真空管道配管設(shè)計的實例探討

蘇沁

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

真空管道配管設(shè)計的實例探討

蘇沁

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

以某醫(yī)藥項目中一根真空管道的配管設(shè)計為研究對象，分別從滿足工藝要求控制壓降和考慮管道柔性設(shè)計這兩個不同角度進行論述，對這兩個互相矛盾的要求進行綜合考慮與協(xié)調(diào)，最終找出了最優(yōu)方案。

真空；管道；設(shè)計

1 引言

真空管道是一種較為特殊的管道，當管道外環(huán)境壓強大于管道內(nèi)介質(zhì)的壓強時，這種承受外壓的管道即為真空管道。

本文研究的管道是某醫(yī)藥項目中從蒸發(fā)器E 101去冷凝器E 110A/B冷凝的氣體管道，為高真空管道。從工藝角度出發(fā)，為了減少管道中物料的壓力降損失，保證物料的可靠輸送，真空系統(tǒng)介質(zhì)管道的設(shè)計應(yīng)使管道短，彎頭數(shù)量少[1]。但由于這根管道的介質(zhì)主要成分中有冰醋酸，而冰醋酸的凝固點接近常溫，在常溫環(huán)境下很容易凝固成冰狀的固體，并且體積膨脹，易堵塞管道，所以需由外部補充在管道輸送中的熱損失，保持內(nèi)管介質(zhì)維持在蒸發(fā)器出口的溫度，本項目采用蒸汽夾套管伴熱的方式來防止輸送過程中冰醋酸的凝固，選用內(nèi)管焊縫外露型夾套管（半夾套），端面封口采用管帽式。

因此在考慮這根管道的走向設(shè)計時，必須對工藝要求及應(yīng)力分析進行綜合考慮，既要滿足工藝控制壓力降的要求，也要滿足管道的柔性設(shè)計。

2 工藝流程的分析

在做設(shè)備布置和配管設(shè)計之前，正確地理解P & ID上的流程與工藝要求是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，只有真正理解了工藝設(shè)備相互之間的關(guān)系，了解了工藝對管道的要求，以及管道上各個組成件，如閥門、儀表、特殊件的作用，才能做出正確的判斷，對設(shè)備的布置、管道的走向及閥門、儀表、特殊件的位置做出最合理的布置，真正達到工藝流程所要求的目的和功能。

在P & ID上設(shè)備布置的要求通常指的是工藝標高的要求，有些設(shè)備在P & ID上已明確標出工藝標高或設(shè)備之間的高差，而有些則是通過設(shè)備之間管道的要求來描述，如管道“步步低”的要求就是間接表達了設(shè)備之間的高差要求。管道上的閥門、儀表、特殊件的位置除了少數(shù)直接在P & ID上標出距離要求外，更多的是沒有明確要求，這就需要配管設(shè)計人員自行判斷，需要詳細分析流程，分析閥門、儀表、特殊件的作用，再確定具體位置。下面就工藝P & ID對蒸發(fā)器和冷凝器的布置與真空管道配管設(shè)計的要求分別進行深入分析，為下一步具體的配管工作作好準備。

2.1 蒸發(fā)器與冷凝器的布置要求

蒸發(fā)器是流程中比較核心的部分，這是一種提純物料的設(shè)備，主要原理是通過設(shè)備夾套內(nèi)的蒸汽加熱使介質(zhì)中沸點較高的雜質(zhì)蒸發(fā)氣化，而沸點較低的物料則仍為液相往下游輸送，在布置上對標高的要求比較苛刻。因為在流程中共有三個串聯(lián)工作的蒸發(fā)器，E 101正是其中的第一個，見圖1，而且三個蒸發(fā)器出口的液相管道都是重力流，都有往下游自流的嚴格要求，因此在工藝上，三個蒸發(fā)器在布置上需要一起考慮就近布置，且E 101的標高應(yīng)盡量高，為下游兩個蒸發(fā)器及連接管道的布置留出足夠的高差。

