劉 巖

（中昊（大連）化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 大連 116023）

純堿生產(chǎn)方法分為天然堿法和合成堿法。美國(guó)全部采用天然堿法、歐洲全部采用合成堿法（氨堿法），而我國(guó)則同時(shí)采用天然堿法、氨堿法和聯(lián)合制堿法生產(chǎn)純堿。

我國(guó)的聯(lián)堿法就CO2的供應(yīng)方案而言，可分為兩大類(lèi)：一是以合成氨的脫碳?xì)饧盃t氣為原料的所謂“濃氣”制堿，另一類(lèi)則是以合成氨的變換氣為制堿原料的所謂變換氣制堿。

無(wú)論采用哪種生產(chǎn)方法，堿廠生產(chǎn)中都要用到輸送中低壓蒸汽、二氧化碳?xì)?、氨氣等介質(zhì)的管道系統(tǒng)，這些管道絕大多數(shù)都屬于壓力管道。在堿廠設(shè)計(jì)中，壓力管道設(shè)計(jì)占有比較大的比例。壓力管道是化工生產(chǎn)裝置重要組成部分之一，根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，由于壓力管道設(shè)計(jì)方面的缺陷而引發(fā)的壓力管道事故比例高達(dá)11%以上。因此，提高對(duì)壓力管道設(shè)計(jì)的重視，規(guī)避設(shè)計(jì)方面的缺陷，無(wú)論從保護(hù)國(guó)家利益、社會(huì)公共利益和人民生命財(cái)產(chǎn)安全以及保證堿廠的安全運(yùn)行、提高堿廠的經(jīng)濟(jì)效益等方面均有重要意義。

1 壓力管道定義

要做好壓力管道設(shè)計(jì)工作，首先必須明確壓力管道的定義，按照其定義正確劃分壓力管道。

國(guó)務(wù)院2009年5月1日頒發(fā)實(shí)施的《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》（國(guó)務(wù)院令第549號(hào)）中，將壓力管道定義為：“利用一定的壓力，用于輸送氣體或者液體的管狀設(shè)備，其范圍規(guī)定為最高工作壓力大于或者等于0.1MPa（表壓）的氣體、液化氣體、蒸汽介質(zhì)或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或者等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體介質(zhì)，且公稱(chēng)直徑大于25mm的管道”。

國(guó)家質(zhì)檢總局于2014年10月30日發(fā)布的“質(zhì)檢總局關(guān)于修訂《特種設(shè)備目錄》的公告”（2014年第114號(hào)）所附《特種設(shè)備目錄》中將壓力管道的定義修改為：“壓力管道，是指利用一定的壓力，用于輸送氣體或者液體的管狀設(shè)備，其范圍規(guī)定為最高工作壓力大于或者等于0.1MPa（表壓），介質(zhì)為氣體、液化氣體、蒸汽或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或者等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體，且公稱(chēng)直徑大于或者等于50mm的管道。公稱(chēng)直徑小于150mm，且其最高工作壓力小于1.6MPa（表壓）的輸送無(wú)毒、不可燃、無(wú)腐蝕性氣體的管道和設(shè)備本體所屬管道除外”。

從上述兩個(gè)壓力管道的定義可以看出，最新的壓力管道定義將公稱(chēng)直徑由“大于25mm”改為“大于或者等于50mm”，即縮小了壓力管道的監(jiān)管范圍。雖然國(guó)家質(zhì)檢總局更新了特種設(shè)備目錄，但是其他標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還沒(méi)有及時(shí)更新，比如GB／T 20801－2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》等規(guī)范對(duì)壓力管道的定義還未作改變。因此，在具體設(shè)計(jì)工作中如何把握尚有待進(jìn)一步明確。

2 堿廠壓力管道的類(lèi)別和級(jí)別

2.1 堿廠壓力管道的類(lèi)別

特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范TSG R1001－2008《壓力容器壓力管道設(shè)計(jì)許可規(guī)則》附錄B中將壓力管道按其用途劃分為四類(lèi)，即GA類(lèi)：長(zhǎng)輸管道；GB類(lèi)：公用管道；GC類(lèi)：工業(yè)管道；GD類(lèi)：動(dòng)力管道。

