搪玻璃設備及管道布置安裝淺析

王佳寧 華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

隨著化工行業的不斷發展，新產品和生產工藝不斷涌現，化工裝置中各種流體介質的特性也日趨復雜?；ぱb置中存在大量腐蝕性介質，搪玻璃設備和管道憑借其卓越的性能，逐漸在生產裝置中獲得了越來越廣泛的應用。

1 搪玻璃設備及管道

1.1 搪玻璃設備及管道簡介

搪玻璃設備及管道是金屬和無機非金屬材料的復合體，是在金屬容器和管道表面高溫復合一層玻璃層，搪玻璃設備生產作業流程圖見圖1。

圖1 搪玻璃設備生產作業流程圖

搪玻璃設備及管道兼有兩種材料的優異性質，既有金屬的強度，又有搪玻璃的耐腐蝕性、光滑性等特性，但由于金屬與搪玻璃是兩種完全不同的材料，許多性能(如延伸率、彈性、抗拉強度等)有較大差異。

鋼材膨脹系數比搪玻璃瓷層大，在燒成冷卻過程中可使搪玻璃瓷層得到殘余壓縮應力(圖2)，而搪玻璃抗壓強度非常高(據某項目合作廠家提供的數據，其搪玻璃抗壓強度約是鋼材的4倍)，只要選擇合理的搪玻璃膨脹系數，加上搪玻璃底釉對鋼板的優良結合，可使兩者成為穩定、牢固的復合體。

圖2 搪玻璃/鋼材應力示意圖

1.2 搪玻璃設備及管道特性

搪玻璃設備及管道的主要特性如下：

(1)耐腐蝕性：搪玻璃可以耐受幾乎所有有機酸、無機酸以及pH≤12的堿液腐蝕，可耐受所有有機溶劑的溶解，但對于強堿、氫氟酸及熱磷酸不適用。

(2)不粘性：其表面為光滑的玻璃面，對于介質粘結度較低且易于清洗。

(3)絕緣性：搪玻璃表面為良好的絕緣體，可用于工藝過程中易產生靜電的場合。

同時，搪玻璃管道與玻璃管道組件相比，由于搪玻璃設備及管道有金屬基體，對其具有一定的保護作用，一定程度上可減少由于其脆性破壞而帶來的次生災害。

基于以上優異性能，搪玻璃設備及管道廣泛應用于石化、醫藥、農藥、軍工、科研等對于潔凈度、耐腐蝕性及耐磨蝕度有較高要求的領域。

1.3 搪玻璃設備及管道使用的注意事項

搪玻璃層最大的弱點是脆性較大，同時其延伸率低、承受抗拉(張)強度較小，從圖2(c)可看出，圓弧處瓷層受到壓應力的同時還受到向外推力，因此凸面瓷層的穩定性較平面差一些。在運輸及使用過程中，若處理不當會引起接口及法蘭處瓷層脫落。

搪玻璃層常見的損壞類型有：機械沖擊損壞、溫差驟變及熱應力損壞、超壓損壞和其他形式損壞。其中，機械沖擊損壞約占70%，溫差驟變及熱應力損壞約占20%，其他幾種損壞所占比例較小，本文主要對較常見的兩種損壞方式的原因進行舉例說明。

機械沖擊損壞主要由以下原因造成：

(1)工具或其他剛性物體砸傷設備；

(2)搪玻璃設備或管道連接時，螺栓(或卡子)緊固時壓力不均或過大而引起爆瓷；

(3)運輸或者吊裝操作不規范等。

溫差驟變及熱應力損壞主要是由于在常溫時搪玻璃受壓相對穩定，當搪玻璃受熱到一定溫度時(約315℃)，搪玻璃受到的壓應力會逐漸變小至無壓應力狀態，此時搪玻璃損壞風險會增加，如若溫度發生突變，搪玻璃的壓應力也會突變，從而引起爆瓷。