冷凝器E 110A/B在布置上沒有特別的工藝要求，考慮到蒸發(fā)器與冷凝器之間的連接管道為真空管道盡量短的要求，冷凝器應(yīng)在滿足配管布置空間的前提下與E 101就近布置。

圖 1 三個串聯(lián)蒸發(fā)器Fig.1 Three tandem evaporators

2.2 真空管道流程的理解

這根真空管道的流程比較簡單，管道只有盡量短、彎頭盡量少的要求，目的還是為了減少壓力損失。管道上面只有兩個閥門和一個壓力指示儀表，流程示意如圖2所示。

圖 2 流程示意圖Fig.2 P & ID diagram

2.2.1 閥門的布置

兩個閥門均為常開，但這兩個閥門的位置是靠近分支點還是靠近冷凝器更為合理，則是需要更進一步分析了解閥門的具體作用和操作工況，也就是究竟在什么情況下需要關(guān)閉閥門，切斷的目的是什么。

E 110A/B為并聯(lián)同時使用的兩個冷凝器，從流程示意圖可以看出，冷凝器的管程既走冷凍水又走熱水，熱水管道上的閥門常關(guān)，也就是說冷凝器有兩種工況，正常工況管程走冷凍水用以冷卻物料，物料走殼程，從入口進入冷凝器殼體中，通過管束之間的間隙到達出口。前面已經(jīng)說過，管道介質(zhì)中含有冰醋酸，極易凍結(jié)，所以在冷凝器正常工作一段時間后，管束之間可能會殘留少量的冰醋酸，凝固凍結(jié)在管束與管束的縫隙間，導(dǎo)致殼程內(nèi)部的堵塞，冷凝器也就不能正常工作，此時就需要先關(guān)閉真空管道上的一個閥門切斷相應(yīng)的冷凝器，同時切斷冷凝器上循環(huán)供回的冷凍水，并打開熱水管道上的閥門，管束內(nèi)改通熱水進行加熱，使冷凝器內(nèi)的溫度高于冰醋酸的凝固點進行解凍，待堵塞處全部解凍之后再次打開真空管道切斷閥并通冷凍水，冷凝器再次開始正常冷卻物料的工作。

所以切斷閥應(yīng)該靠近冷凝器管口布置，因為切斷閥的作用是切斷冷凝器，目的是為了后續(xù)的解凍流程。

2.2.2 壓力指示儀表的布置

管道上壓力指示儀表的作用是檢測冷凝器進口管道的壓力，當冷凝器堵塞時，真空管道的壓力會上升，若顯示壓力超過了管道正常的操作壓力范圍，則表示冷凝器可能內(nèi)部堵塞嚴重，需要切斷后進行解凍清理，所以壓力儀表應(yīng)盡量靠近下游分支點。

3 真空管道的配管設(shè)計

此管道的設(shè)計先后經(jīng)過兩次調(diào)整后才確定最終方案，當工藝要求達到最優(yōu)時，管道的柔性卻不夠，但也不能絕對優(yōu)先考慮管道的自身柔性，因為這是真空管道，對管道長度、管件數(shù)量、壓力降有著相當苛刻的條件，所以需選擇適當?shù)难a償器來解決部分應(yīng)力問題，配管專業(yè)則是控制空間的管理，調(diào)整設(shè)備布置與管道走向配合工藝、應(yīng)力專業(yè)進行協(xié)調(diào)，最終找出三方都可接受的最優(yōu)方案。

3.1 真空管道的初始規(guī)劃

根據(jù)工藝對真空管道盡量短、彎頭盡量少的要求，配管專業(yè)同時考慮到管道布置應(yīng)統(tǒng)籌規(guī)劃，滿足施工、操作和檢修等方面的要求[1]，而且首先應(yīng)考慮通過管道本身走向獲得必要的柔性[2]，綜合多方面因素后，確定平面布置如圖3所示。蒸發(fā)器根據(jù)廠房屋面高度，預(yù)留出吊裝梁、吊鉤所需的空間，而根據(jù)供貨商圖紙，這個蒸發(fā)器為上方抽芯的型式，所以還要預(yù)留出抽芯空間的高度。最終確定蒸發(fā)器支撐在18.5 m平臺上，設(shè)備的間距已考慮設(shè)備的安裝檢修、以及閥門管件和夾套管的安裝空間，此外還考慮通過蒸發(fā)器出口與冷凝器入口的高差來實現(xiàn)管道自身的熱補償，所以把冷凝器和蒸發(fā)器安裝在同一個標高，冷凝器也支撐在18.5 m平臺上，如此布置也是便于冷凝器頂部法蘭蓋的拆卸與檢修。

