(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223)

我國(guó)能源表現(xiàn)為以煤炭能源為基礎(chǔ)，天然氣、石油及其他可再生新能源全面發(fā)展的結(jié)構(gòu)。但是，傳統(tǒng)的煤化工項(xiàng)目會(huì)產(chǎn)生大量的廢水，在國(guó)家“十三五”明確提出嚴(yán)格實(shí)行水資源管理制度的要求下，煤化工廢水的綜合處理及回收利用已成為各個(gè)煤化工項(xiàng)目亟待解決的問題[1-2]。目前，煤化工廢水處理工藝主要是先通過預(yù)處理(物化法)，再經(jīng)過生化法、膜處理(超濾、納濾反滲透等)使水中氨氮、COD等成分穩(wěn)定，最后由化學(xué)藥劑深度處理并蒸發(fā)結(jié)晶形成各項(xiàng)指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)的、無(wú)污染、可回收用水的過程[3]。

由于煤化工廢水中含有大量氨氮及有機(jī)酚類等污染雜質(zhì)，腐蝕性較強(qiáng)，特別是來(lái)自煤氣化脫硫工序的廢水，其中含有H2S等酸性雜質(zhì)，在處理過程中，需考慮廢水對(duì)管道的腐蝕及裂化影響[4-5]。目前，工程中主要應(yīng)用四種方法來(lái)對(duì)其進(jìn)行防腐處理：①含腐蝕余量的碳鋼管道；②含抗腐蝕添加劑的碳鋼管道；③固體耐腐蝕性合金鋼管道；④內(nèi)襯高聚物的襯里管道。前兩種方法雖然可以抵抗管道裂化，但防腐蝕效果不穩(wěn)定，且高腐蝕余量意味著管道壁厚的增加，為管道加工增添困難且會(huì)增加成本[6]。所以，在含酸性介質(zhì)的化工項(xiàng)目中，通常使用后兩種管道作為管道材料。煤化工廢水處理項(xiàng)目中，性價(jià)比較高的襯里管道更為常見。

1 煤化工廢水項(xiàng)目中常見襯里管道的特性

襯里管道是指內(nèi)襯高聚化合物材料的碳鋼管道，第一根襯里管道在20世紀(jì)40年代后期出現(xiàn)在美國(guó)，使用的第一種內(nèi)襯材料是PVDC。相比耐腐蝕合金鋼管道(如不銹鋼材料316L、 2205和2507)，襯里管道在經(jīng)濟(jì)性上更為合理，有效使用襯里管道可以更好地控制項(xiàng)目成本，降低項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)[6]。常見的管道內(nèi)襯材料見表1。

表1 部分高聚物材料性能

由表1可知，不同的內(nèi)襯材料決定了襯里管道的耐化學(xué)性，在煤化工廢水項(xiàng)目中，常見的內(nèi)襯材料為聚四氟乙烯(PTFE)和聚烯烴類(PO)中的乙烯-丙烯酸共聚物(EAA)材料。

1.1 內(nèi)襯EAA襯里管道

將乙烯-丙烯酸共聚物內(nèi)襯到碳鋼鋼管之中，構(gòu)成EAA襯里管道，該種類型的管道是復(fù)合結(jié)構(gòu)材料之中最廣泛的形式之一。EAA襯里管道具有較多的優(yōu)點(diǎn)。

(1)該種襯里管道既具有EAA的耐腐蝕性，同時(shí)也保持了碳鋼的機(jī)械性能和抗壓性能[7]。

(2)EAA具有優(yōu)異的耐磨性能、較好的吸振性能，且具有優(yōu)異的防污性能，可減少結(jié)垢，清理周期較一般鋼管長(zhǎng)[8]。

(3)EAA材料抗老性能較強(qiáng)，其使用壽命在正常壓力及溫度下可達(dá)15年以上，且可以反復(fù)使用。

(4)EAA材料與耐腐蝕性金屬管相比，除具有顯著的成本優(yōu)勢(shì)，還有安裝簡(jiǎn)單方便、制作周期短、可緩解工期進(jìn)度壓力等優(yōu)點(diǎn)。

在煤化工廢水處理項(xiàng)目中，EAA襯里管道用于輸送較低溫度、1.6MPa(g)或1.0MPa(g)的煤化工反滲透濃水等介質(zhì)。

1.2 內(nèi)襯PTFE襯里管道

PTFE為聚四氟乙烯，由于其具有耐高溫、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，在工業(yè)上有著廣泛的應(yīng)用，被稱作“塑料之王”[9]。PTFE襯里管道相比其他內(nèi)襯高聚物管道，具有更好的耐高溫性能、耐壓性能及耐化學(xué)性能。

