鄭慶

連云港沃利工程技術(shù)有限公司上海分公司 上海 200010

1 石油化工裝置工藝管道設(shè)計(jì)的原則

1.1 管道設(shè)計(jì)的一般原則

（1）管道布置不僅要整齊有序，成組成排，還要在規(guī)劃布置管道的同時(shí)考慮管道的支撐的可能性和合理性。比如立式容器和管殼式冷換設(shè)備的配管，是局部采用斜線連接布管布置的。

（2）在保證管道柔性及管道對(duì)設(shè)備機(jī)泵管嘴的作用力和力矩不超出允許值的情況下，應(yīng)當(dāng)用最少的管件，最短的長(zhǎng)度連接起來，盡量減少焊縫。

（3）在人員通行處，管道底部的凈高不宜小于2.2m。需要通行車輛處，管底的凈高視車輛的類型有所不同，通行小型檢修機(jī)械或車輛時(shí)不宜小于3m；通行大型檢修機(jī)械或車輛時(shí)不應(yīng)小于4.5m。

（4）并排布置管道的間距與下列因素有關(guān):管外徑、有法蘭管子的法蘭外徑、有隔熱層的隔熱層厚度、兩管間的凈距。

（5）管道穿過建筑物的樓板、屋頂或墻面時(shí)，應(yīng)加套管，套管與管道間的空隙應(yīng)密封。套管的直徑應(yīng)大于管道隔熱層的外徑，并不得影響管道的熱位移。管道上的焊縫不應(yīng)在套管內(nèi)，并距離套管端部不應(yīng)小于150mm。套管應(yīng)高出樓板、屋頂面50mm。管道穿過屋頂時(shí)應(yīng)設(shè)防雨罩。管道不應(yīng)穿過防火墻或防爆墻[1]。

1.2 液壓排放管道的布置

（1）直接向大氣排放的非可燃?xì)怏w放空管的高度應(yīng)符合下列規(guī)定:

1）設(shè)備或管道上的放空管口應(yīng)高出鄰近的操作平臺(tái)2.2m以上；2）緊靠建筑物、構(gòu)筑物或其內(nèi)部布置的設(shè)備或管道的放空口，應(yīng)高出建筑物或構(gòu)筑物頂2.2m以上。

（2）受工藝條件或介質(zhì)特性所限，無法排入火炬或裝置處理排放系統(tǒng)的可燃?xì)怏w，當(dāng)通過排氣筒、放空管直接向大氣排放時(shí)，排氣筒、放空管的高度應(yīng)符合下列規(guī)定:a)連續(xù)排放的排氣筒頂或放空管口應(yīng)高出20m范圍內(nèi)的操作平臺(tái)或建筑物頂3.5m以上，位于20m以外的操作平臺(tái)或建筑物，應(yīng)符合圖1的要求;b)間歇排放的排氣筒頂或放空管口應(yīng)高出10m范圍內(nèi)的操作平臺(tái)或建筑物頂3.5m以上，位于10m以外的操作平臺(tái)或建筑物。

（3）設(shè)備上開停工用放空管可就地向大氣排放，放空管的高度應(yīng)高出操作平臺(tái)2.2m上。放空口不得朝向鄰近設(shè)備或有人通過的地方。

（4）設(shè)備和管道上的可燃?xì)怏w安全泄壓裝置允許向大氣排放時(shí)，應(yīng)符合下列要求:

1）排放管口不得朝向鄰近設(shè)備或有人通過的地方；2）排放管口的高度應(yīng)高出以安全泄壓裝置為中心，半徑為8m范圍內(nèi)的操作平臺(tái)或建筑物頂3m以上。

1.3 取樣布置

氣體管道取樣和液體管道取樣遵循的共同點(diǎn)是取樣閥都應(yīng)在便于操作的地方，設(shè)備或管道與取樣閥之間的管段長(zhǎng)度應(yīng)最短。其中取樣管的布置有如下注意事項(xiàng)。