GC類(lèi)工業(yè)管道是指企業(yè)、事業(yè)單位所屬的用于輸送工藝介質(zhì)的工藝管道、公用工程管道及其他輔助管道，其中包括延伸出工廠邊界線，但歸屬企、事業(yè)單位管轄的工藝管線。

根據(jù)上述規(guī)定，堿廠的壓力管道應(yīng)屬于工業(yè)管道即GC類(lèi)。

2.2 堿廠壓力管道的級(jí)別

TSG R1001－2008《壓力容器壓力管道設(shè)計(jì)許可規(guī)則》附錄B中將GC類(lèi)工業(yè)管道細(xì)分為GC1級(jí)、GC2級(jí)和GC3級(jí)，具體規(guī)定詳見(jiàn)《壓力容器壓力管道設(shè)計(jì)許可規(guī)則》附錄B。

根據(jù)GC類(lèi)壓力管道級(jí)別劃分的具體規(guī)定，堿廠中變換氣制堿的變換氣管道為GC1（1）級(jí)，因變換氣中的一氧化碳屬于GB 5044—85《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)》中規(guī)定的高度危害氣體介質(zhì)。除變換氣制堿中的變換氣管道外，堿廠中的其余管道均屬于GC2級(jí)或GC3級(jí)壓力管道。

這里需要注意的是，HG 20660－2000《壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性危害和爆炸危險(xiǎn)程度分類(lèi)分類(lèi)》中CO屬于中度危害介質(zhì)，不屬于高度危害介質(zhì)。而在GB 5044—85《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)》中將CO定為高度危害介質(zhì)。因此，在確定壓力管道的級(jí)別時(shí)不要用錯(cuò)了標(biāo)準(zhǔn)，否則會(huì)降低壓力管道的級(jí)別，如將變換氣管道定為GC2級(jí)，得出不同的結(jié)果。

3 壓力管道設(shè)計(jì)程序

工程公司或設(shè)計(jì)院在接受堿廠壓力管道設(shè)計(jì)任務(wù)后，按照工程公司或設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)質(zhì)量管理體系，由項(xiàng)目經(jīng)理組成“工程項(xiàng)目組”；項(xiàng)目經(jīng)理組織、討論、制定設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行壓力管道設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作；項(xiàng)目經(jīng)理編制“工程項(xiàng)目開(kāi)工報(bào)告”，安排設(shè)計(jì)、校核、審核、審定等人員，按照《壓力管道設(shè)計(jì)技術(shù)責(zé)任制》和《壓力管道設(shè)計(jì)各級(jí)人員考核制度》明確各自職責(zé)；負(fù)責(zé)收集設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和相關(guān)資料；明確各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)分工范圍，制定設(shè)計(jì)進(jìn)度協(xié)作表；各專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)人員按照國(guó)家有關(guān)壓力管道設(shè)計(jì)的現(xiàn)行有效的法律、法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，為業(yè)主提供設(shè)計(jì)說(shuō)明、設(shè)備材料表、設(shè)計(jì)圖紙及壓力管道設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)等符合《工程設(shè)計(jì)文件編制規(guī)定》的設(shè)計(jì)文件。

4 壓力管道設(shè)計(jì)的基本原則

1）管道設(shè)計(jì)要滿(mǎn)足工藝要求，管道材料、各種組件、附件等適當(dāng)組合，全面滿(mǎn)足生產(chǎn)要求；

2）管道設(shè)計(jì)要保證管道間有足夠的空間，方便施工、操作、維護(hù)；

3）管道設(shè)計(jì)要滿(mǎn)足防火、防爆和安全生產(chǎn)的要求；

4）管道設(shè)計(jì)要做到走向合理，避免不必要的往返和轉(zhuǎn)折，節(jié)省管道材料，使管道設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)合理；

