化工工藝設(shè)計(jì)常見問(wèn)題綜述及建議

葛仁祥

（上海索維建設(shè)工程有限公司，上海 200070）

1 前言

對(duì)于化工工藝設(shè)計(jì)初學(xué)者來(lái)說(shuō)，總會(huì)遇到一些基本問(wèn)題，比如說(shuō)管道設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力如何確定，筆者發(fā)現(xiàn)一些初學(xué)者根據(jù)已知的工作溫度和工作壓力很隨意地確定設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力，過(guò)小會(huì)造成安全隱患，導(dǎo)致事故，過(guò)大則會(huì)造成材料浪費(fèi)。下面就針對(duì)化工工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中的一些常見問(wèn)題分別闡述。

2 管道設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度的確定

2.1 管道設(shè)計(jì)壓力

管道設(shè)計(jì)壓力是指工作條件下，管系中可能遇到的工作壓力和工作溫度組合中最苛刻條件下的壓力。

（1）管道設(shè)計(jì)壓力的確定原則：

① 管道設(shè)計(jì)壓力不低于最大工作壓力。

② 裝有安全泄放裝置的管道其設(shè)計(jì)壓力不得低于安全泄放裝置的開啟壓力（或爆破壓力）。

③ 所有與設(shè)備相連接的管道，其設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不小于所連接設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力。

④ 輸送制冷劑、液化氣等沸點(diǎn)低的介質(zhì)的管道，應(yīng)按閥關(guān)閉或介質(zhì)不流動(dòng)時(shí)介質(zhì)可能達(dá)到的最大飽和蒸汽壓力作為設(shè)計(jì)壓力。

⑤ 離心泵出口管道的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不小于泵的關(guān)閉壓力。

⑥ 往復(fù)泵出口管道的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不小于泵出口安全泄放裝置的設(shè)定壓力。

⑦ 壓縮機(jī)排出管道的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)不小于安全泄放裝置的設(shè)定壓力和壓縮機(jī)出口至安全泄放裝置之間最大流量下的壓降之和。

⑧ 裝有安全控制裝置的真空管道設(shè)計(jì)壓力取最大壓差的1.25倍或0.1 MPa的較小值，并按外壓條件進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)于沒(méi)有安全控制裝置的真空管道，設(shè)計(jì)壓力取0.1 MPa。

下表是國(guó)內(nèi)某大型工程公司管道設(shè)計(jì)壓力規(guī)定，供參考學(xué)習(xí)。

表1 一般情況下管道設(shè)計(jì)壓力規(guī)定

2.2 管道設(shè)計(jì)溫度

管道設(shè)計(jì)溫度是指工作條件下，在相應(yīng)設(shè)計(jì)壓力下管道可能達(dá)到的材料溫度。

工藝專業(yè)通常按正常操作溫度加上一定裕量作為設(shè)計(jì)溫度。

（1）流體正常操作溫度≤300℃時(shí)，裕量不小于30℃。

（2）流體正常操作溫度>300℃時(shí)，裕量不小于15℃。

（3）流體溫度低于0℃時(shí)，設(shè)計(jì)溫度等于流體最低溫度。

（4）室外管道應(yīng)按當(dāng)?shù)囟窘^對(duì)最低氣溫。

下表是國(guó)內(nèi)某大型工程公司管道設(shè)計(jì)溫度規(guī)定，供參考學(xué)習(xí)。

表2 一般情況下管道設(shè)計(jì)溫度規(guī)定

3 管徑選擇

（1）當(dāng)按預(yù)定介質(zhì)流速來(lái)確定管徑時(shí)，采用下式初選管徑：

或

式中：d — 管道內(nèi)徑；mm；

W — 管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/h；

V0— 管內(nèi)介質(zhì)的體積流量，m3/h；

ρ — 介質(zhì)在工作條件下的密度，kg/m3；

u — 介質(zhì)在管內(nèi)的平均流速，m/s。

（2）當(dāng)按每100 m計(jì)算管長(zhǎng)的壓降控制值（ΔPf100）來(lái)選擇管徑時(shí)，采用下式初定管徑：

或

式中：μ—介質(zhì)的動(dòng)力粘度；Pa?S；

ΔPf100—100 m計(jì)算管長(zhǎng)的壓力降控制值，kPa。

4 管道材料選擇

管道材料選擇要求設(shè)計(jì)人員必須靈活運(yùn)用工程學(xué)、材料學(xué)、腐蝕學(xué)等方面的知識(shí)定性定量綜合判斷。

管道材料選擇通常根據(jù)介質(zhì)的特性（腐蝕性、毒性、燃燒性等）和操作條件（溫度、壓力等），按照既適用又經(jīng)濟(jì)的原則來(lái)考慮。

