化工裝置設(shè)備及管道防凍設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

段中華張洪偉 中國五環(huán)工程有限公司 武漢430223

北方的寒冷地區(qū)，合理的管道防凍設(shè)計(jì)對(duì)于化工裝置的正常運(yùn)行尤為重要。由于管道防凍設(shè)計(jì)失誤而造成系統(tǒng)或裝置停車的案例時(shí)有發(fā)生，由此帶來的后果輕者停車檢修、整改、疏通，重者管道、管件以及設(shè)備凍壞，進(jìn)而給生產(chǎn)帶來重大的經(jīng)濟(jì)損失，這種由小小的防凍問題而引起的重大生產(chǎn)事故是應(yīng)該避免發(fā)生的。

下面，筆者從幾個(gè)方面來分析和論述化工裝置管道防凍設(shè)計(jì)需要注意的問題。

1 設(shè)備布置

在北方寒冷地區(qū)，化工裝置中合理的設(shè)備布置尤為重要，在國家現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范的許可下，從管道防凍設(shè)計(jì)出發(fā)，有針對(duì)性地對(duì)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化布置，可降低化工裝置中管道的防凍設(shè)計(jì)難度。

1.1 利用框架封閉布置

對(duì)于裝置框架內(nèi)EL0.000層布置的設(shè)備，可利用框架第一層的局部空間，在方便檢修的前提下將泵及轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備集中封閉布置，分為以下三種情況進(jìn)行考慮。

(1)工藝介質(zhì)為比空氣輕的易燃、易爆的介質(zhì)(氣體)，其泵房內(nèi)可開水溝(收集泵房內(nèi)地表面沖洗污水用)，溝與泵房外的污水收集井相連(溝在泵房外是封閉的，有防凍功能)。

(2)工藝介質(zhì)為比空氣重的易燃、易爆的介質(zhì)(氣體)，其泵房內(nèi)則不能開溝。此時(shí)，可利用土建的自然坡度坡向泵房內(nèi)一側(cè)，在低點(diǎn)設(shè)一處或多處帶水封的地漏(室內(nèi))，用來收集泵房內(nèi)的地表面沖洗污水，地漏管線與泵房外污水收集井相連。

(3)工藝介質(zhì)為易燃、易爆的液體介質(zhì)，其泵房內(nèi)也不能開溝。此類情況可采取防火隔離(分區(qū))、單獨(dú)布置、增加圍堰、監(jiān)控和安全連鎖等措施來解決。

以上三種方式都能較好地解決設(shè)備的防凍問題，同時(shí)也可將泵所需的冷卻水管道引入泵房內(nèi)，這樣冷卻水管道的防凍問題也得到較好的解決。

1.2 利用管廊封閉布置

對(duì)于露天布置的設(shè)備，可利用裝置管廊或全廠管廊下方的空間將泵及轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備集中封閉布置。其布置方式、措施及優(yōu)勢(shì)同1.1條所述。

1.3 半封閉布置

框架中的設(shè)備防凍，可采用半封閉的設(shè)備布置方式(將冬季的主導(dǎo)風(fēng)向側(cè)封閉)，從而實(shí)現(xiàn)半封閉布置的防凍設(shè)計(jì)。

1.4 蒸汽冷凝液回收系統(tǒng)的布置

蒸汽冷凝液回收系統(tǒng)應(yīng)布置在盡可能低的地方，便于蒸汽冷凝液的回收與利用。

2 管道布置

2.1 蒸汽及冷凝液管道的防凍設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)蒸汽冷凝液回收總管宜坡向冷凝液回收設(shè)備，管道設(shè)計(jì)盡量減少“液袋”的出現(xiàn)。

(2)冷凝液回收總管高度的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮疏水器的“背壓率”問題是否能夠滿足要求。