1.3.1 氣體管道上取樣口的布置

1)水平管道上的取樣口應(yīng)設(shè)在管道的頂部；2）在垂直管道上，當(dāng)介質(zhì)自下而上流動(dòng)時(shí)取樣口應(yīng)設(shè)在管道的側(cè)面向上傾斜45°，當(dāng)介質(zhì)自上而下流動(dòng)時(shí)取樣口應(yīng)設(shè)在管道的側(cè)面；3)含有固體顆粒的氣體管道上的取樣口應(yīng)設(shè)在垂直管道上，并將取樣管伸人管道的中心。

1.3.2 液體管道上取樣口的布置

1）壓力輸送的水平管道上的取樣口宜設(shè)在管道的頂部或側(cè)面;含有固體介質(zhì)的液體管道的取樣口應(yīng)設(shè)在管道的側(cè)面，自流水平管道上的取樣口應(yīng)設(shè)在管道底部；2）垂直管道上的取樣口應(yīng)設(shè)在介質(zhì)自下而上流動(dòng)管道的側(cè)面。介質(zhì)自上而下流動(dòng)時(shí)，除能保證液體充滿取樣管外，不應(yīng)設(shè)置取樣點(diǎn)。此外極度、高度危害的介質(zhì)、甲類可燃?xì)怏w、液化烴等應(yīng)采取密閉循環(huán)取樣方式取樣。

2 石油化工裝置工藝管道設(shè)計(jì)需要考慮的問題

石油化工設(shè)備管道規(guī)劃應(yīng)考慮的相關(guān)問題有：首先，安全合理的工藝路線規(guī)劃。管道工藝路線的確定在整個(gè)石化安裝過程中起著至關(guān)重要的作用，工藝路線的質(zhì)量直接影響到后續(xù)的工藝設(shè)計(jì)。因此，應(yīng)優(yōu)先考慮工藝路線的安全設(shè)計(jì)。使用更少的污染物和材料：在設(shè)計(jì)過程中，重要的是盡量減少對(duì)化工廠構(gòu)成危險(xiǎn)的危險(xiǎn)環(huán)境，從而減少事故。為了避免復(fù)雜的操作，應(yīng)盡可能簡(jiǎn)化工藝設(shè)計(jì)過程，并在設(shè)計(jì)階段使用一些輔助材料，以減少工藝中的困難條件[2]。第二，引入安全程序。工藝可靠性直接關(guān)系到石化裝置的整體質(zhì)量。管道技術(shù)應(yīng)充分考慮所用材料的易燃性和防爆性能，并采取防火防爆措施；應(yīng)建立適當(dāng)?shù)木瘓?bào)參數(shù)，以預(yù)測(cè)潛在風(fēng)險(xiǎn)并及時(shí)做出反應(yīng)，防止事故升級(jí)。由于石化行業(yè)的獨(dú)特性，項(xiàng)目建設(shè)周期通常較短。最后，如果設(shè)計(jì)師缺乏創(chuàng)新意識(shí)，在設(shè)計(jì)中做常規(guī)工作，缺乏積極思考的能力，在實(shí)踐中不了解項(xiàng)目，忽視參數(shù)設(shè)計(jì)，這將不可避免地導(dǎo)致管道質(zhì)量問題，甚至技術(shù)事故[3]。

3 石油化工裝置工藝管道設(shè)計(jì)相關(guān)影響因素分析

3.1 管道腐蝕

在石油化工行業(yè)，管道設(shè)備承擔(dān)著輸送各種酸基化學(xué)原料和能源的任務(wù)，這些原料和能源會(huì)對(duì)管道造成一定的腐蝕破壞。工人的不當(dāng)操作，如研磨和切割高硬度材料，會(huì)對(duì)管道造成一定的損壞。此外，管道生產(chǎn)中的材料缺陷往往導(dǎo)致對(duì)各種腐蝕和破壞行為的反應(yīng)不足，導(dǎo)致管道損壞，降低運(yùn)行安全性。