圖 3 蒸發(fā)器與冷凝器平面布置Fig.3 Layout of evaporator and condensers

在確定布置的同時，真空管道的走向與支架位置也已經(jīng)有了規(guī)劃，如圖4所示，真空管道兩路分支，一路用了兩個90°彎頭，直管段約為4.1 m，另一路用了一個支流三通加一個90°彎頭，直管段長度約為3.9 m，我認為管道走向已經(jīng)做到了盡量短、彎頭盡量少的要求。兩個切斷閥如前文所述，安裝在冷凝器管口處，可以在18.5 m平臺上進行操作，壓力指示儀表可以在15 m層樓面上觀察讀數(shù)。

圖 4 真空管道的初始走向圖Fig.4 Original routing of the vacuum pipe

從管道走向形狀來進行簡單的應(yīng)力分析，當蒸發(fā)器熱脹時，出口會向下位移，帶動了東西向管段變形下移，靠近蒸發(fā)器處的支架需要做彈簧支架。當東西向管段熱脹時，可以通過兩段立管來吸收熱脹，但考慮到管道外有蒸汽夾套加熱，熱脹對管口產(chǎn)生的作用力是否小于設(shè)備管口的許用應(yīng)力，則需要應(yīng)力專業(yè)用軟件進行詳細分析，若經(jīng)分析管道自身柔性不夠需加膨脹節(jié)，現(xiàn)在的配管設(shè)計也已留有足夠的直管段，后續(xù)的修改也不會影響到管道走向。

3.2 經(jīng)專利商要求修改后的真空管道設(shè)計

在模型審查中，專利商覺得設(shè)計需要優(yōu)化，提出了兩點修改要求：

第一，將冷凝器的進口高度調(diào)整到與蒸發(fā)器的出口同樣標高，理由為高真空管道盡可能減短管道的長度，將管道的兩邊管口調(diào)整為一樣高，就可以避免兩段立管的管道長度，有利于控制真空管道的壓力損失，同時也能更可靠的避免冰醋酸的凍結(jié)。

第二，蒸發(fā)器一路分為兩路進入兩個冷凝器的管道需完全對稱布置。目的是為了使兩路管道長度相同、管件一致，達到兩路壓降相同的目的，可以使兩路流量均衡，避免一路管道長，阻力降大，出現(xiàn)物料往阻力降小的一路輸送的現(xiàn)象。經(jīng)了解，在工藝進行壓力降核算時，需把真空系統(tǒng)中的管件折算到管道當量長度，也就是物料通過一個管件的壓降相當于通過多少長度直管段的壓降，不同管件的當量長度是不同的，而且三通還分為直流和支流，兩種不同的安裝型式當量長度差值很大[3]。按原有的管道走向，一路是一個直流三通加兩個90°彎頭，直管段長度約為4.1 m，另一路是一個支流三通加一個90°彎頭，直管段長度約為3.9 m。以此管道管徑DN 250為例，兩路的當量長度要相差5.1 m，這確實是之前沒有考慮到的，應(yīng)該優(yōu)化設(shè)計。

考慮到蒸發(fā)器的布置已與上下游的設(shè)備綜合考慮確定，滿足各方面要求，很難再做調(diào)整，而冷凝器僅為蒸發(fā)器服務(wù)，設(shè)備較小，靈活性大，所以根據(jù)專利商的修改要求，調(diào)整后的設(shè)備布置及修改后的管道走向如圖5所示，管道已完全對稱布置，管口標高也已調(diào)為一致，兩路均為一個支流三通加一個90°彎頭，直管段長度均為1.9 m，滿足了工藝上最理想狀態(tài)的要求，管道長度短，彎頭少，壓力損失小。此方案管道長度較短，在三通上游設(shè)一個支架即可。但初步判斷，管道柔性不夠，蒸發(fā)器管口處必須加膨脹節(jié)來吸收東西向管段的熱脹。