5）管道設(shè)計(jì)要做到排列規(guī)范、整齊、美觀，管道橫平豎直，縱橫成行，除特殊情況外，不采用歪斜管道布置方式。

5 壓力管道設(shè)計(jì)溫度的確定

壓力管道設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力確定的正確與否關(guān)系到一個(gè)堿廠建設(shè)項(xiàng)目壓力管道設(shè)計(jì)的好壞，必須引起足夠的重視。

B／T 20801－2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》中規(guī)定：“壓力管道的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)按操作中可能遇到的最苛刻的壓力和溫度組合工況的溫度確定，同一根管道中的不同管道組成件的設(shè)計(jì)溫度可以不同。”

壓力管道的設(shè)計(jì)溫度，考慮到環(huán)境、隔熱以及操作穩(wěn)定性等因素的影響，應(yīng)略高于由內(nèi)壓（或外壓）與溫度構(gòu)成的最苛刻條件下的最高工作溫度。

5.1 多工況條件下壓力管道設(shè)計(jì)溫度

存在兩種或兩種以上工況條件下的壓力管道，其設(shè)計(jì)溫度應(yīng)取與內(nèi)壓（或外壓）構(gòu)成的最苛刻條件下的最高工作溫度，并對(duì)其它工況進(jìn)行校核。

這種情況在堿廠設(shè)計(jì)中較少見(jiàn)，而在精細(xì)化工項(xiàng)目中較為多見(jiàn)。如一臺(tái)反應(yīng)釜的夾套中往往是蒸汽介質(zhì)和冷凍介質(zhì)交替使用。

5.2 管道中有安全閥時(shí)設(shè)計(jì)溫度

有安全閥的管道的設(shè)計(jì)溫度，取該管道中介質(zhì)排放時(shí)，可能出現(xiàn)的最高或者最低溫度為該管道的設(shè)計(jì)溫度。如堿廠液氨管線上的安全閥，要考慮液氨泄放時(shí)產(chǎn)生的低溫。

6 壓力管道設(shè)計(jì)壓力的確定

GB／T 20801－2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》中規(guī)定：“壓力管道的設(shè)計(jì)壓力，應(yīng)不小于在操作中可能遇到的最苛刻的壓力和溫度組合工況的壓力?！?/p>

壓力管道的設(shè)計(jì)壓力，考慮到管道中介質(zhì)靜液柱壓力等因素的影響，一般應(yīng)略高于由內(nèi)壓（或外壓）與溫度構(gòu)成的最苛刻條件下的最高工作壓力。

6.1 管道中有安全閥時(shí)設(shè)計(jì)壓力

管道在運(yùn)行過(guò)程中，如果存在超壓的可能時(shí)就應(yīng)該設(shè)置安全閥。此時(shí)該管道的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不低于安全閥的開(kāi)啟壓力。如變換氣制堿中變換氣管道的操作壓力為1.6MPa，管道上安全閥的開(kāi)啟壓力如果取操作壓力的1.05倍即1.68MPa時(shí)，則該管道的設(shè)計(jì)壓力為P≥1.68MPa；管道上的安全閥的設(shè)定壓力如果取操作壓力的1.1倍即1.76MP時(shí)，則該管道的設(shè)計(jì)壓力為P≥1.76MPa。

6.2 離心泵出口管道設(shè)計(jì)壓力

離心泵在啟動(dòng)時(shí)，為減少啟動(dòng)電流，應(yīng)關(guān)閉出口閥，這樣就會(huì)在泵出口閥之前的管道和泵內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)較高的壓力，所以泵出口管道的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)取泵出口閥關(guān)閉時(shí)壓力值。

6.3 與設(shè)備相連的管道設(shè)計(jì)壓力

當(dāng)管道與塔或容器等設(shè)備相連時(shí)，其設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不低于與其所連接設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力。當(dāng)管道內(nèi)的液柱較高時(shí)，還應(yīng)考慮該液柱靜壓頭的影響。對(duì)于管道來(lái)說(shuō)，其受力要比設(shè)備復(fù)雜，這是因?yàn)樗耸芙橘|(zhì)載荷之外，還要受到管道熱脹冷縮產(chǎn)生的二次應(yīng)力的影響。因此，管道的設(shè)計(jì)壓力一般應(yīng)不低于與其所連接設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力。