(1) 耐高溫性能。PTFE襯里管道適用溫度范圍為-29℃～180℃，遠(yuǎn)大于EAA等襯里管道的溫度適用范圍[10]。 且其在200℃溫度下，仍然保持耐酸耐堿性，使其應(yīng)用更加廣泛[11-12]。

(2) 耐壓性能。PTFE襯里管道在正常溫度適用條件下，可耐受高達(dá)3MPa(g)的壓力，在化工項(xiàng)目中，多用于需要高溫高壓的環(huán)境。

(3) 耐腐蝕性能。PTFE具有極強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性，幾乎能耐受除某些熔融金屬及高流速液態(tài)氟等介質(zhì)以外的所有化學(xué)物質(zhì)的腐蝕[13]，在煤化工廢水項(xiàng)目中，主要用于稀硫酸等高腐蝕性介質(zhì)的運(yùn)輸。

2 煤化工廢水項(xiàng)目中襯里管道的設(shè)計(jì)

相比于普通碳鋼管道或合金鋼管道，襯里管道在管件連接形式、管道布置、管道支架設(shè)計(jì)等方面有著其特殊的要求。并且，在煤化工廢水處理項(xiàng)目中，較多使用大口徑襯里管道，其設(shè)計(jì)與安裝更需要工程設(shè)計(jì)人員對(duì)其進(jìn)行深入研究。

2.1 管道連接

2.1.1法蘭

由于襯里管道內(nèi)襯高聚物，施工時(shí)不可動(dòng)火明焊，所以其管件均需通過法蘭連接。同時(shí)，襯里管道與鋼制管道不同，其直管段有標(biāo)準(zhǔn)要求，可以視為與三通、彎頭、異徑管相似的管件。根據(jù)襯里管道直管段法蘭型式，可將其分為3種型式(見圖1)。

圖1 襯里管道法蘭型式

應(yīng)用平焊法蘭時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)螺栓孔對(duì)接困難，導(dǎo)致需要管道拆卸返工的問題。在煤化工廢水項(xiàng)目中，大管徑水管較多，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮管道的安裝與拆卸，使用松套法蘭，則可以解決上述問題。通常，在以下情況中，使用松套法蘭較平焊法蘭更為合理：①在管道變徑、變向及三通位置；②管件與管件，管件與設(shè)備管口連接位置；③大管徑閥門或儀表連接位置；④大管徑管道單方向長(zhǎng)距離布置時(shí)，其端部位置。

另外，在某些特定環(huán)境，如相鄰兩裝置之間，也常設(shè)置松套法蘭，方便管道之間的連接[14]。

2.1.2墊片

由于襯里管道在制作時(shí)會(huì)對(duì)其法蘭面進(jìn)行襯里(見圖1)，所以在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)直管段(定長(zhǎng)管)連接時(shí)通常無(wú)需添加墊片，襯里管道自身即可對(duì)管系進(jìn)行密封。但是，在以下情況時(shí)，需添加墊片，防止泄漏。

(1) 襯里管道與鋼制管道連接。如襯里管道埋地變更管道材料時(shí)，煤化工廢水處理項(xiàng)目中有大量的襯里管道需埋地進(jìn)入地下反應(yīng)池設(shè)備，此時(shí)，為便于安裝，多將管道材料由襯里鋼管變更為耐腐蝕合金鋼材料，在材質(zhì)變更時(shí)，襯里管道與埋地管道法蘭之間應(yīng)增加墊片，防止鋼管損壞襯里層。

(2) 管道與設(shè)備管口、需要經(jīng)常拆卸的管件、閥門連接時(shí)，為了避免磨損導(dǎo)致介質(zhì)泄漏，需在連接處增加墊片。

襯里管道是否選用墊片需根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況確定，需要結(jié)合介質(zhì)類型、管道布置的具體情況綜合考慮。