3.2 管道應(yīng)力

由于石油化工廠的復(fù)雜性，管道系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)因外部條件和材料缺陷而遭受“應(yīng)力損傷”。例如，低溫脆性斷裂是指管道在低于管道材料脆性轉(zhuǎn)變溫度的低溫位置的工作溫度。隨著時(shí)間的推移，管道的粘度會(huì)降低，管道的這一部分會(huì)脆斷。例如，經(jīng)過焊接等機(jī)械加工后，管道主體結(jié)構(gòu)存在殘余應(yīng)力，會(huì)影響管道安全。金屬材料通常容易因環(huán)境變化而損壞，并容易疲勞、變形和斷裂。這種情況還會(huì)破壞管道的內(nèi)部環(huán)境，這具有很高的風(fēng)險(xiǎn)，并損害管道的安全[4]。

4 石油化工裝置工藝管道設(shè)計(jì)的合理性思路探索

4.1 合理進(jìn)行管道分界

在設(shè)計(jì)工藝管道時(shí)，必須根據(jù)管道的重要性對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行拆解。在某些情況下，這項(xiàng)工作應(yīng)從管道環(huán)境的角度進(jìn)行。在特殊分析中，第一步是研究管道中的壓力配置。這些工藝管道有兩種類型的壓力：高壓和低壓。由于不同的載體介質(zhì)，不允許連接或連接它們，并且應(yīng)考慮管道中中間輸送過程所需的壓力。其次，有邊界和邊界配置。不同的管道在總體布局方面需要不同的管道規(guī)劃和布局方法。為了降低系統(tǒng)后期設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和施工現(xiàn)場(chǎng)的停車要求確定幾個(gè)邊界點(diǎn)和邊界。在分析項(xiàng)目可行性的過程中，有必要了解這些信息的科學(xué)性，并識(shí)別管道安裝過程中管道施工是否存在矛盾。最后，在選擇管道材料時(shí)，有必要分析管道載體和管道材料之間的兼容性，以及連接法蘭和管道材料的設(shè)備之間的兼容性。此外，還應(yīng)調(diào)查不同管道支架和管道之間的材料兼容性。如果確定載體材料與管道材料不兼容，則必須選擇另一種管道或載體材料。

4.2 與工藝管道設(shè)計(jì)有關(guān)的其他因素

4.2.1 環(huán)境因素

1）管道中的氣體或蒸汽，由于環(huán)境溫度降低可能造成壓力下降以致產(chǎn)生真空時(shí)，管道應(yīng)能承受在低溫下的外部壓力或采取防止產(chǎn)生真空的措施。2）管道中的介質(zhì)由于環(huán)境溫度的升高可能膨脹或汽化造成內(nèi)壓升高時(shí)，應(yīng)使管道能承受升高后的壓力，或采取管道隔熱或安全泄壓等措施。3）當(dāng)管道溫度低于0℃時(shí)，應(yīng)防止切斷閥、 控制閥、泄壓排放裝置或其他管道組成件的活動(dòng)部件因霜凍而影響正常動(dòng)作，一般宜采取隔熱或伴熱等措施。

4.2.2 熱應(yīng)力的影響

由于管道受到各種支承的約束或固定；由于管壁上溫度的急劇變化而產(chǎn)生的溫度梯度；或因兩種不同材料所組成復(fù)合或襯里管道的基層與復(fù)層的熱脹性能不同，以及夾套管因內(nèi)外管溫度差等而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，應(yīng)按《石油化工企業(yè)管道柔性設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH 3041-1991)進(jìn)行應(yīng)力分析并應(yīng)符合GB 50316的要要求。以防過大的應(yīng)力引起管道或支架的破壞。

4.3 安全閥和合理設(shè)計(jì)

