度也应相应变小。但在这种情况下，绝热块的厚度应不变，以保持管底水平（如下图所示）。
.png)
为避免由于管子弯曲接触到中间梁而引起保冷层的破坏，隔热块的厚度至少应比保冷层厚度大5mm。
在低温管道中，结露的地方很容易生锈，在管架的滑动面上应设置一块滑动板。
6.其它
低温管道除了前文所提的几点与一般管道有所区别外，低温管道的阀门也与普通管道不同，比如低温阀带有长阀盖，这样可防止填料盖被冻住，破坏填料；当管道内介质是液体时，阀杆需朝上安装，以防止填料密封盖与低温流体不断接触；若阀门手柄较长，应注意阀门的排列。当阀门完全关闭时，密闭在密封腔内的液体将受热蒸发，会产生额外的压力并破坏阀门，因此要采取措施释放压力。
与高温单元不同的是，低温单元中很多项目需频繁地检查，需特别注意液体的泄露和保冷层是否被破坏。
7.小结
综上所述，低温管道在选材、保冷、冷缩和管架设置等方面均与一般管道有所差别，由于作者水平有限，不能一一道来。事实上，低温管道设计除了包括本文所提到的部分外，还包括柔性分析、应力计算、阀门选型等内容，这些都需要结合工程实际具体情况具体分析。
参考文献：
【1】氧气站设计规范GB50030-2013
【2】流体输送用不锈钢无缝钢管GB/T14976-2012
【3】压力管道安全技术监察规程-工业管道TSG D0001-2009
【4】特种设备安全监察条例国务院令第549号
【5】压力容器压力管道设计许可规则TSG R1001-2008
【6】压力管道规范GB/T20801.1~6-2006
【7】工业金属管道设计规范GB50316-2000（2008年版）
【8】工业设备及管道绝热工程设计规范GB50264-2013
【9】液体输送用不锈钢无缝钢管 GB/T14976-2012
【10】国家质量监督检验检疫总局公告（2014年第114号）