(3)疏水器組不宜設(shè)旁路，見圖1。

(4)疏水器組應(yīng)設(shè)置可檢測疏水器是否工作的檢測閥(布置在疏水閥的下游)，見圖1。

圖1 疏水器組示意圖

(5)疏水器及其前后切斷閥宜采用法蘭連接面形式，見圖1。

2.2 放空與導(dǎo)淋管道的防凍設(shè)計(jì)要點(diǎn)

北方寒冷地區(qū)化工裝置開車實(shí)例表明，包括蒸汽管在內(nèi)的易凍介質(zhì)管線上的導(dǎo)淋閥均出現(xiàn)過凍結(jié)或者凍壞的現(xiàn)象。因此，在設(shè)計(jì)和施工中，一定要保證易凍介質(zhì)管道上的放空與導(dǎo)淋用切斷閥門距離主管盡量近，一般而言，切斷閥前的短管長度不宜超過100mm。對(duì)于承插焊閥門來說，兩道焊縫之間的長度取值50mm是可行的，見圖2。對(duì)于法蘭閥門來講，其配對(duì)法蘭最好為對(duì)焊法蘭，這樣可以做到配對(duì)法蘭與主管根部補(bǔ)強(qiáng)件之間直接焊接，保證兩者之間距離最短，見圖3。

圖2 有短管的導(dǎo)淋示意圖

圖3 無短管的導(dǎo)淋示意圖

2.3 循環(huán)冷卻水的防凍設(shè)計(jì)要點(diǎn)

(1)循環(huán)冷卻水總管的防凍措施一般采用在上水管和回水管的末端設(shè)連通管的形式，連通管距總管末端(盲板)最近，見圖4。連通管自身的防凍可用伴熱管來解決，或用微開閥門的方式，保持管道內(nèi)小流量常流水以達(dá)到防凍的目的。

(2)循環(huán)冷卻水總管在無法加連通管的部位，可利用支管靠近總管末端(盲板)連接，盡量消除死角，防止管道端部凍結(jié)，見圖5。

圖4 上水與回水連通管示意圖

圖5 支管與主管連接示意圖

2.4 公用物料站的新鮮水及蒸汽的防凍設(shè)計(jì)要點(diǎn)

凡是有易燃、易爆工藝介質(zhì)存在的化工裝置，通常需要設(shè)置公用物料站，公用物料站在消防及安全檢修等方面的作用是不可或缺的。在正常運(yùn)行中，公用物料站的使用很少，蒸汽(盲端死角處多數(shù)凝結(jié)成冷凝液)、新鮮水處于靜止?fàn)顟B(tài)，而一旦遇到低溫的環(huán)境，此類管線盲端死角極易凍結(jié)。因此在進(jìn)行蒸汽、新鮮水管道的設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮管道的防凍設(shè)計(jì)問題，特別是框架布置的生產(chǎn)裝置，要盡量減少管線死角，避免凍結(jié)隱患。

新鮮水管道防凍設(shè)計(jì)見圖6，應(yīng)盡可能減小各個(gè)支管與總管之間的距離，新鮮水總管在被伴熱的條件下，支管可避免凍結(jié)，各支管不需要伴熱。

圖6 新鮮水防凍設(shè)計(jì)示意圖

同理，蒸汽管道防凍設(shè)計(jì)見圖7。通過將支管切斷閥門與主管之間的距離設(shè)置成最短，可有效解決管道的防凍問題。不同的是在蒸汽總管低點(diǎn)處應(yīng)設(shè)置疏水閥組，在高點(diǎn)處設(shè)置放空閥(放空閥門微開，保持管道內(nèi)蒸汽適當(dāng)流動(dòng))，蒸汽總管可不需要伴熱，各支管也不需要伴熱。

圖7 蒸汽管道防凍設(shè)計(jì)示意圖

3 工藝措施

3.1 循環(huán)冷卻水連通管的設(shè)置方法

詳見本文2.3條所述。

3.2 伴熱管的設(shè)置方法

(1)設(shè)備伴熱管、管道伴熱管、儀表伴熱管應(yīng)分開實(shí)施伴熱。不同操作溫度與壓力的伴熱管蒸汽不應(yīng)回收到同一冷凝液回收系統(tǒng)中。

