我國北方地區(qū)化工裝置管道防凍設計分析

王　軻

(東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥　230024)

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我國北方地區(qū)化工裝置管道防凍設計分析

王軻

(東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥230024)

摘要：對于建設在北方地區(qū)的化工裝置來說，冬季管道防凍一直是各生產(chǎn)企業(yè)非常重視的問題，但由于在設計階段重視不夠，往往給各化工生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)安全埋下了不小的隱患。本文從防凍設計源頭控制的理念出發(fā)，優(yōu)化管道布置，增加管道伴熱，并從多方面、全角度闡述化工裝置管道防凍設計要點，力求做到防患于未然。

關鍵詞：寒冷地區(qū)；化工裝置；管道；防凍；設計

近十年來，我國化工行業(yè)得到了迅猛地發(fā)展，圍繞資源、能源集聚了一個又一個化工產(chǎn)業(yè)園區(qū)，特別是煤炭資源豐富的北方地區(qū)。對于北方地區(qū)的化工裝置，雖然在設計階段管道的保溫和伴熱通常都會考慮得比較充分，但防凍設計考慮得不夠充分或者設計出現(xiàn)失誤，造成了裝置停車的案例時有發(fā)生，輕則停車檢修、疏通、整改，重則凍壞管子、管件甚至是設備，為企業(yè)的安全生產(chǎn)帶來了極大的隱患，并造成不必要的經(jīng)濟損失。

經(jīng)過多年的發(fā)展，國內(nèi)各工程公司承接大型化工項目設計的能力不斷增強，在認識到我國北方寒冷及嚴寒地區(qū)化工裝置管道防凍設計的重要性的同時，對各類設計缺陷也在不斷改進和完善。目前，國內(nèi)尚無系統(tǒng)闡述管道防凍設計的標準，主要還是依靠設計人員自身的經(jīng)驗和能力去開展，致使各化工裝置(即使同一項目中)的防凍設計水平參差不齊。筆者結(jié)合自己多年的工作經(jīng)驗，從幾個方面對化工裝置防凍設計作如下分析。

1管道凍結(jié)機理

在正常情況下，管道內(nèi)介質(zhì)(液體、蒸汽等)在管道內(nèi)流動時，雖然自身熱量通過管道散發(fā)出去，但是由于介質(zhì)流動的連續(xù)性，以及管道保溫和伴熱設計，保證了管道內(nèi)介質(zhì)的溫度不會低至冰點。特別對于非保溫或僅保溫非伴熱介質(zhì)管道，當管道內(nèi)介質(zhì)停止流動時，介質(zhì)的熱量將會不斷流失但卻得不到補充，在冬季寒冷的氣候中，介質(zhì)溫度很容易降低至冰點，甚至更低，從而凍結(jié)管道。管道內(nèi)介質(zhì)一般從管壁開始向管中心呈環(huán)狀凍結(jié)，且由于冰的密度比水小，管道內(nèi)介質(zhì)完全凍結(jié)后，輕則堵塞管道，重則致管道爆裂。

又由于管道布置所在位置的多樣性(如框架內(nèi)、框架外、架空敷設、埋地敷設等)，同一根管道不同管段所面對的外界影響也是不同的，因此，在進行防凍設計時，要具體問題具體分析，做到因地制宜，措施得當。

2優(yōu)化管道布置

管道的防凍設計既要考慮正常工況下的防凍要求，也要考慮到事故狀態(tài)下的防凍需要。管道的防凍設計既可以采用保溫、伴熱(蒸汽伴熱、熱水伴熱和電伴熱)，也可采用設置排液、吹掃或輔助管道的方式，具體視工藝條件而定。一般化工裝置內(nèi)所有易凍管道，如蒸汽管道、冷凝液管道、循環(huán)冷卻水管道、公用物料管道等均需按照防凍要求進行管道布置設計，特殊情況下還需要進行伴熱等處理。

2.1蒸汽及冷凝液管道的防凍設計

蒸汽管道、蒸汽冷凝液管道是化工裝置中最為常見的公用工程管道，其具體布置要求如下。

(1)在過熱蒸汽管系的低點處設置導淋閥，導淋閥距離蒸汽主管最近。

(2)在飽和蒸汽管系的低點設置積液包和疏水閥組。

(3)蒸汽冷凝液回收支管應“由高至低”坡向冷凝液總管，并按此原則最終與冷凝液回收設備相連，如無法避免局部低點或者液袋產(chǎn)生，則應在局部低點或者液袋處設置導淋閥。

(4)為減少管道凍結(jié)危險，疏水閥組不宜設置旁路。

(5)疏水閥組內(nèi)，疏水閥前后設置切斷閥，以便于檢修用。另，在疏水閥下游與切斷閥之間，宜設置導淋閥，其作用有二：一是檢修時可將疏水閥后液體排凈；二是可以用來檢測疏水閥的工作狀態(tài)。

(6)為方便檢修拆裝，疏水閥及其前后切斷閥宜采用法蘭連接。

2.2循環(huán)冷卻水管道的防凍設計

(1)循環(huán)冷卻水主管道一般采用埋地方式進行敷設，到裝置界區(qū)處引出地面。循環(huán)冷卻水主管道的防凍措施只有1個，即埋地深度大于凍土層厚度即可。