7 管道壓力等級(jí)的確定

在確定管道壓力等級(jí)時(shí)，通常把管道中由標(biāo)準(zhǔn)管件的公稱(chēng)壓力等級(jí)和壁厚等級(jí)共同確定的能反映管道承壓特性的參數(shù)，叫做管道的壓力等級(jí)。為簡(jiǎn)化描述，習(xí)慣上常把管道中管件的公稱(chēng)壓力等級(jí)，叫做管道的壓力等級(jí)。

壓力管道等級(jí)的確定，是整個(gè)壓力管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，也是壓力管道設(shè)計(jì)的核心。壓力管道等級(jí)確定的正確與否，直接影響著壓力管道基建投資和壓力管道的安全可靠性。

需要注意的是：管道壓力等級(jí)和設(shè)計(jì)壓力是不同的概念，不可等同；管道壓力等級(jí)主要對(duì)管道的壁厚和管道組成件的密封性能有影響。設(shè)計(jì)壓力是根據(jù)最高工作壓力來(lái)定的，一般工作壓力小于等于1.8MPa時(shí)，設(shè)計(jì)壓力等于最高工作壓力＋0.18 MPa，除此之外還要遵守《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》中的其他規(guī)定。而管道的壓力等級(jí)就要根據(jù)相關(guān)“規(guī)范”和設(shè)計(jì)壓力這兩個(gè)因素來(lái)定了。

8 管道布置設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意的事項(xiàng)

1）堿廠中有毒介質(zhì)管道的連接，應(yīng)采用焊接連接。除非有特殊需要，不得采用螺紋或法蘭連接。有毒介質(zhì)管道應(yīng)架空敷設(shè)，不應(yīng)埋地敷設(shè)，并應(yīng)設(shè)置有明顯標(biāo)志，以區(qū)別于其他管道。如變換氣制堿中的變換氣管道、液氨管道等。

2）管道布置時(shí)，為了減少氣袋或液袋，宜做到“步步高”或“步步低”。當(dāng)不可避免時(shí)，應(yīng)根據(jù)操作和檢修要求設(shè)置必要的放空、放凈管道。

3）需要熱補(bǔ)償?shù)墓艿缿?yīng)確定合理的熱補(bǔ)償方案，如堿廠中煅燒工段中的中壓蒸汽管道，因?yàn)闇囟群蛪毫容^高，由熱脹冷縮會(huì)產(chǎn)生較大的軸向位移，所以應(yīng)對(duì)整個(gè)管道系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算，以確定合理的熱補(bǔ)償方案和管道支撐點(diǎn)位置。

4）堿廠中與轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械設(shè)備連接的管道，如煅燒工序中與回轉(zhuǎn)式蒸汽煅燒爐連接的管道，應(yīng)保證管系有足夠的柔性，通常采取以下措施：①采取改變管道走向的方法，增強(qiáng)自然補(bǔ)償能力；②采用金屬波紋管補(bǔ)償器；③采用彈簧支吊架；④在適當(dāng)位置設(shè)置固定支架。

5）堿廠的管道，當(dāng)穿過(guò)廠房的樓板、墻面或者屋頂時(shí)，應(yīng)加套管，管道與套管間應(yīng)密封。當(dāng)管道有保溫層時(shí)，套管的直徑應(yīng)大于管道保溫層的外徑。套管應(yīng)高出屋面或者樓板面50mm。穿過(guò)屋面的管道應(yīng)設(shè)置防雨罩。

6）布置有毒和腐蝕性介質(zhì)的管道，如堿廠中的母液管道、液氨管道等，這些管道易泄漏部位如法蘭和螺紋連接處，不應(yīng)布置在人行通道或機(jī)泵上方，以免對(duì)人身和設(shè)備造成危害。

7）對(duì)于有保溫層的管道，應(yīng)在管架處設(shè)置管托。沒(méi)有保溫層的管道，可不設(shè)置管托。當(dāng)保溫層厚度小于或等于80mm時(shí)，可選用100mm高的管托；當(dāng)保溫層厚度大于80mm時(shí)，可選用150mm高的管托；當(dāng)保溫層厚度大于130mm時(shí)，可選用200 mm高的管托；保冷管道應(yīng)設(shè)置保冷型管托。如堿廠中氯化銨工序的液氨管道，應(yīng)采用保冷管托。

