王寶全

東華工程科技股份有限公司 合肥 230024

火炬系統(tǒng)是保證化工、石化企業(yè)安全連續(xù)運(yùn)行的重要保障設(shè)施。在當(dāng)今的大型化工、石化企業(yè)中，火炬管網(wǎng)通常具有管道數(shù)量多、口徑大、設(shè)計(jì)溫度范圍寬、路徑長(zhǎng)等特點(diǎn)[1,2]。近年來(lái),隨著規(guī)范升級(jí)，又對(duì)火炬管網(wǎng)的配管設(shè)計(jì)提出了更多的新要求。如何更好地進(jìn)行火炬管網(wǎng)的配管設(shè)計(jì)，對(duì)全廠管廊的合理布置、項(xiàng)目總體的優(yōu)化布置、以及投資控制等，都具有重大影響。結(jié)合最新的規(guī)范要求以及筆者的工作經(jīng)驗(yàn)和項(xiàng)目經(jīng)歷，本文在此探討火炬管系的應(yīng)力補(bǔ)償形式，主要對(duì)比自然補(bǔ)償和金屬波紋膨脹節(jié)補(bǔ)償兩種方式；并介紹火炬管坡度的實(shí)現(xiàn)方式，期望為工程設(shè)計(jì)的同行和化工石化項(xiàng)目建設(shè)人員提供參考。

1 火炬管系的應(yīng)力補(bǔ)償

1.1 規(guī)范要求

在過(guò)去的火炬管系設(shè)計(jì)中，金屬波紋管膨脹節(jié)是一種重要的應(yīng)力補(bǔ)償形式。由于波紋管膨脹節(jié)補(bǔ)償量大，不改變管系的走向，過(guò)去的許多應(yīng)力分析計(jì)算書(shū)中都采用了這種膨脹節(jié)進(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)償。但考慮到膨脹節(jié)會(huì)成為火炬管系的薄弱點(diǎn)，尤其是當(dāng)管道中存在凝結(jié)液時(shí)，膨脹節(jié)容易損壞，2014年開(kāi)始執(zhí)行的《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》SH 3009-2013[3]中明確要求：新建工程管道(指可燃性氣體排放管道)應(yīng)采用自然補(bǔ)償，擴(kuò)建、改建工程管道宜采用自然補(bǔ)償，且補(bǔ)償器宜水平安裝。

為滿足規(guī)范要求，在進(jìn)行全廠管廊的配管設(shè)計(jì)時(shí)，通常將火炬管道布置在管廊最上層的邊緣，其水平補(bǔ)償器伸向管廊的另一側(cè)。如果火炬管數(shù)量多，管徑大，其補(bǔ)償器通常會(huì)超出管廊的正常寬度范圍。

在2021年6月1日實(shí)施的新版《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第三部分：設(shè)計(jì)和計(jì)算》GB/T 20801.3-2020中[4]規(guī)定：“火炬排放總管的熱補(bǔ)償應(yīng)采用自然補(bǔ)償，如因工藝和空間條件的限制，全場(chǎng)火炬總管公稱直徑大于或等于DN400時(shí)，宜采用金屬波紋膨脹節(jié)進(jìn)行熱補(bǔ)償，且在管道的適當(dāng)位置應(yīng)采取軸線限位和導(dǎo)向措施?！蓖瑫r(shí)規(guī)定，“應(yīng)有防止凝結(jié)液在波紋膨脹節(jié)處聚集的措施”，并要求“金屬波紋膨脹節(jié)的補(bǔ)償量至少應(yīng)是熱補(bǔ)償管段的全溫度范圍位移量的1.15倍”。

因此，2021年6月以后新建的化工項(xiàng)目，火炬管道的配管設(shè)計(jì)可以繼續(xù)考慮采用膨脹節(jié)，同時(shí)做好相應(yīng)的安全措施。本文在下面的案例分析中會(huì)對(duì)自然補(bǔ)償和膨脹節(jié)補(bǔ)償進(jìn)行簡(jiǎn)單比較，具體補(bǔ)償方案可以在征得業(yè)主方認(rèn)可后采用。

1.2 案例分析

以筆者最近參與某化工廠管廊設(shè)計(jì)為例，由于包含了煤制氣、合成氨、氫氣提純、氨肟化等多個(gè)裝置單元，全廠管廊上最終設(shè)計(jì)了8個(gè)火炬氣管系，見(jiàn)表1。

1.2.1 火炬管系自然補(bǔ)償

上述項(xiàng)目在設(shè)計(jì)階段火炬管系參照?qǐng)?zhí)行規(guī)范SH 3009-2013，采用平面的自然補(bǔ)償形式。在全廠管廊上進(jìn)行火炬管排布時(shí)，首先要考慮的因素是應(yīng)力補(bǔ)償量的大小，主要由溫度和管徑兩個(gè)因素控制，材質(zhì)也有影響；同時(shí)也要考慮美觀，接管方便等因素。該項(xiàng)目的管道排布和補(bǔ)償設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