2 搪玻璃管道的設計

2.1 搪玻璃管道組成件相關標準的選用

目前，我國關于搪玻璃管道組成件的標準為化工行業標準《搪玻璃管》[1]HG/T 2130—2021、《搪玻璃30°彎頭》HG/T 2131—2021[2]、《搪玻璃45°彎頭》HG/T 2132—2021[3]、《搪玻璃60°彎頭》HG/T 2133—2021[4]、《搪玻璃90°彎頭》HG/T 2134—2021[5]、《搪玻璃180°彎頭》HG/T 2135—2021[6]、《搪玻璃三通、四通》HG/T 2136—2022[7]、《搪玻璃同心異徑管、偏心異徑管、異徑法蘭》 HG/T 2138—2022[8]、《搪玻璃設備高頸法蘭》HG/T 2149—2018[9]、《搪玻璃設備人孔法蘭》HG/T 2153—2018[10]、搪玻璃管道組成件的材料、設計、制造、檢驗、驗收和包裝運輸均執行《搪玻璃設備技術條件》GB 25025—2010[11]的規定。

在實際生產中，德國標準DIN 2873的特征尺寸同樣被眾多搪玻璃管道組成件生產廠家所采用。目前，搪玻璃彎頭最新標準為2021版，搪玻璃三通、四通及異徑管最新標準為2022版，本文以搪玻璃90°彎頭及等徑三通為例，對其特征尺寸進行對比，詳見表1。搪玻璃90°彎頭及等徑三通特征尺寸見圖3。

表1 搪玻璃90°彎頭及等徑三通特征尺寸對比表 單位：mm

圖3 搪玻璃90°彎頭及等徑三通特征尺寸

由表1可知：

(1)HG/T 2134—2021中90°彎頭相較于往年標準及德標DIN 2873，在管件尺寸上均有較大差異，HG/T 2134—2021標準中彎頭尺寸偏大。

(2)HG/T 2136—2022中，等徑三通的尺寸與2015/2009版標準中一致，當管徑<100mm時，德標尺寸略小于化工部標準尺寸，而當管徑>100mm時，德標尺寸大于化工部標準尺寸，且隨著管徑的變大，差異逐步變大。

由于搪玻璃管道自身材質的特點，安裝時無法像金屬管道那樣自由組對焊接，因此在管道設計之初應先確定供貨廠家，并約定制造標準，以免造成設計與實際不符，影響施工周期，同時對于技改項目，應確認好原管件所使用的標準，提前對接頭處尺寸進行確認。

2.2 搪玻璃管道組成件連接形式的選用

目前，搪玻璃管道組成件的生產廠家眾多，各廠家生產水平高低不一，選用的生產標準也未進行統一，造成了目前市場上搪玻璃管道組成件有多種端部結構，搪玻璃管道組成件連接形式見圖4，搪玻璃管道組成件連接形式一覽表見表2。

表2 搪玻璃管道組成件連接形式一覽表

圖4 搪玻璃管道組成件連接形式

綜合表2可以看出，在管道安裝過程中，卡鉗、活套法蘭及固定法蘭式松套法蘭安裝較為靈活，固定法蘭劣勢較大，同時由于在制作過程中會有偏差，若采用固定法蘭，累積偏差會導致管道偏斜，而上述三種形式則可根據法蘭的靈活轉動，盡量減少此類偏差累積，因此卡鉗連接及活套法蘭最優，松套法蘭次之，固定法蘭最差，應盡量避免使用。

2.3 搪玻璃管道設計注意事項

2.3.1 管道的布置

搪玻璃管道多用在輸送酸堿性物料、易堵或易沖蝕物料環境下，因此在進行管道布置時，除需滿足化工裝置管道布置設計規定[14]要求外，還應根據工藝要求及物料特性優先考慮相關管線布置，對于易堵或易沖蝕的物料環境，應減少彎頭等的使用。

同時，由于搪玻璃管道是通過法蘭來進行連接的，因此搪玻璃管道在布置時，應充分考慮各個管段之間連接法蘭的影響，在不影響安裝及拆卸的情況下，最大程度的利用空間進行布置，同時在標準《搪玻璃管》HG/T 2130—2021[1]中規定了不同管徑下搪玻璃管的最大長度(表3)，設計時可參考此標準合理地對管道長度進行布置。