3.3 經(jīng)應(yīng)力分析后確定的真空管道設(shè)計

經(jīng)應(yīng)力計算后，管道設(shè)計做了以下三點優(yōu)化。

3.3.1 走向優(yōu)化增加柔性

由于之前的走向冷凝器管口處東西向管段較短，見圖5，當南北向管段熱脹時，不足以完全吸收熱脹，管道熱脹對冷凝器管口附加的荷載大于設(shè)備管口許用應(yīng)力，但是廠房空間有限，冷凝器無法再往東側(cè)移動，通過配管與應(yīng)力協(xié)商并得到工藝同意后決定修改走向如圖6所示。冷凝器的位置不變，兩個進口分別轉(zhuǎn)向北側(cè)與南側(cè)，兩路分支管分別形成一個管道補償器。南北向管段1增長了，但是增長的量就相當于新增的南北向管段2，所以這兩段引起的熱脹量是相同的，熱脹方向一致，對冷凝器管口受力來說可以看作相互抵消，而東西向管段加長了，需要吸收的熱脹量卻沒有變，所以管道的柔性增加，設(shè)備管口的受力也減小了。

圖 5 經(jīng)專利商要求后修改的設(shè)備布置及管道走向Fig.5 Revised equipment layout and pipe routing according to licenser

管道走向的改變使管道長度加長，兩路分支都多了一個90°彎頭，經(jīng)工藝核算后，壓降未超允許值，滿足工藝要求。

圖 6 真空管道的最終走向Fig.6 Final routing of the vacuum pipe

3.3.2 蒸發(fā)器管口處增加膨脹節(jié)

膨脹節(jié)的作用主要有兩個：

（1）東西管段的熱脹時，可以靠膨脹節(jié)的軸向補償量來吸收，而不會把荷載附加在蒸發(fā)器管口上；

（2）冷凝器往下熱脹時，膨脹節(jié)的橫向補償量可以吸收位移量，同時也是減小設(shè)備安裝誤差對設(shè)備管口產(chǎn)生的力，因為蒸發(fā)器和冷凝器的管口高度設(shè)計為同一標高，但現(xiàn)場施工設(shè)備安裝是有誤差的，所以現(xiàn)場的管口高度可能不一致，產(chǎn)生的結(jié)果就是管道安裝后對設(shè)備管口產(chǎn)生應(yīng)力。

安裝膨脹節(jié)主要是解決了蒸發(fā)器管口處的應(yīng)力問題。

3.3.3 支架的型式與位置

圖6中的RS+GS+DS在原本設(shè)想的承重支架基礎(chǔ)上增加了導(dǎo)向和限位。南北向管段長度較長，所以加設(shè)兩個承重支架。

GS限制了該管段的徑向位移量，防止管道受力變形導(dǎo)致徑向位移量過大，膨脹節(jié)處的法蘭面泄露，也使兩個冷凝器管口受力情況一致。

DS是為了限制東西向管段的軸向位移，作用之一是確保膨脹節(jié)有效地吸收支架點上游管道產(chǎn)生的熱脹，另一個作用是防止冷凝器處東西向管段熱脹產(chǎn)生的位移傳到蒸發(fā)器處，這個位移完全由南北向管段來吸收。

至此，真空管道的配管設(shè)計全部完成。

4 結(jié)論

綜上所述，真空管道的配管設(shè)計是一個不斷協(xié)調(diào)和調(diào)整的過程，在設(shè)計過程中應(yīng)該與工藝、應(yīng)力設(shè)計人員及時溝通，既要滿足工藝上管道盡量短、彎頭盡量少、壓降盡量小的要求，又要考慮管道自身補償?shù)娜嵝栽O(shè)計，必要時可采用補償器來獲得柔性，兩者對配管的要求互相矛盾，但缺一不可，在配管設(shè)計過程中也不能單獨分別考慮，必須綜合起來，由三方共同確定找到最優(yōu)方案。

[1]SH 3012—2011 石油化工金屬管道布置設(shè)計規(guī)范[S]．

[2]SH/T 3041—2002 石油化工管道柔性設(shè)計規(guī)范[S]．

[3]中國石化集團上海工程有限公司.化工工藝設(shè)計手冊[M]．4版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.8.

