管道过滤器在工程设计中的问题探讨

李 韬 刘锦伟

中海油能源发展装备技术有限公司工程设计研发中心, 天津 300452

0 前言

管道过滤器是管道系统中常用的管道元件之一,属于管道特殊件的范围。管道过滤器一般设置在泵、压缩机、换热器等设备入口的管道上,用于过滤流体中的固体杂质,确保下游的泵、压缩机、换热器等重要设备能够正常运转,保障安全生产[1]。但实际工程中,仍有由于管道过滤器缺陷导致的维修问题、甚至生产事故。

此外,管道过滤器的国内标准较多,但内容差异较大。随着工程设计要求和精细化程度的不断提高,标准中的技术要求也出现了一定的局限性。

为确保工程设计阶段提出的技术要求尽量合理和完善,最大程度地减少后期出现问题的可能性,本文在现行标准的基础上,结合实际工程经验,对涉及管道过滤器的一些细节问题和注意事项进行了探讨。

1 管道过滤器标准及种类

1.1 管道过滤器标准

管道过滤器常用标准有GB/T 14382-2008《管道用三通过滤器》[2](以下简称GB/T 14382-2008)、SH/T 3411-2017《石油化工泵用过滤器选用、检验及验收规范》[3](以下简称SH/T 3411-2017)、HG/T 21637-1991《化工管道过滤器》[4](以下简称HG/T 21637-1991)、JB/T 7538-2016《管道用篮式过滤器》[5](以下简称JB/T 7538-2016)等。标准内容不尽相同,有些标准已经超过10年未更新。

选用标准时,应注意标准的适用范围和技术要求,比如,从结构型式来说,GB/T 14382-2008虽然对标准版本和内容进行了更新,但是对于T型过滤器的分类,仍然保持了侧流式和直流式2种型式,无法满足工程设计中T型过滤器在不同布置状态下的不同技术要求,相较而言,SH/T 3411-2017和HG/T 21637-1991对结构型式的描述较全面。

1.2 管道过滤器种类

结合标准,根据设计经验,常用管道过滤器一般分为Y型过滤器、T型过滤器、锥形过滤器等型式[6]。其中,T型过滤器的结构型式较多,常用的有直流式、正折流式和反折流式。不同型式的管道过滤器可以设计为不同的连接形式,如对焊连接、法兰连接、螺纹连接等。目前，由于工程中篮式过滤器多选用压力容器规范进行设计,故将其划分至机械专业的范围。

工程中常用管道过滤器的型式见图1～5。

图1 Y型过滤器

图2 直流式T型过滤器

图3 正折流式T型过滤器

图4 反折流式T型过滤器

图5 锥型过滤器

2 工程设计中的问题探讨

标准中对管道过滤器的适用范围、技术要求、检验、验收等均有要求,不同的标准要求也有差异[7-8]。

有些技术要求对管道过滤器的使用和质量很重要,但在标准中并未深入说明,甚至未涉及,下面就这些技术要求进行探讨。

2.1 管道过滤器选型

管道过滤器的种类较多,选择合适的管道过滤器,可以避免很多问题和风险。选型时需注意以下问题：

1)从管径角度考虑,一般管径≤DN 80时,优先选用Y型过滤器；管径>DN 80时,优先选用T型过滤器。

2)从连接形式角度考虑,对于易燃、易爆、有毒介质的管道,管道过滤器宜采用焊接连接(一般管径≤DN 40时采用承插焊,管径>DN 40时采用对焊)；对于压力等级为Class 150、管径≤DN 40的公用系统管道,管道过滤器可采用螺纹连接。

实际工程中,因管道过滤器的维修、更换部件基本为滤网,故除特殊要求外,尽量采用焊接连接,既不会影响管道过滤器的后期维护,又可节省至少2套法兰装置,降低成本,同时,还可最大程度降低介质泄漏风险。

3)T型过滤器分为直流式、正折流式、反折流式3种型式。采用哪种型式,会受到管道布置的影响。但是,从滤网的强度考虑(滤网的强度校核,理论上滤网“坍塌”的风险高于“胀破”风险),T型过滤器选型时,优先选择直流式,其次为正折流式,反折流式为最后选择。因此,需要结合风险的高低,综合考虑管道布置,最大程度降低风险系数。