2.2 直管段的設(shè)置

2.2.1定長(zhǎng)管的設(shè)置

襯里管道直管段可分為定長(zhǎng)管和調(diào)整段。定長(zhǎng)管即生產(chǎn)廠家根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)在其工廠預(yù)先制定的標(biāo)準(zhǔn)直管段，EAA、PE、PO等襯里管道定長(zhǎng)管長(zhǎng)度一般設(shè)置為1 000mm、1 500mm、2 000mm、3 000mm、4 000mm、6 000mm。最大長(zhǎng)度由管道公稱直徑?jīng)Q定(見表2)。PTFE襯里管道與其他高聚物襯里管道不同，其最大長(zhǎng)度一般小于4 000mm。

表2 襯里鋼管最大尺寸

注：表中單位mm，表中數(shù)據(jù)為參考數(shù)據(jù)，可根據(jù)設(shè)計(jì)要求與供貨方協(xié)商確定鋼管長(zhǎng)度[10]。

2.2.2調(diào)整段的設(shè)置

若將襯里管道直管段全部設(shè)置為定長(zhǎng)管，則項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)很可能出現(xiàn)由于施工誤差導(dǎo)致定長(zhǎng)管無(wú)法安裝的情況。所以，襯里管道在設(shè)計(jì)過程中，通常需要在其直管段設(shè)置調(diào)整段來(lái)避免誤差(見圖2)。

圖2 襯里管道調(diào)整段示意

調(diào)整段的長(zhǎng)度由管道設(shè)計(jì)具體條件來(lái)確定，一般不宜小于200mm，不宜大于1 000mm，否則現(xiàn)場(chǎng)制作比較困難。在煤化工廢水處理項(xiàng)目中，調(diào)整段的設(shè)置需遵循以下原則。

(1) 襯里管段每一個(gè)方向均需至少設(shè)置一個(gè)調(diào)整段(見圖2)。由于管道走向的改變或支管的連接，每一個(gè)方向都會(huì)形成一段新的直管，此時(shí)，需要在每一段直管上設(shè)置一個(gè)調(diào)整段。

(2) 大管徑管道在同一方向直管段較長(zhǎng)時(shí)，需在端部設(shè)置一段調(diào)整段，如有需要，可以設(shè)置兩段調(diào)整段。由于大管徑管道安裝及拆卸較為困難，為避免重復(fù)安裝返修，在其端部設(shè)置調(diào)整段有利于施工。

(3) 調(diào)整段應(yīng)設(shè)置在靠近設(shè)備管口、特殊儀表、特殊閥門附近。因?yàn)檫@些地方需要經(jīng)常檢修維護(hù)，并且在煤化工廢水項(xiàng)目中，特殊儀表、閥門、一些外包設(shè)備到貨資料較晚，調(diào)整段設(shè)置在附近，可以盡可能地減少施工工作量。

(4)調(diào)整段應(yīng)集中布置，且調(diào)整段應(yīng)盡可能布置在易操作位置。由于調(diào)整段通常布置在管線端部，且最后施工，所以將調(diào)整段布置在方便安裝、操作的位置，可以提高施工工作效率。

2.3 襯里管道管件

防腐襯里管道的管件與管道之間均采用法蘭連接。彎頭、三通、異徑管等管件均制造成法蘭式(見圖3)。如2.1.1節(jié)所述，為方便管道安裝，襯里管道的管件與直管段之間可采用平焊法蘭連接，但管件與管件、管件與設(shè)備管口之間，優(yōu)先采用松套法蘭進(jìn)行連接。

與鋼制管道相比，襯里管道的管件兩端需預(yù)制法蘭，其法蘭面與管件軸心直管段長(zhǎng)度應(yīng)設(shè)置為可供調(diào)整的管件直管段(見圖3)。管件直管段長(zhǎng)度和規(guī)格應(yīng)符合以下要求。

(1) 當(dāng)DN≤50mm時(shí)，管件之間、管件與直管之間管件直管段長(zhǎng)度不應(yīng)小于150mm；與管件相連的直管調(diào)整段長(zhǎng)度不應(yīng)小于100mm。

(2) 當(dāng)50mm

(3) 當(dāng)DN≥250mm時(shí)，管件直管段及相連直管調(diào)整段長(zhǎng)度不應(yīng)小于350mm。

圖3 襯里管件(彎頭、三通、異徑管)示意

彎頭、三通、異徑管的具體尺寸由制造廠商確定，尺寸誤差在直管調(diào)整段中進(jìn)行調(diào)整。

2.4 支架的設(shè)置

襯里管道在支架設(shè)置時(shí)，除了需要遵循管道支架設(shè)計(jì)的一般標(biāo)準(zhǔn)外，還有著自己的特殊要求。若在襯里管道上設(shè)置焊接型支架，則會(huì)損壞襯里管道外層鋼管與內(nèi)層高聚物的密合性，可能會(huì)導(dǎo)致管道泄漏，因此，一般情況下，襯里管道的支架多采用非焊接型的單螺栓型管架、雙螺栓型管架、托板型管架(見圖4)。支架應(yīng)靠近法蘭、閥門、管件設(shè)置。對(duì)于輸送含污泥廢水的大管徑襯里管道，在滿足支架設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)間距的同時(shí)，應(yīng)盡可能在每一段定長(zhǎng)管上設(shè)置一個(gè)支架。

