石峰
天津市轻工业设计院
摘要:制冷管道选材是制冷管道设计中的的重要工作,在目前制冷管道设计实践中,管道材料选择涉及众多的标准规范,各种规范缺乏统一和协调,难以保障管道的设计质量。为使管道选材工作有一个标准化的设计程序,本文根据现有的标准规范和各种设计资料,结合多年的设计经验,整理出一套制冷管道的选材方法。
制冷项目确定后首先根据工艺需要确定制冷剂和制冷系统的最低工作温度,再根据GB/T 20801、GB 50072和制冷剂的种类确定管道材料(包括碳钢、低温钢、不锈钢和铜材料)。如氨制冷系统可选择碳钢、低温钢、不锈钢管道材料,氟利昂制冷管道材料除上述材料外还可使用铜材。具体选材参数见管道选材表。下面将制冷系统选材按管道材料、管件材料、法兰材料和阀门问题分别进行探讨。
一、管道材料
1.管材的标准
管道材料的选择首先是管材标准的选择,管材一般选自GB/T 20801.2表A.1,本文已将相关材料编入选材表,设计时根据工况参数直接选用即可。这里要特别注意附表中涉及的“低温低应力工况”问题,在一些地方的特种设备监管部门不允许按照“低温低应力工况”选用低碳钢(这是冷库设计规范中碳钢管道的选材依据),如果项目要求用低碳钢,应事先与特种设备监管部门沟通,否则应放弃此选项而使用更高级别材料(这也是冷库设计规范和政府相关部门不协调之处)。
铜管仅作为氟利昂制冷小管径管道材料的选择。根据《冷库设计规范》铜管应选用GB/T 17791中T2、TU1、TU2牌号,考虑管道在接头处有扩口的要求,而GB/T 17791只有“轻退火(O50)”和“软化退火(O60)”2种状态的管材进行扩口试验,所以本文选材表仅限定这2种状态用于制冷管道。
2.管道的尺寸规格
钢管的标准比较完善,管道外径和壁厚直接引用HG/T 20553-2011即可。而铜管缺少通用的尺寸选用标准,GB/T 17791也没有对的外径、壁厚提出具体要求,因此只能参照GB/T 18033《无缝铜水管和铜气管》的表2确定尺寸(这超出了制冷管道标准的范围),这也反映了目前的制冷铜管标准体系还不完善。
二、管件材料
管道材料确定后就要选择配套的管件(包括管道连接的三通、弯头等),选材表的材料牌号按照GB/T 13401-2017附录B确定了碳钢、低温钢、不锈钢管道材料的配套管件。
在铜管道管件的选择方面,各种标准资料存在较多矛盾之处且可操作性差,在《冷库制冷设计手册》以及制冷行业的实际应用中,普遍使用的管件有2种连接方式,第一种是承插焊管件(弯头、三通、异径管等)。可在当前国家标准体系中,相关标准只有2个(CJ/T 117和GB/T 11618.1),其中前者的适用范围还明确包括了制冷管道,但这2个标准中基本参数规定最大公称压力只有1.6MPa,不能满足《冷库设计规范》要求的2.5MPa设计压力,因此本文不推荐采用承插焊连接方式(没有合适标准的承插焊管件不能用于在制冷管道工程)。第二种是扩口式管接头,有2个适用标准。其一是美国汽车工程师学会标准SAE J513《制冷管件通用规范》,适用于英制尺寸铜管道。其二是GB/T 5625~5653《扩口式管接头》,适用于公制尺寸铜管道,设计中优先选用公制尺寸。铜管与钢管的连接采用GB/T 5642《扩口式焊接管接头》。
另外在CAS 167-2008《制冷装置用管路》中还提出了卡套式接头的连接方式。卡套接头的设计主要用于液压和一般用途碳钢和不锈钢管路,其密封原理是通过锥形卡套压紧管道的外面实现无填料密封,管道受力大、易变形,虽然铜管也可使用但其要求管道壁厚较大,在制冷管道设计实践中很少采用。故未列入选材表中。
三、法兰材料
钢质制冷管道与阀门、设备接口的连接一般采用焊接或法兰连接,法兰因为压力较高,通常选用带颈对焊法兰,这种法兰材料只能用锻件。锻件材料牌号的选择应与管道材料相匹配,本文按优先顺序将这种匹配关系分为4个级别。
1.最佳匹配:管道牌号与法兰锻件牌号完全一致,如20#钢管配法兰20#锻钢,16MnDG钢管配16MnD锻钢。
2.可以匹配:在GB/T 20801.2表A.1中同一材料类别中不同牌号材料的相互匹配,如06Ni3MoDG钢管与08Ni3D法兰锻件相配。
3.不宜匹配:在GB/T 20801.2表A.1中碳钢、低温钢、合金钢的跨类别相互匹配,如20#钢管配16MnD法兰锻件。
4.禁止匹配:在GB/T 20801.2表A.1中的不锈钢、各种有色金属和铜材料不能跨类别匹配。
本文的选材表中包含了第1种和第2种匹配。第3种匹配仅用于项目出现特殊情况(如现场的接口不满足要求又无法改变等)的备选方案。
铜管因管径较小不推荐法兰连接。
四、阀门问题
阀门的选择在制冷工艺流程设计中完成。在管道设计中需要核实阀门的适用介质、工作压力、最低工作温度、连接方式、材料和安装要求等。阀门厂家提供的资料必须满足工艺参数的要求。采用对焊联接的阀门要避免前面提到的禁止匹配材料间的直接焊接,如此种匹配不可避免,应采用法兰过渡的方式转换材料。
五、最低工作温度问题
碳钢材料的最低工作温度依据GB20801.2确定,铜材料由于没有列入GB20801.2(也因此造成了铜材料许用应力和最低工作温度的依据缺乏权威性),并且国内其它相关标准也没有涉及最低工作温度。本文采用了ASME B31.3的数据作为参考。
六、各种管道器材的连接与匹配
在工程实践中经常需要将不同材料的管件相互连接,采用法兰等可拆卸方式连接适用于任何材料组合。如果采用焊接方式可参照前面提到的前3种匹配方式,对不锈钢和其它类别材料的连接采用法兰连接。
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[18]HG/T 20592~20635-2009钢制管法兰、垫片、紧固件
郭孝礼. 冷库制冷设计手册
论文作者:石峰
论文发表刊物:《防护工程》2018年第13期
论文发表时间:2018/10/29
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