封一介紹

上海東富龍科技股份有限公司

上海東富龍科技股份有限公司（簡稱東富龍，Tofflon）是一家為全球制藥企業(yè)提供凍干制劑、小容量水針注射劑、無菌凍干原料藥等自動化制藥裝備系統(tǒng)的設(shè)備與服務(wù)供應(yīng)商。東富龍成立于1993年，經(jīng)過20余載艱苦奮斗，銳意進取，東富龍已有超過5 000多臺無菌注射劑的關(guān)鍵制藥設(shè)備（其中超過3 000臺凍干機）、500多套無菌藥品制造系統(tǒng)，服務(wù)于全球30多個國家和地區(qū)的近千家知名制藥企業(yè)，并已成功進入到西歐、北美等高法規(guī)市場，廣泛應(yīng)用于生物制品、疫苗、血制品、抗生素、化學(xué)藥品、診斷制劑、保健品、獸藥、中藥西制等領(lǐng)域。2011年2月1日，東富龍正式在深圳證券交易所創(chuàng)業(yè)板上市（股票名稱：東富龍；股票代碼：300171）。

今天東富龍聚焦于無菌注射劑核心區(qū)域的自動化、隔離化、系統(tǒng)化發(fā)展趨勢的研究和開發(fā)，致力于提供具有全球競爭力的無菌注射劑核心區(qū)域的整體解決方案。匯聚全球技術(shù)，東富龍在上?？偛拷⒘司C合研究所，在美國、歐洲、印度建立全球設(shè)計所和技術(shù)中心，與美國、歐洲、日本合作伙伴成立合資企業(yè)和開展技術(shù)合作，擁有具有全球競爭力的五大現(xiàn)代化制藥裝備生產(chǎn)基地，擁有中外員工近2 000名，先后通過了德國TUV ISO9001、ISO14001、OHSAS 18001、CE、UL、PED、ASME等國際認證，對接各國制藥標準（USFDA/MHRA/WHO/TGA/MCC等），提供無菌凍干系統(tǒng)、無菌水針系統(tǒng)、無菌凍干原料藥系統(tǒng)的解決方案，致力于成長為全球無菌注射劑核心區(qū)域整體解決方案的主流供應(yīng)商。

未來東富龍秉承“專業(yè)技術(shù)服務(wù)于制藥工業(yè)”的使命，聚焦制藥工業(yè)關(guān)注的挑戰(zhàn)和壓力，從藥物創(chuàng)新、制藥工藝、核心設(shè)備、系統(tǒng)工程方面提供系統(tǒng)整體解決方案，服務(wù)于全球制藥工業(yè)。東富龍致力于從“中國的東富龍成長為世界的東富龍”，從“單一設(shè)備供應(yīng)商成長為系統(tǒng)方案解決者”，發(fā)展成為全球制藥系統(tǒng)整體解決方案的主流供應(yīng)商，為實現(xiàn)社會、客戶、股東、員工及其家庭幸福的最大化而不懈努力。

Discussion of Vacuum Piping Design with Practical Case

Su Qin
（SINOPEC Shanghai Engineering Co., Ltd, Shanghai 200120）

With the layout and design of one vacuum piping used in a pharmaceutical plant as studied object, from two aspects– control of pressure drop requested in process and piping flexible design, the design of piping was depicted.These contradict requirements should be taken into account comprehensively and then be coordinated.In this way, the optimum scheme can be found finally.

vacuum; piping; design

TQ 024

：A

：2095-817X（2015）05-0027-005

2015-05-07

蘇沁（1981—），女，工程師，主要從事石化、醫(yī)藥工程配管設(shè)計。