表1 某大型化工企業(yè)火炬管系

由圖1可以看出：

(1)管廊頂層有多個(gè)火炬管并排時(shí)，Π型補(bǔ)償器的橫臂長(zhǎng)度往往會(huì)明顯大于管廊的寬度，需要考慮在管廊的一側(cè)增加立柱支撐，在進(jìn)行總圖的裝置布置、道路和管廊規(guī)劃時(shí)需要預(yù)留此寬度距離。

圖1 某大型化工企業(yè)全廠管廊火炬管排布示意圖

(2)管廊頂層有多根火炬管道需要進(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)償時(shí)，應(yīng)盡可能使補(bǔ)償器形成嵌套的排布形式，固定架可以生根在同一管廊軸線上。如果固定架兩側(cè)的補(bǔ)償器近似對(duì)稱布置，計(jì)算出固定架的推力也比較小。

(3)管廊頂層有多個(gè)火炬管并排時(shí)，應(yīng)盡可能將大口徑的火炬管放在內(nèi)側(cè)(在圖1中對(duì)應(yīng)南側(cè))。因?yàn)榇罂趶降氖鹿驶鹁鏆獾韧ǔ？紤]的工況復(fù)雜，設(shè)計(jì)溫度高，Π型補(bǔ)償器的橫臂最長(zhǎng)，放在內(nèi)側(cè)時(shí)，即使橫臂超過(guò)了管廊的整體寬度，通常也能滿足支撐跨距要求。

(4)固定架和Π形補(bǔ)償器的距離，通常由溫度最高的一根管道決定，為防止管托從梁上滑落或卡住，所在管段的膨脹量建議控制在120mm左右。如果管托偏置或者采用加長(zhǎng)管托，此段管道的膨脹量允許更大一些，但對(duì)施工等環(huán)節(jié)也提出更多要求，Π型補(bǔ)償器的橫臂也會(huì)更長(zhǎng)。

(5)管廊頂層有多根火炬管道需要進(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)償時(shí)，小口徑和溫度較低的火炬管道的排布順序，可以在計(jì)算膨脹量和Π形補(bǔ)償器長(zhǎng)度后綜合考慮確定。如果想盡可能的減小每根管道的補(bǔ)償器長(zhǎng)度，火炬管的排列順序可能和管徑大小順序有所區(qū)別，但要同時(shí)考慮小口徑管道在次梁上的支撐位置等問(wèn)題。

(6)管廊頂層有多根火炬管形成嵌套式平面自然補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償器橫臂之間管道間距應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)大，因?yàn)橥鈬艿赖呐蛎浟看?，?huì)壓縮橫臂之間的管道凈空。如果有低溫管道，則與鄰近管道的位移方向相反，更要注意此類問(wèn)題。

1.2.2 火炬管系膨脹節(jié)補(bǔ)償

如果按照規(guī)范GB/T20801.3- 2020要求，DN400以上管道采用金屬波紋膨脹節(jié)進(jìn)行應(yīng)力補(bǔ)償，對(duì)上述項(xiàng)目的火炬管道進(jìn)行重新排布，見(jiàn)圖2所示。

由圖2可以看出，如果采用膨脹節(jié)補(bǔ)償，和全部采用自然補(bǔ)償有幾處明顯不同：

(1)小口徑的火炬管道仍然采用自然補(bǔ)償，但通常不會(huì)在管廊側(cè)面伸出太遠(yuǎn)，可以考慮在側(cè)面挑梁增加支撐，不需要從地面增加立柱。但如果附近有建構(gòu)筑物，仍然需要確認(rèn)是否有足夠的橫向間距。

圖2 火炬管系的膨脹節(jié)補(bǔ)償形式示意

(2)大口徑火炬管的排管順序更自由，相互之間沒(méi)有干擾。但要注意管道間距應(yīng)調(diào)大，因?yàn)榕蛎浌?jié)的最大外徑會(huì)明顯大于管道外徑，容易發(fā)生碰撞。

(3)固定架和補(bǔ)償器的間距確定更自由，可以根據(jù)單根管道的溫度和膨脹量計(jì)算結(jié)果自行確定，而且固定架也不一定共同作用在某一根柱子上。

(4)采用膨脹節(jié)補(bǔ)償可以明顯減少火炬管道的總長(zhǎng)度和土建費(fèi)用，但要做好相應(yīng)的安全措施。尤其是管道內(nèi)可能產(chǎn)生液相時(shí)，會(huì)增加分液裝置的數(shù)量，投資比較時(shí)也應(yīng)考慮在內(nèi)。