安全閥越來越多地用于現(xiàn)代石油化工廠項(xiàng)目。因此，安全閥的正確合理配置和安裝對(duì)確保系統(tǒng)安全至關(guān)重要。作者通過研究得出結(jié)論：（1）在設(shè)備或管道上安裝安全閥時(shí)，應(yīng)盡可能靠近設(shè)備和管道垂直安裝。（2）隨著時(shí)間的推移，固體和液體會(huì)積聚在水平管道的死角中，因此避免在這些死角中使用安全閥是很重要的。（3）安裝安全閥時(shí)，在今后的工作中還應(yīng)考慮安全閥和管道的維護(hù)和調(diào)整，并預(yù)留足夠的工作空間。（4）由于大直徑安全閥的重量較大，在配置時(shí)應(yīng)在拆卸后考慮閥門的承載能力。如有必要，應(yīng)安裝懸架。（5）安全閥的出口處不應(yīng)有阻力，以避免產(chǎn)生壓力。（6）應(yīng)在安裝安全閥之前進(jìn)行特定的測(cè)試和泄漏測(cè)試。（7）應(yīng)定期檢查使用的安全閥。

4.4 冷換設(shè)備管道的合理設(shè)計(jì)

在規(guī)劃石油化工廠的工藝管道時(shí)，制冷設(shè)備管道的合理布局與其他任何工藝設(shè)備完全不同，因?yàn)樗哂蟹浅?fù)雜的工藝因素。因此，應(yīng)詳細(xì)研究與管道運(yùn)行、維護(hù)和熱應(yīng)力相關(guān)的這些機(jī)械因素。（1）逆流傳熱。冷水通常從底部向頂部流動(dòng)。因此，如果換熱器有缺陷，就會(huì)有一定量的水來防止里面的水被清潔干凈。（2）凈安裝距離。在制冷和換熱設(shè)備中，通常在換熱器輸入和輸出處的管道法蘭和閥門法蘭與設(shè)備蓋板的法蘭之間保持合理的凈距離，以便于檢測(cè)。一般間隙約為310mm，便于拆裝。（3）關(guān)于熱應(yīng)力。如果冷卻裝置配置合理，換熱器的固定點(diǎn)通常安裝在管箱的末端，連接頭端頭的管道也必須充分考慮熱膨脹引起的位移效應(yīng)，以確保熱交換器熱應(yīng)力不會(huì)對(duì)管道使用造成影響。

4.5 塔器的管道合理設(shè)計(jì)

由于塔器的性質(zhì)，焊接連接管時(shí)無需在塔頭下方安裝平臺(tái)，但無需安裝閥門、儀表、更換接頭等結(jié)構(gòu)管道，其必須在與其連接的管道中進(jìn)行操作或維修。大多數(shù)塔噴嘴通過法蘭與管道、閥門、儀表等相連。在噴嘴下方合理高度連接并安裝平臺(tái)，便于操作和維護(hù)；從塔孔的位置來看，它們分布在塔的頂部、側(cè)面和底部，從而使所需的平臺(tái)分布在塔頂、側(cè)面和塔的底部。塔架的打開位置可以以360°仰角放置在塔架周圍的任何位置。但根據(jù)技術(shù)和儀器的專業(yè)要求，以及塔架、平臺(tái)、樓梯、閥門和儀器的布局，并基于上述第一原則，考慮到所有設(shè)備的整體布局，范圍很小。

（1）維修孔用于塔架內(nèi)的組裝、檢查和維護(hù)。從水平角度來看，維修孔應(yīng)位于面向維修區(qū)域的操作員一側(cè)，其位置應(yīng)允許操作員安全進(jìn)出，而不影響設(shè)備操作。為了便于在塔內(nèi)起吊，檢修孔應(yīng)在塔尖的工作區(qū)域內(nèi)。如果幾個(gè)塔架配備一個(gè)通用平臺(tái)，通常需要調(diào)整平臺(tái)的高度以適應(yīng)維修的工作。

（2）通常分餾塔側(cè)線至汽提進(jìn)料如有調(diào)節(jié)閥應(yīng)靠近汽提塔安裝，以保證調(diào)節(jié)閥前有足夠高度的液柱。