表3 搪玻璃管道最大長度一覽表 單位：mm

在管道穿樓層或平臺時，應注意開孔應以管道上法蘭外徑為基準，以免搪玻璃管道由于兩端法蘭面無法拆卸而無法穿過孔洞，對于混凝土樓面需要預埋鋼管時，應著重注意預埋套管尺寸。在管道布置過程中，應盡量使法蘭處于便于操作的位置，以便安裝以及后期拆卸檢修。多根搪玻璃管道并排布置時，應注意考慮法蘭大小及緊固件的安裝與拆卸。

目前所參與使用搪玻璃管線的項目，主要有以下兩種分工方式：

(1)搪玻璃管道由供貨商設計，而其他管道則由工程公司設計，由于設計區域高度交叉，需要建立有效的工作平臺和溝通機制，以免造成碰撞和進度延誤。

(2)工程公司設計所有管道，待設計完成后，向供貨商提供搪玻璃管道的單線圖，由其進行搪玻璃管道的分解及編號，進而進行加工生產。這種方式協調界面少，推薦采用。

2.3.2 搪玻璃管道與設備管口/鋼管連接注意事項

由于搪玻璃管道及設備脆性這一弱點，導致其受力條件較為苛刻，而設備管口處受力較為集中，很容易會因為受力偏大而產生爆瓷，因此在設計過程中要求在管道與設備直連處安裝膨脹節以吸收集中應力。某項目大口徑膨脹節實物圖見圖5。

圖5 某項目大口徑膨脹節實物圖

搪玻璃管道與鋼管道連接處，由于兩者材料的差異，在應用過程中會有較大形變差異，從而導致此處應力較為集中，為避免對搪玻璃管件造成損壞，應設置膨脹節來吸收集中應力。鋼管與搪玻璃管道連接模型示意圖見圖6。

圖6 鋼管與搪玻璃管道連接模型示意圖

2.3.3 管道調整段的設置

搪玻璃管道的安裝是通過組裝提前加工好的管道組件來實現的，而在管道加工及施工過程中，誤差無法避免，為消除累積誤差，設計時需要設置管道調整段來實現最后的連接。而在設置調整段時，不同管道布置方式需設置的調整段數量不一。

當管道布置為一維線性時，需設置一個調整段；當管道布置為二維平面時，需在垂直的兩個方向上各設置一個調整段；當管道布置為三維立體時，需在相互垂直的三個方向上各設置一個調整段。

調整段的布置應盡量設置在便于施工的地方，并應相對短一些，以便于及時加工、運輸和安裝。即使設計了調整段，現場施工時也難免有間隙，此時可以通過對夾PTFE調整墊的方式加以調整。

2.3.4 管道的支撐

在完成管道布置后，需設計支吊架對其進行支撐以保證管道的自重應力在允許范圍內，并以此來增加管道剛度，避免產生過大的撓度和振動，同時，可以通過設置支架對其進行限位，以控制管系熱位移的大小和方向，保證管道和與其相連接設備能可靠安全運行。

2.3.4.1 支架的跨距及荷載

搪玻璃管道較普通鋼管道重，同時由于搪玻璃管道之間是通過法蘭連接的，連接處法蘭重量遠超普通管道重量，且應力較為集中，因此在設置管道支撐時應注意盡量減少管道連接處的應力，在設置管道支吊架時應特殊考慮管道重量，適當選用較大承載力架型的同時縮短管道跨距，以保證搪玻璃管道在連接時不會由于形變產生應力，進而造成爆瓷。表4列出了無縫鋼管[15]及搪玻璃管[1]標準中，不同管徑在相同壁厚下的參考單位重量。

表4 搪玻璃管道組成件重量一覽表 重量單位：kg/0.5m或kg/m

2.3.4.2 支架的選型

在設置管道支架時，應避免使用需與管道進行焊接的架型，以免對管道造成損傷，對于大部分管道在《管架標準圖》HG/T 21629—2021[16]中都可選到相應架型，如管托應選用管夾型(J2或者J4)，在架型的選用及安裝過程中，應綜合考慮管道走向、重量、受力情況、熱位移值及保溫情況等因素，合理設置支吊架，同時支吊架應滿足上述標準中相關要求(如荷載、適用范圍等)。而當管道必須要用到焊接型管架時，如豎直管道上需設置耳軸進行承重、水平管道需設置固定架等情況時，應將此處的支架詳圖連同單線圖同時提供給搪玻璃管道廠家，由其在制作鋼坯時提前焊接好后再進行搪燒，以此保證搪玻璃管道及管件的完整性。