圖4 襯里管道支架

煤化工廢水處理項(xiàng)目中，某些位置由于管道應(yīng)力的需要，必須使用焊接型支腿管架，此時(shí)，需將此種管架與其所焊直管段做特殊件處理，由制造廠家預(yù)先制備，不與其他管架合并編入《管道支架表》中。

3 煤化工廢水項(xiàng)目中襯里管道的安裝

在煤化工廢水處理項(xiàng)目中，襯里管道的用量較多，若對(duì)襯里管道的安裝要求不加重視，則可能造成人工與材料的浪費(fèi)，甚至延誤工期。因此，從設(shè)計(jì)階段開始，工程技術(shù)人員即需對(duì)襯里管道的安裝加以考慮。

(1) 安裝過程應(yīng)避免破壞高聚物襯里層。襯里管道內(nèi)層多為高聚物材料，其物理、化學(xué)特性決定了過高溫度會(huì)使襯里層變形、損壞，因此，熔融焊接、火焰切割等高溫施工作業(yè)不得接近襯里管道；同時(shí)，對(duì)管道內(nèi)層與外層作用力有損害作用的扭曲、敲打等施工作業(yè)，也不可在襯里管道安裝過程中發(fā)生。

(2) 襯里管道公稱直徑在DN500以上時(shí)，施工人員可以鉆進(jìn)管道內(nèi)部進(jìn)行內(nèi)襯操作[15]。但對(duì)于小于DN500的襯里管道，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)將儀表、取樣點(diǎn)靠近直管端部設(shè)計(jì)，以方便施工人員在進(jìn)行焊接支管后的內(nèi)襯操作時(shí)，能在靠近主管的一端進(jìn)行涂抹。

(3) 襯里管道安裝過程中，可能由于施工誤差導(dǎo)致直管段出現(xiàn)一定尺寸的負(fù)偏差，若誤差在10mm以內(nèi)，可用加厚墊塊來(lái)調(diào)整，由于墊塊材料一般為聚乙烯，此時(shí)需在兩端增加墊片后進(jìn)行密封。

(4)襯里管道外層應(yīng)設(shè)置安全放氣孔，其作用為釋放高聚物內(nèi)層與鋼制外層之間由于襯里過程升溫產(chǎn)生的氣體，放氣孔應(yīng)做相應(yīng)防護(hù)措施，避免堵塞。

(5)敷設(shè)在管廊上的襯里管道，設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮安裝過程中各管段連接時(shí)的法蘭碰撞問題，襯里管道定長(zhǎng)管、調(diào)整段、管件等連接處法蘭應(yīng)避免與管廊結(jié)構(gòu)梁碰撞，成排管道之間應(yīng)留出足夠凈距，襯里管道不宜與高溫管道布置過近。

(6)針對(duì)特殊位置的配管，非標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的管道現(xiàn)場(chǎng)預(yù)安裝后，再返回進(jìn)行襯里加工。

4 結(jié)語(yǔ)

與其他含腐蝕性介質(zhì)的化工項(xiàng)目相比，煤化工廢水處理項(xiàng)目中，廢水介質(zhì)更為復(fù)雜，介質(zhì)組分更加不穩(wěn)定。因此，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)上還是功能性上，化學(xué)性能穩(wěn)定的高聚物襯里管道均是廢水處理項(xiàng)目管材選用上的發(fā)展趨勢(shì)。

相比其他金屬材料管道，襯里管道的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，材料統(tǒng)計(jì)更為精細(xì)，因此，工程設(shè)計(jì)者應(yīng)從管道的設(shè)計(jì)、安裝、襯里材料的選擇等多方面綜合考慮，合理、合規(guī)地對(duì)其進(jìn)行布置，從而提升工程質(zhì)量，保證工程進(jìn)度，減少項(xiàng)目投資。