(2)伴熱管的口徑應(yīng)大于DN15。

(3)每個(gè)蒸汽分配站上引出的伴熱管的當(dāng)量長度應(yīng)相近。

(4)盡可能避免疏水器之前的伴熱管產(chǎn)生低點(diǎn)。

(5)每個(gè)蒸汽分配站的蒸汽管應(yīng)來自蒸汽總管的頂部。每個(gè)蒸汽冷凝液收集站的回收管應(yīng)回至冷凝液總管的上方。

4 需要補(bǔ)充伴熱的管道部位

4.1 安全閥進(jìn)出口管道

圖8是常見的安全閥進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)類型，管道內(nèi)介質(zhì)易凍且對(duì)人及環(huán)境有害(如液氨、火炬氣、二氧化碳等)，安全閥出口管道加伴熱的目的在于防止由于安全閥泄放導(dǎo)致出口管道迅速溫降而引起管道內(nèi)部結(jié)冰或結(jié)干冰而堵塞管道。

圖8 液氨、二氧化碳等排放管道伴熱示意圖

圖9也是常見的安全閥進(jìn)出口管道設(shè)計(jì)類型，其介質(zhì)易凍，但對(duì)人及環(huán)境無害(如水、蒸汽等)，可在安全閥出口附近的低點(diǎn)處開一個(gè)淚孔，目的在于消除安全閥出口處幾點(diǎn)隱患:① 出口低點(diǎn)處液體無法排盡;②冷凝液的積聚;③安全閥內(nèi)漏產(chǎn)生的液體。

圖9 易凍介質(zhì)排放管淚孔示意圖

出口處增加蒸汽伴管，可消除出口液體結(jié)凍的可能性，使安全閥在冬季安全運(yùn)行得到最大的保證。

4.2 易凍介質(zhì)的旁路管線

對(duì)于易凍介質(zhì)的旁路管線而言，由于管內(nèi)部的介質(zhì)在正常管線運(yùn)行的時(shí)候是不流動(dòng)的，因此在寒冷的環(huán)境下，旁路管內(nèi)部的易凍介質(zhì)很容易結(jié)凍，進(jìn)而對(duì)旁路管線造成破壞，影響管線的運(yùn)行安全。需要對(duì)易凍介質(zhì)的旁路管線增加伴熱設(shè)施，見圖10。

圖10 閥組的旁路伴熱示意圖

4.3 露天布置的泵

4.3.1 泵的進(jìn)出口管道

對(duì)于露天布置的泵(主要指一開一備或多開一備或多開多備)，見圖11，那些與正常運(yùn)轉(zhuǎn)的泵所連接管道的防凍本身是沒有問題的，但是備用泵所連接的管線由于管線內(nèi)部的易凍介質(zhì)處于靜止?fàn)顟B(tài)，因此需要增加伴熱。由于各臺(tái)泵之間成互為備用的管線，因此對(duì)于每一臺(tái)泵來說，從防凍和暖泵的角度出發(fā)，其進(jìn)出口管線均應(yīng)增設(shè)伴熱。

4.3.2 泵的冷卻水管道

圖11 泵進(jìn)出口管道的伴熱示意圖

泵的冷卻水管線分為上水管道和回水管道。由于泵對(duì)冷卻水有溫度要求，因此，在選用伴熱的類型及溫度時(shí)需要仔細(xì)推敲，以免因?yàn)檫x型不當(dāng)引起諸如伴熱管溫度過高等問題的出現(xiàn)，造成機(jī)泵的損壞。

4.4 露天布置的公用物料站

(1)圖6的情況下，新鮮水支管不需要伴熱，但總管應(yīng)進(jìn)行伴熱。

(2)新鮮水支管及總管需伴熱，圖12。

圖12 物料站新鮮水伴熱示意圖

(3)一般情況下，公用物料站內(nèi)氣體管道(如氮?dú)?、工廠空氣等)并不純凈，介質(zhì)內(nèi)部或多或少含有一定量的水份。由于支管末端氣體長時(shí)間不流動(dòng)，很容易積聚冷凝液，因此，該部位需要考慮伴熱問題，見圖13。