8）對(duì)于變換氣制堿中的變換氣、加壓碳化塔出氣管和放空管均需靜電接地。

9）在設(shè)計(jì)說(shuō)明中要對(duì)壓力管道焊縫射線照相檢驗(yàn)要求、抽檢比例、壓力管道的水壓試驗(yàn)要求、水壓試驗(yàn)壓力以及壓力管道的泄露性試驗(yàn)要求等等，都要做出詳細(xì)的規(guī)定。

9 有關(guān)問(wèn)題的探討

9.1 有關(guān)三維配管軟件

目前在管道布置設(shè)計(jì)中，大多數(shù)設(shè)計(jì)單位配備了三維配管軟件。國(guó)內(nèi)大型工程公司引進(jìn)美國(guó)的PDS或英國(guó)的PDMS三維配管軟件，價(jià)格昂貴。一般設(shè)計(jì)單位選用國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的PDSOFT三維配管軟件，都取得不錯(cuò)的效果。目前在堿廠設(shè)計(jì)中，有不少腐蝕介質(zhì)管道選用了非金屬管材，如聯(lián)堿廠中的母Ⅰ、母Ⅱ、氨Ⅰ、氨Ⅱ等管線；氨堿廠中的氨鹽水等管線，部分采用了鋼塑管或尼龍管，這些非金屬管材有的只有企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。PDSOFT三維配管軟件自帶的物理數(shù)據(jù)庫(kù)中缺少這些管材的數(shù)據(jù)，這時(shí)候就需要設(shè)計(jì)人員自己建立此部分管材的數(shù)據(jù)庫(kù)。在建立數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)一定要認(rèn)真、細(xì)致，反復(fù)核對(duì)，確認(rèn)無(wú)誤后再進(jìn)行三維管道模型的建立。否則，如果數(shù)據(jù)庫(kù)不準(zhǔn)確，會(huì)對(duì)后面的自動(dòng)生成管道布置圖、軸測(cè)圖造成影響，甚至出不了圖；也會(huì)影響綜合材料表的準(zhǔn)確性。

9.2 有關(guān)管材A系列和B系列的選擇

選材是否正確也是決定壓力管道設(shè)計(jì)好壞的重要因素。在堿廠設(shè)計(jì)中，管材是選ⅠA系列（即美標(biāo)英制系列）還是選Ⅱ系列（即國(guó)標(biāo)公制系列）是困擾設(shè)計(jì)人員的一個(gè)問(wèn)題。按照目前的大趨勢(shì)是傾向于ⅠA系列，因?yàn)棰馎系列是國(guó)際通用系列，Ⅱ系列已經(jīng)過(guò)時(shí)了。從2013年開(kāi)始中石化就全部采用美洲體系的ASME B31.3標(biāo)準(zhǔn)體系。而國(guó)內(nèi)堿廠的業(yè)主往往習(xí)慣于Ⅱ系列。所以在這個(gè)問(wèn)題上應(yīng)尊重業(yè)主的習(xí)慣，提前與業(yè)主溝通，尊重業(yè)主的選擇。一旦選錯(cuò)造成返工，既影響設(shè)計(jì)進(jìn)度，又影響項(xiàng)目建設(shè)進(jìn)度，后患無(wú)窮。

10 結(jié) 語(yǔ)

在堿廠壓力管道設(shè)計(jì)中，必須嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家有關(guān)壓力管道設(shè)計(jì)的現(xiàn)行有效的法律和法規(guī)，以及壓力管道安全技術(shù)規(guī)范和工程建設(shè)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，按照壓力管道設(shè)計(jì)程序和管理規(guī)定，通過(guò)不斷實(shí)踐和總結(jié)，在細(xì)節(jié)上下功夫，逐步提高壓力管道設(shè)計(jì)質(zhì)量和水平，以確保堿廠壓力管道的安全運(yùn)行。