4)锥形过滤器为临时过滤器,一般用于设备正式运行前,过滤管道中的杂质,正式运行时可拆除。因此,注意要在锥形过滤器处设置可拆卸短节,以便拆除。

2.2 滤网目数

对于滤网目数的确定因素,目前仍存在一些误解。由于管道过滤器是用来保护其下游设备的,因此,滤网目数最终应由下游设备所能接受的杂质颗粒度来确定,需要由设备厂家确认或提供[9],设计时可在此基础上适当考虑一些裕量。

不同性质的流体介质、不同类型的设备,对滤网目数的要求都不相同。比如,介质为液体的泵、板式换热器设备的管道入口过滤器,滤网目数为20目,甚至10目即可满足要求；而Solar Turbines Incorporated厂家的天然气压缩机,管道入口过滤器的滤网目数达120目。

2.3 滤网的强度校核

滤网的变形和破坏是管道过滤器常见问题,原因主要是流入与流出滤网的压差超过了滤网的承受能力。因此,滤网需要根据压差进行强度校核。

对于滤网的强度校核,除了考虑正常的设计压差以外,还应详细分析不同情况、不同破坏形式下的压差,并在技术要求中提出。归纳如下：

1)设计压差。一般由过滤器厂家提供,根据设计经验,滤网的设计压差一般在140 kPa左右。

2)在确保设备和系统正常运行的前提下,介质经过滤网时,流通无阻塞、有阻塞情况下的压差。介质干净时,可视为流通无阻塞,但由于滤网的存在,仍然会在滤网内外产生压差(需要注意的是,随着流量增大,压差也会随之变大)；当介质变脏,杂质在滤网聚集较多时,滤网内外压差增大,视为流通有阻塞。

两种情况下不同的压差允许值需要由工艺专业提供,然后与过滤器厂家计算的结果进行对比,以便确保所选择的滤网规格不影响设备和系统的正常运行。

3)胀破压差和坍塌压差。为了便于理解,可形象描述为：当介质流入“滤筒”内部,过滤后流入“滤筒”外部时(图3),由于“滤筒”内外压差超过允许值而使“滤筒”产生永久性变形,此种情况下的压差可称为“胀破压差”；反之,当介质流入“滤筒”外部,过滤后流入“滤筒”内部时(图4),由于“滤筒”内外压差超过允许值而使“滤筒”产生永久性变形,此种情况下的压差可称为“坍塌压差”。在系统运行时,胀破和坍塌的情况一旦出现,在极短时间内会大概率地(如果过滤器前后没有压差变送器)导致滤网破裂,介质进入下游设备内部,对设备和系统产生重大不利影响。

因此,在工程设计阶段,需要工艺专业提供滤网在两种情况下的最大压差(一般会取滤网在完全阻塞情况下的压差,甚至达1 000 kPa)；同时,要求过滤器厂家根据压力容器规范(如ASME VIII Divison 1[10]),分别计算两种情况下滤网所能承受的最大压差。比较双方提供的数值,如果过滤器厂家计算值小于工艺专业提供的数值,则证明滤网有胀破或坍塌的风险,需要过滤器厂家对滤网强度进行加强,比如在滤网上设置加强筋(注意不能影响过滤面积),或者更换强度更高的材料。

2.4 滤网的安装

取出滤网前,需要先打开盲法兰端的排放口(图1～4),将介质排放干净,然后再打开盲法兰,取出滤网。但是当滤网取出的方向冲下时,打开盲法兰后,由于重力作用,此时仍然有可能会出现滤网滑落的情况。

为了防止此类情况的发生,技术要求中需要向过滤器厂家提出防止滤网自行脱落的要求。具体采取的结构型式,可以由过滤器厂家推荐。

2.5 管道过滤器的操作维修

尺寸稍大的管道过滤器,整体重量较重。建议在管道过滤器本体或管道过滤器的法兰盘上设置吊耳,以便管道过滤器的吊装。

此外,有些过滤器的盲法兰较重,比如ASME B 16.5规范中DN 400、Class 150的盲法兰[11]重量约82 kg,维修时拆下和手动移开盲法兰非常困难。因此,从人性化的角度,建议超过25 kg(根据经验,正常情况下25 kg是手动操作的极限重量)的盲法兰,设置吊臂和旋转机构,以便于管道过滤器的操作维修,见图6。