圖13 物料站氮?dú)饣蚬S空氣加伴熱示意圖

4.5 露天布置的洗眼器

洗眼器用于人眼清洗，對(duì)溫度有嚴(yán)格的要求，因此，露天布置的洗眼器及供水管道宜采用電伴熱。

4.6 地漏支管及地漏總管

地漏支管及地漏總管是工藝防凍要求中最容易被忽略的部位，同時(shí)管道布置專業(yè)有時(shí)也忽視此類管道設(shè)計(jì)。在北方寒冷地區(qū)的地漏支管及地漏總管設(shè)計(jì)與其在南方地區(qū)的設(shè)計(jì)要求不同，對(duì)于水平布置的地漏支管和總管而言，其坡度要求應(yīng)該更大一些，更便于液體介質(zhì)在最短的時(shí)間內(nèi)排盡。同時(shí)，坡度大也更利于管內(nèi)固體沉淀物能夠順利地排出，減少管線堵塞的幾率，這對(duì)地漏管線在冬季的防凍問題有直接的幫助。對(duì)于較高的框架，地漏總管的長度相對(duì)較長，這會(huì)增加排液的時(shí)間，冬季排液結(jié)凍的可能性極大，因此，給地漏支管及總管增加伴熱管是必要的(最好是電伴熱，防凍溫度設(shè)定在10℃即可滿足要求)。

5 設(shè)備的維護(hù)和檢修

北方寒冷地區(qū)化工裝置的維護(hù)和檢修時(shí)間，通常是需要避開冬季的。因?yàn)槟承┎豢煽咕艿囊蛩夭坏靡栽诙緦?duì)裝置進(jìn)行局部停車檢修或故障處理，此時(shí)如未能將裝有易凍介質(zhì)的設(shè)備內(nèi)的液體排盡，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備由于內(nèi)部介質(zhì)結(jié)凍而被損壞。因此，需要切實(shí)可靠的防凍措施來解決這個(gè)問題。

在常規(guī)的設(shè)計(jì)中，工藝專業(yè)的PID是無法查到此類要求的，管道布置專業(yè)一般也不會(huì)針對(duì)此問題進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，這給設(shè)備在冬季短時(shí)間的維護(hù)帶來極大的不便，針對(duì)此類情況，可采用以下措施去解決。

(1)在需要檢修的設(shè)備人孔旁設(shè)置蒸汽總管，預(yù)留出閥門和快裝接頭。

(2)同時(shí)需要設(shè)置冷凝液收集管(單獨(dú)系統(tǒng))，預(yù)留出閥門和快裝接頭。

(3)根據(jù)設(shè)備的需要和人孔的大小，設(shè)計(jì)臨時(shí)加熱器。

(4)一定數(shù)量的蒸汽軟管(與臨時(shí)加熱器和快裝接頭配套)。

當(dāng)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)時(shí)，將臨時(shí)加熱器放入設(shè)備人孔內(nèi)，用軟管與蒸汽總管和冷凝液收集管相連接，隨用隨連，很方便。由于設(shè)備的冬季維護(hù)與設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，不同設(shè)備采用不同的防凍方法，安全有效就行。

6 結(jié)語

雖然管道的設(shè)計(jì)形式千變?nèi)f化，但其原理是相通的。只要掌握管道設(shè)計(jì)中防凍的特性和規(guī)律，就能化繁為簡，就能將管道的防凍設(shè)計(jì)合理的與設(shè)備布置、管道布置、操作及檢修有效地結(jié)合起來，將管道的防凍設(shè)計(jì)真正做到簡單、有效，從而使管道設(shè)計(jì)完全滿足工藝裝置在寒冷地區(qū)順利開車和防凍的要求，最終達(dá)到正常和安全生產(chǎn)的目的。