（3）塔底抽出線至塔底泵的管道應(yīng)“步步低”不得出現(xiàn)袋形以免塔底泵產(chǎn)生汽蝕。

（4）儀表開口。液面計(jì)和液面調(diào)節(jié)器的開口：應(yīng)布置在便于監(jiān)視、檢查的位置，其液面應(yīng)不受流入液體沖擊的影響。實(shí)際上也受到下列條件的限制:a.液面調(diào)節(jié)變送器應(yīng)設(shè)在平臺(tái)或梯子上操作方便的地方，站在梯子上操作的液位調(diào)節(jié)器和液位計(jì)宜安裝在梯子的右側(cè)；b.液位調(diào)節(jié)器最適宜的位置，是在檢查液位調(diào)節(jié)器時(shí)可以看到液面計(jì)的地方；并應(yīng)考慮由于液相進(jìn)料影響液位波動(dòng)。當(dāng)塔內(nèi)設(shè)置的擋板不能避免液位波動(dòng)時(shí)，應(yīng)與設(shè)備專業(yè)協(xié)商解決；c.液位計(jì)的方位取決于受液槽與重沸器返回口之間的關(guān)系。

（5）人孔。塔的人孔應(yīng)設(shè)在塔的操作側(cè)，一般應(yīng)設(shè)在塔板上方的鼓泡區(qū)，不得設(shè)在降液管上或降液管口的上方；每3～8層塔板布置一個(gè)人孔；人孔中心距平臺(tái)面高可為600mm至1200mm之間，最適宜的高度為800mm。一座塔的人孔宜布置在同一垂線上。

4.6 泵的管道合理設(shè)計(jì)

泵管道設(shè)計(jì)主要包括泵入口處偏心直徑的管道設(shè)計(jì)、泵入口處直管路設(shè)計(jì)和管道柔性研究。（1）泵入口處偏心直徑管道的設(shè)計(jì)。泵進(jìn)口偏心管的合理設(shè)計(jì)主要是為了保證泵的正常運(yùn)行。當(dāng)泵入口的偏心直徑發(fā)生變化時(shí)，氣體不會(huì)積聚在直徑發(fā)生變化的區(qū)域，從而導(dǎo)致氣體現(xiàn)象。因此，在泵入口處安裝偏心直徑時(shí)，應(yīng)使用上層的安裝方法，排氣閥應(yīng)安裝在最低點(diǎn)，以避免出現(xiàn)間隙。（2）泵入口直管段的設(shè)計(jì)。泵入口管的設(shè)計(jì)通?？紤]兩個(gè)因素：首先，泵入口應(yīng)在一側(cè)，泵入口管支架應(yīng)可調(diào)節(jié)，入口管和閥門應(yīng)在泵的前部。其次，必須避免泵入口管線中的空氣阻力，因此設(shè)計(jì)必須考慮到這一點(diǎn)。（3）柔性管道。由于泵的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，按壓油管會(huì)導(dǎo)致油管頭錯(cuò)位。有鑒于此，管道設(shè)計(jì)必須確保泵噴嘴上的壓力在允許范圍內(nèi)，尤其是在熱補(bǔ)償方面[7]。

5 結(jié)束語

影響石油化工管道設(shè)計(jì)過程的因素很多。石油化工管道作為石油化工廠物料運(yùn)輸?shù)膶Ｓ迷O(shè)備，其作用不容小覷。管道的類型也因用途和操作條件而異。良好的管道設(shè)計(jì)不僅包括管道布置、應(yīng)力分析、懸掛選擇，還包括現(xiàn)場(chǎng)施工支持、材料采購(gòu)等諸多方面。因此，石油化工廠工藝管道的設(shè)計(jì)要求應(yīng)基于一般技術(shù)要求、相關(guān)設(shè)計(jì)原則和原則。本文簡(jiǎn)要介紹了其一小部分工藝管道的設(shè)計(jì)原則和維護(hù)要點(diǎn)，可作為管道設(shè)計(jì)的依據(jù)。