常用材料有鑄鐵（灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵）、普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、低合金鋼、高合金鋼、特種合金鋼等。

常用金屬材料的使用溫度見表3。

表3 常用金屬材料的使用溫度

管道材料選擇的注意事項(xiàng)：

（1）鑄鐵（灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵）、碳素結(jié)構(gòu)鋼不得應(yīng)用于GC1級(jí)壓力管道。

（2）GC1級(jí)壓力管道應(yīng)使用無(wú)縫鋼管。

（3）輸送有毒、可燃介質(zhì)的管道優(yōu)先選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼，即使規(guī)范允許使用碳素結(jié)構(gòu)鋼也要盡量少用，最好不用。

（4）碳素鋼、碳錳鋼和錳礬鋼最高工作溫度不得高于425℃，否則碳化物有石墨化的可能性。

（5）金屬材料應(yīng)避免材料-腐蝕組合環(huán)境。

5 阻火器

5.1 阻火器定義

阻火器是一種允許流體通過(guò)，又能阻止火焰?zhèn)鞑ズ吐拥陌踩雷o(hù)設(shè)備。

5.2 阻火器分類

（1）按性能分類，分為阻爆燃型阻火器和阻爆轟型阻火器；

（2）按使用場(chǎng)所分類，分為放空阻火器和管道阻火器；

（3）按結(jié)構(gòu)分類，分為充填型、板型、金屬網(wǎng)型、液封型、波紋型等。

5.3 阻火器設(shè)置

以下管道系統(tǒng)的指定位置應(yīng)設(shè)置管道阻火器：

（1） 輸送有可能產(chǎn)生爆燃或者爆轟的混合氣體管道；

（2） 輸送能自行分解導(dǎo)致爆炸并且引起火焰蔓延的氣體管道；

（3） 與明火設(shè)備連接的可燃?xì)怏w減壓后的管道（特殊情況可設(shè)置水封裝置）；

（4） 進(jìn)入火炬頭的排放氣管道。

5.4 阻火器選用

阻火器的選用步驟：

（1）根據(jù)使用場(chǎng)所決定采用放空阻火器還是管道阻火器。

（2）根據(jù)阻火器設(shè)置的位置和潛在點(diǎn)火源的方向，確定采用雙向型阻火器還是單向型阻火器。

敦煌文獻(xiàn)出自于莫高窟，大部分為東晉至北宋初年的寫本，也包含少量的刻印本。寫本以漢文為主，也有以古代少數(shù)民族文字和西域文字如吐蕃文、回鶻文、于闐文、龜茲文、梵文等寫成的文本。因此敦煌文獻(xiàn)除了具有極高的史料價(jià)值外，還具有極為豐富的語(yǔ)言學(xué)價(jià)值。

（3）根據(jù)工藝氣體或蒸汽的爆炸分級(jí)MESG值選用阻火器，選用阻火元件的允許間隙應(yīng)小于工藝氣或蒸汽的MESG值。

（4）根據(jù)阻火器入口處的火焰?zhèn)鞑ニ俣却_定選用阻爆燃型還是阻爆轟型的阻火器。如果火焰蔓延以亞音速傳播，則選用阻爆燃型；如果火焰蔓延以音速或超音速傳播，則選擇阻爆轟型。

（5）允許壓力降的校核。

（6）考慮阻火器設(shè)置的位置和相關(guān)管道尺寸和布置對(duì)阻火器性能的影響。例如：阻爆燃型阻火器至著火源的距離一般不能超過(guò)50倍管徑，否則可能發(fā)展為爆轟，阻火器失效。