對于大口徑搪玻璃管道，由于其本體較大，安裝、支撐及固定要求高，一般需根據管道布置情況在搪玻璃組成件的金屬基體上設置吊件或支撐件(如吊耳、耳座等)。這類附件同樣需生根在金屬基體上，需在搪燒之前進行焊接，因此需及時給生產商家提要求。

3 搪玻璃管道及設備的安裝

搪玻璃設備的最大弱點為脆性，受到外力作用時很容易發生損壞，因此在布置時應充分考慮整體調出檢修，需預留出吊點及空間，在施工過程中，合理規范的流程就顯得非常重要。

3.1 安裝前檢驗

搪玻璃管道及設備在安裝前應進行檢查，首先是對其外觀進行檢查，不應有裂紋、魚鱗爆、局部剝落、擦傷、肉眼可見的變形、影響正常使用的發紋等現象，一旦發現嚴禁使用，應與廠家聯系更換或做電火花實驗來確定是否可以使用[17]。

3.2 設備吊裝及注意事項

由于搪玻璃設備的特殊性，在設備吊裝過程中，應盡可能地保證其本體不會受到物理沖擊，同時應保證吊裝過程的穩定性，減少其局部受力的可能，以免對設備本體造成損害。安裝過程及注意事項如下：

(1)設備吊裝，根據設備尺寸及重量選擇相應的起吊工具，一般建議使用兩輛起重機或者1個起重橫梁，以此來均衡受力；吊裝時應盡量使用纖維吊帶，使用鉸鏈及鉤子時應避免產生杠桿力；臥式設備吊裝時，在保持設備穩定吊裝的前提下，應盡可能地減小吊裝夾角。

(2)設備二次倒運，部分設備無法在吊裝時一次就位，需進行二次倒運至相應位置就位，在倒運過程中需要注意使設備受力均勻，避免集中應力而導致設備損壞。

(3)設備就位找正，就位前應復查設備完好情況，無問題后根據設備布置及管口方位對設備進行就位，盡量一次到位，如需校正，應使設備抬高后放入墊鐵后再緩緩放下，確定水平以及垂直度后再緊固卡子。

(4)設備附屬件安裝。

3.3 管道安裝注意事項

在管道安裝過程中，應注意嚴格按設計圖紙施工，同時應注意如下4點：

(1)搪玻璃管道與搪玻璃設備管口連接時，要檢查設備管口瓷釉面是否損壞。

(2)嚴格保證搪玻璃管道不受外力影響，不允許施焊、加熱、扭曲和敲打，不允許施加設計以外的荷載。

(3)法蘭連接應使用同一規格的螺栓，安裝方向應一致。

(4)管道連接時不得強力對口，在法蘭間安裝墊片后，通過輕輕轉動短節使法蘭面達到平行，不帶壓安裝管線，不逆軸線拉管線，螺栓應自由穿入，緊螺栓時不要用力，按照米字型進行緊固。

4 工程實例分析

圖7為大口徑立管圖，由于管線直徑較大，在設計初期便與廠家確認各段管線及管件的吊裝位置，設置吊點，同時對于穿樓層支撐部分，要提前設置耳座。在實際生產中，為避免支撐點長期產生集中應力，設置支撐環將支耳處力進行分散。安裝過程中，需將管線逐段吊裝，確保每段就位后連接。及時合理的設置管道吊點及支撐點，為現場安裝提供了極大的便利，同時減少了損壞風險。

圖7 大口徑立管圖

5 結語

本文簡述了搪玻璃的特性，并對比搪玻璃管道管件等制造標準[18]，同時，總結其連接形式，對搪玻璃管道的設計、改造等提供了建議及參考。搪玻璃設備和管道憑借其卓越的性能，在化工及多個領域均有廣泛的應用，但其延展性不足及脆性差等特性又在一定程度上對其應用有所限制，因此，增加其韌性彌補上述不足將是其未來發展及應用拓展的一個重點方向。