图6 T型过滤器盲法兰设置的吊臂和旋转机构

2.6 排放口的位置

打开盲法兰之前,需要通过排放口将管道过滤器内的介质尽量排放干净。因此,技术要求中需将排放口的位置尽量布置在过滤器的最底部位置(图6排放口位置)。否则,会增加维修难度。

在设计时未充分考虑管道过滤器的布置情况,使安装在立管上的Y型过滤器排放口位于上方,无法起到维修前的排放目的；此外,由于此Y型过滤器尺寸较大,盲法兰重量超过25 kg,但未设置吊臂和旋转机构,维修难度相应增加，见图7。

图7 Y型过滤器排放口在上方

3 结论

综上所述,同样规格的管道过滤器,不同的布置方式,可能会使技术要求变得不同,比如吊杆、旋转机构和排放口的位置变得不同,滤网是否需要加强等等。因此工程设计阶段应尽量把数据表和请购文件等设计工作做得细致,避免问题的出现和反复。

管道过滤器虽然只是管道特殊件中的一种,但一些技术要求仍被忽略,而这些技术要求关系到所使用的管道过滤器的设计质量、产品质量和操作维修,甚至直接影响到下游设备和系统的安全运行,因此,这些技术要求值得详细探讨,并进一步补充和细化。

参考文献:

[1] 章锦云,方旭东.管道过滤器的介绍[J].医药工程设计,1995,(1):1-6.

Zhang Jinyun, Fang Xudong. Introduction of Piping Filters [J]. Pharmaceutical Engineering Design, 1995, (1): 1-6.

[2] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.管道用三通过滤器:GB/T 14382-2008[S].北京:中国标准出版社,2008.

General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China, Standardization Administration of the People’s Republic of China. Tee Strainers for Fluids for Pipes: GB/T 14382-2008[S]. Beijing: Standards Press of China,2008.

[3] 中华人民共和国工业和信息化部.石油化工泵用过滤器选用、检验及验收规范:SH/T 3411-2017[S].北京:中国石化出版社,2017.

Ministry of Industry and Information Technology of the People’s Republic of China. Specification for Selection, Inspection and Acceptance of Strainer for Pump in Petrochemical Industry: SH/T 3411-2017[S]. Beijing: China Petrochemical Press,2017.

[4] 中华人民共和国化学工业部.化工管道过滤器:HG/T 21637-1991[S].北京:全国化工工程建设标准编辑中心,1991.

Ministry of Chemical Industry of the People’s Republic of China. Chemical Pipe Strainers: HG/T 21637-1991[S]. Beijing: China Association Center for Chemical Engineering Construction Standardization,1991.

[5] 中华人民共和国工业和信息化部.管道用篮式过滤器:JB/T 7538-2016[S].北京:机械工业出版社,2016.

Ministry of Industry and Information Technology of the People’s Republic of China. Basket Type Strainer for Piping: JB/T 7538-2016[S]. Beijing: China Machine Press,2016.

[6] 吕 冲,王运波,吴忠军,等,石油化工用过滤器的设计与选型[J].甘肃科技,2014,30(22):37-39.

Lv Chong, Wang Yunbo, Wu Zhongjun, et al. Design and Selection of Filter for Petrochemical Industry [J]. Gansu Science and Technology, 2014, 30 (22): 37-39.

[7] 熊从贵.管道过滤器标准化研究(I)[J].石油化工设备,2014,43(2):57-59.

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[8] 熊从贵.管道过滤器标准化研究(II)[J].石油化工设备, 2014, 43 (4): 55-57.

Xiong Conggui. Study on Pipeline Filters Standardization(II)[J]. Petro-Chemical Equipment,2014,43(4):55-57.

[9] 王春燕,谢 刚,何 涛,等.油气管道中过滤器的设计选型[J].石油规划设计,2008,19(6):42-44.

Wang Chunyan, Xie Gang, He Tao, et al. Filter Selection in the Oil-Gas Pipelines [J]. Petroleum Planning & Engineering, 2008, 19 (6): 42-44.

[10] 美国机械工程师协会. ASME锅炉和压力容器规范-压力容器建造规程:ASME VIII Divison 1-2007[S].纽约:美国机械工程师协会,2007.

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[11] 美国机械工程师协会.管道法兰和法兰管件:ASME B 16.5[S].纽约:美国机械工程师协会,2009.

The American Society of Mechanical Engineers. Pipe Flanges and Flanged Fittings: ASME B16.5[S]. New York: The American Society of Mechanical Engineers,2009.