（7）不推薦2個(gè)或更多阻火器串聯(lián)安裝。

6 安全閥

6.1 安全閥定義

安全閥是由彈簧作用或由導(dǎo)閥控制的閥門，當(dāng)入口處?kù)o壓超過(guò)設(shè)定壓力時(shí)，閥瓣上升以泄放被保護(hù)系統(tǒng)的超壓，當(dāng)壓力降至回座壓力時(shí)，可自動(dòng)關(guān)閉的安全泄放裝置。

6.2 安全閥分類

（1）按GB/T 12241《安全閥 一般要求》分類：

① 直接荷載式

③ 帶補(bǔ)充載荷式

④ 先導(dǎo)式

（2）按閥片開啟高度分類：

① 全啟式

② 微啟式

（3）按結(jié)構(gòu)不同分類：

① 封閉和不封閉彈簧式

② 帶扳手和不帶扳手

③ 帶散熱片和不帶散熱片

④ 平衡式和非平衡式

（4）按平衡內(nèi)壓的方式分類：

① 彈簧式

② 杠桿式

③ 先導(dǎo)式

6.3 安全泄放裝置（安全閥、爆破片裝置）設(shè)置場(chǎng)所

（1）設(shè)計(jì)壓力小于外部壓力源的壓力，出口可能被關(guān)斷或堵塞的設(shè)備和管道系統(tǒng)；

（2）出口可能被關(guān)斷的容積式泵和壓縮機(jī)的出口管道；

（3）因冷卻水或回流中斷，或再沸器輸入熱量過(guò)多而引起超壓的蒸餾塔頂?shù)臍庀喙艿溃?/p>

（4）因不凝氣體積聚產(chǎn)生超壓的設(shè)備和管道系統(tǒng)；

（5）加熱爐出口管道中切斷閥或調(diào)節(jié)閥的上游管道；

（6）因兩端切斷閥關(guān)閉，受環(huán)境溫度、陽(yáng)光照射或伴熱影響面產(chǎn)生熱膨脹或汽化的管道系統(tǒng)；

（7）放熱反應(yīng)可能失控的反應(yīng)器出口處切斷閥上游的管道系統(tǒng)；

（8）凝汽式汽輪機(jī)的蒸汽管道出口；

（9）蒸汽發(fā)生器等產(chǎn)汽設(shè)備的出口管道；

（10）低沸點(diǎn)液體（液化氣等）容器的出口管道；

（11）管程可能破裂的熱交換器低壓側(cè)的出口管道；

（12）減壓閥組的低壓側(cè)管道；

（13）設(shè)計(jì)者認(rèn)為可能產(chǎn)生超壓的其他部位。

6.4 安全閥型式選擇

在選用安全閥時(shí)，除確定公稱壓力、溫度－壓力、彈簧工作壓力等級(jí)和公稱通徑外，其次，還應(yīng)根據(jù)工況介質(zhì)選擇合適的安全閥結(jié)構(gòu)型式以及閥體和主要內(nèi)件的材質(zhì)。

（1）安全閥型式選擇的基本原則

① 排放氣體或蒸汽時(shí)，選用全啟式安全閥。

② 排放液體時(shí)，選用全啟式或微啟式安全閥。

③ 排放水蒸汽或空氣時(shí)，可選用帶扳手的安全閥。

④ 對(duì)于設(shè)定壓力大于3.0 MP，溫度超過(guò)235℃的氣體用安全閥，則應(yīng)該考慮選用帶散熱片的安全閥，以防止泄放介質(zhì)直接沖蝕彈簧。

⑤ 排放介質(zhì)允許泄漏至大氣時(shí)，選用開放式閥帽的安全閥，不允許泄漏至大氣的，選擇封閉式安全閥。

⑥ 排放有劇毒、有強(qiáng)腐蝕性、有極度危險(xiǎn)的介質(zhì)，應(yīng)選用波紋管安全閥。

⑦ 高背壓的場(chǎng)合，選用背壓平衡式安全閥或先導(dǎo)式安全閥。

⑧ 在某些重要的場(chǎng)合，有時(shí)要安裝互為備用的兩個(gè)安全閥。兩個(gè)安全閥的進(jìn)口和出口切斷閥宜采用機(jī)械聯(lián)鎖裝置，以確保在任何時(shí)候（包括維修、檢修期間）都能滿足容器所要求的泄放面積。