2 火炬管系的坡度實(shí)現(xiàn)

2.1 規(guī)范要求

盡管規(guī)范中有明確要求，可燃性液體等介質(zhì)不允許直接排入火炬氣管網(wǎng)，但火炬氣成分復(fù)雜，往往會(huì)有液滴產(chǎn)生。一旦有液滴產(chǎn)生，會(huì)在高速流動(dòng)的氣體帶動(dòng)下產(chǎn)生水錘等現(xiàn)象；如果管路上安裝了波紋管膨脹節(jié)，不平整的內(nèi)壁處更容易受到?jīng)_擊而發(fā)生危險(xiǎn)。如果火炬氣中產(chǎn)生了較多的液相，會(huì)對(duì)整個(gè)管網(wǎng)的安全運(yùn)行造成較大隱患，因此火炬管道需要較大的坡度，并應(yīng)有分液措施。這些措施也在規(guī)范中有明確要求。

(1)根據(jù)規(guī)范SH 3009-2013要求，可燃性氣體排放管道坡度不應(yīng)小于2‰，管道應(yīng)坡向分液罐、水封罐；管道沿線出現(xiàn)低點(diǎn)，應(yīng)設(shè)置分液罐或集液罐。

(2)在《化工裝置管道布置設(shè)計(jì) 技術(shù)規(guī)定》HG/T 20549.5-1998[5]中，要求火炬管道應(yīng)有坡度，坡向分液罐或其他設(shè)備，坡度宜不小于3‰。

大型化工、石化企業(yè)的全廠管廊上，火炬管道的總長(zhǎng)度通常會(huì)比較長(zhǎng)，超過(guò)1km的情況也較常見(jiàn)。即使以較小的2‰的坡度計(jì)算，1km的長(zhǎng)度范圍即對(duì)應(yīng)2m的連續(xù)坡度總高差，這已經(jīng)不是僅靠現(xiàn)場(chǎng)施工階段調(diào)整就能解決的問(wèn)題。因此，火炬管系的坡度設(shè)置必須在設(shè)計(jì)階段予以考慮。

2.2 案例分析

由于全廠管廊的頂層通常只布置火炬管道，因此將管廊頂層做成帶坡度的斜面也是實(shí)現(xiàn)火炬管道坡度配管的一種方法。但由于此方案給土建設(shè)計(jì)和施工帶來(lái)較大困難，采用得并不多。筆者接觸到的新建項(xiàng)目，基本都是將管廊頂層做成變標(biāo)高的臺(tái)階式。

以筆者最近參與項(xiàng)目的一段全廠管廊為例，1柱頂層標(biāo)高為EL11.600，取連續(xù)坡度為3‰，根據(jù)平面布置圖上的柱間距計(jì)算其他柱頂標(biāo)高?？紤]到管托的可變高度范圍通常在100mm至250mm之間[6]，把計(jì)算標(biāo)高相差150mm范圍以內(nèi)的柱頂取平，以管托調(diào)節(jié)管底標(biāo)高。具體做法見(jiàn)表2。

由表2可以看出，將管廊頂層做成變標(biāo)高的臺(tái)階式，配合管托調(diào)整高度，可以實(shí)現(xiàn)火炬管的坡度配管。

如果火炬管網(wǎng)內(nèi)可能產(chǎn)生較多的液體，在保證主管坡度的同時(shí)，建議間隔一定距離設(shè)置火炬分液裝置，及時(shí)將管道內(nèi)的液相分離出來(lái)。如果裝置內(nèi)火炬支管低于全廠總管，需要上翻斜插入總管時(shí)，也應(yīng)該設(shè)置類似的分液裝置；除非確定對(duì)應(yīng)管網(wǎng)內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生液相，或者支管采取倒坡的方式，使液相流回裝置內(nèi)的分液裝置。

表2 某大型化工企業(yè)全廠管廊的頂標(biāo)高及管托高度

3 結(jié)語(yǔ)

作為化工和石化工廠的重要安全屏障，火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)安全可靠。隨著規(guī)范升級(jí)，企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，以及安全要求的提高，如何對(duì)火炬管系進(jìn)行合理的配管成為工程設(shè)計(jì)和項(xiàng)目建設(shè)人員需要考慮的問(wèn)題。本文結(jié)合規(guī)范要求和項(xiàng)目建設(shè)實(shí)例，探討了火炬管道的平面自然補(bǔ)償和金屬波紋膨脹節(jié)補(bǔ)償兩種形式的注意要點(diǎn)，同時(shí)介紹了以變標(biāo)高的臺(tái)階式結(jié)構(gòu)配合管托高度變化實(shí)現(xiàn)火炬管系坡度配管的方法，供工程設(shè)計(jì)的同行和化工、石化項(xiàng)目建設(shè)人員參考。