6.5 安全閥選型計(jì)算

安全閥選型計(jì)算涉及到三個(gè)重要參數(shù)：安全閥設(shè)定壓力、安全泄放量、最小泄放面積，只有這三個(gè)參數(shù)確定了才能確定安全閥的型號(hào)。

6.5.1 安全閥設(shè)定壓力

（1）對(duì)于獨(dú)立壓力系統(tǒng)中管道上的安全泄放裝置，相關(guān)壓力的確定應(yīng)以系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力為基準(zhǔn)，且符合以下規(guī)定。

① 當(dāng)安裝一個(gè)安全泄放裝置時(shí)，安全閥的設(shè)定壓力(或爆破片裝置最大標(biāo)定爆破壓力)應(yīng)不大于系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力，且最大泄放壓力應(yīng)不大于系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力的10%和20 kPa 中的較大者。

② 當(dāng)安裝多個(gè)安全泄放裝置時(shí)，至少有一個(gè)安全閥的設(shè)定壓力(或爆破片裝置最大標(biāo)定爆破壓力)應(yīng)不大于系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力，其余安全閥設(shè)定壓力(或爆破片裝置最大標(biāo)定爆破壓力)不得超過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力的5%，且安全閥最大泄放壓力均應(yīng)不大于系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力的12%或30 kPa 中的較大者。

③ 為防止火災(zāi)事故發(fā)生而安裝的安全泄放裝置，且最大泄放壓力應(yīng)不大于系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力的16%。

（2）對(duì)于防止液體管道熱膨脹的安全泄放裝置，安全閥設(shè)定壓力(或爆破片裝置最大標(biāo)定爆破壓力)應(yīng)不大于管道設(shè)計(jì)壓力的120%和系統(tǒng)試驗(yàn)壓力中的較小值，且最大泄放壓力應(yīng)不超過(guò)相應(yīng)溫度下管道壓力額定值的20%或由壓力產(chǎn)生的管道名義應(yīng)力不超過(guò)材料許用應(yīng)力值的20%。

6.5.2 安全泄放量

安全泄放量應(yīng)按以下規(guī)定確定：

（1）應(yīng)根據(jù)物料平衡和能量平衡，計(jì)算各種超壓工況的安全泄放量。

（2）若系統(tǒng)的某個(gè)部位有幾種超壓工況，則應(yīng)分別計(jì)算每種超壓工況的安全泄放量，并取其中的最大值為該部位的安全泄放量。

（3）安全泄放量的計(jì)算應(yīng)符合GB/T 20801.6— 2006附錄A 的規(guī)定，附錄A中未規(guī)定的其他超壓工況的安全泄放量計(jì)算，可參照SY/T 1004：3—2002、SY/T 1004.4—2002和HG/T 20570.2—95的相應(yīng)規(guī)定。

6.5.3 最小泄放面積

最小泄放面積應(yīng)按以下規(guī)定確定：

（1）根據(jù)安全泄放量、最大泄放壓力、泄放流體溫度、額定泄放系數(shù)以及流體的物理性質(zhì)，計(jì)算最小泄放面積。

（2）安全閥和爆破片裝置的最小泄放面積應(yīng)按GB/T 20801.6—2006附錄A 的規(guī)定計(jì)算。

（3）選用的安全泄放裝置的實(shí)際泄放面積應(yīng)不小于最小泄放面積。

6.5.4 安全閥型號(hào)確定

根據(jù)最小泄放面積可求出流道直徑do，查表4，可確定安全閥公稱通徑DN，查表5，可確定安全閥型號(hào)。

表4 安全閥公稱通徑DN與流道直徑do對(duì)應(yīng)關(guān)系表（單位：mm)

表5 某閥門廠安全閥型號(hào)一覽表

參考資料：

[1] HG/T 20570.1-95 《工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定-設(shè)備和管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度的確定》.

[2] HG/T 20570.2-95 《工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定-安全閥的設(shè)置和選用》.

[3] HG/T 20570.6-95 《工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定-管徑選擇》.

[4] HG/T 20570.19-95 《工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定-阻火器的設(shè)置》.

[5] TSG D0001-2009 《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程-工業(yè)管道》.

[6] GB/T 12241-2005 《安全閥 一般要求》.

[7] GB/T 20801-2006 《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》.