(2)對于裝置界區(qū)處引出地面的循環(huán)冷卻水管道，應設置切斷閥，并在上水管切斷閥閥前設置長流水連通管線與回水管相連，上水管切斷閥閥后(裝置內(nèi)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)低點)設置防凍導淋閥。

(3)裝置內(nèi)循環(huán)冷卻水總管末端采用長流水連通管將上水管和回水管連接，長流水連通管距離上水管、回水管末端法蘭最近，見圖1，或者將長流水連通管直接從法蘭蓋上引出。長流水連通管切斷閥以微開的方式工作，實現(xiàn)上水管、回水管及連通管自身的防凍目的。

(4)對于不具備條件在循環(huán)冷卻水總管末端安裝長流水連通管的情況，可利用循環(huán)冷卻水支管靠近上水管末端引出的方式解決防凍問題，見圖2。

圖1　循環(huán)冷卻水長流水　　連通管布置

圖2　循環(huán)冷卻水支管　引出布置

2.3公用物料管道的防凍設計

需要進行防凍設計的公用物料管道包括蒸汽管道和新鮮水管道。由于正常生產(chǎn)時，公用物料管線是很少的，蒸汽(分支管線盲端多凝聚蒸汽冷凝液)和新鮮水處于靜止狀態(tài)，如果設計不當，冬季很容易在上述管道盲端發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象。因此，蒸汽、新鮮水公用物料管道設計時需要充分考慮防凍問題，通過管道優(yōu)化布置，盡量減少管道死角，做到自然消除管道凍結(jié)隱患。

公用物料站內(nèi)蒸汽管道、新鮮水管道的防凍設計布置方案基本相同，均要求各分支支管切斷閥與主管間的距離最小。此外，新鮮水管道應設計蒸汽伴熱，蒸汽管道應在蒸汽總管低點處設置疏水閥組，在蒸汽總管高點處設置放空閥(微開)，各分支管不需要伴熱。公用物料站內(nèi)新鮮水及蒸汽管道防凍設計見圖3和圖4。

圖3　公用物料站內(nèi)新鮮水　管道防凍設計

圖4　公用物料站內(nèi)蒸汽　　管道防凍設計

2.4放空與導淋管道的防凍設計

按現(xiàn)行標準，管道的放空及導淋閥前短管要求為100 mm，雖然這個長度并不是很大，但是對于我國北方寒冷或嚴寒地區(qū)而言，這個長度對于防凍設計還是不利的，化工裝置開車的實例(如神華煤制油項目等)也證明了這一點，包括蒸汽在內(nèi)的易凍介質(zhì)管道上的放空閥及導淋閥，均出現(xiàn)過凍結(jié)甚至凍壞的現(xiàn)象。后經(jīng)不斷摸索和完善，此短管的長度可以減少至50 mm以內(nèi)。對于承插焊放空或?qū)Я荛y，閥前兩道焊縫間的長度可以做到50 mm以內(nèi)。對于法蘭放空或?qū)Я荛y，閥前配對法蘭應設計為對焊法蘭，放空或?qū)Я芄芨垦a強件亦為對焊的，以便于根部補強件與配對法蘭直接焊接，從而保證放空或?qū)Я荛y距離主管最短。

3增加管道伴熱

管道的防凍設計最經(jīng)濟的手段就是通過優(yōu)化管道布置來解決，對于其他難以通過優(yōu)化管道布置實現(xiàn)的，就要采取附加手段來處理，特別是對于安全閥、閥組旁路、泵、洗眼器、地漏等處的管道需要進行伴熱設計，以求系統(tǒng)安全運行。

3.1蒸汽伴熱設計要求

此處僅以蒸汽伴熱為例進行分析。熱水伴熱要求同蒸汽伴熱，電伴熱另有要求，此處不加討論。

(1)以蒸汽介質(zhì)操作溫度、操作壓力分為中壓蒸汽伴熱系統(tǒng)和低壓蒸汽伴熱系統(tǒng)。

(2)通常要求管道伴熱管的管徑為DN15，但在北方寒冷或嚴寒地區(qū)，一般以DN20或DN25為宜。

(3)同一蒸汽分配站上引出的管道伴熱管的當量長度盡量接近。

(4)蒸汽冷凝液回收站應布置在伴熱管的低點，管道伴熱管應避免出現(xiàn)液袋。

(5)每根管道蒸汽伴管應單獨成為一個系統(tǒng)，設置獨立的切斷閥、疏水閥等，不可多根管道蒸汽伴管共用一個疏水閥。

(6)蒸汽分配站蒸汽來源管道應從蒸汽總管頂部引出，并設置0.3%坡度坡向蒸汽總管，蒸汽冷凝液回收站冷凝液回收管應從冷凝液總管頂部接入，并設置0.3%坡度坡向冷凝液總管。

3.2安全閥前后管道的伴熱設計

對于易凍且有毒、有害的放空介質(zhì)(如液氨、濕合成氣、CO2等)，安全閥出口管道應設置0.3%及以上坡度坡向排放系統(tǒng)回收總管，并在安全閥出口管道增加管道伴熱，以防止因安全閥泄放導致管道溫度驟降引發(fā)管道內(nèi)部結(jié)冰或結(jié)干冰堵塞管道的現(xiàn)象發(fā)生。

對于易凍，但無毒、無害的放空介質(zhì)(如蒸汽、水等)，安全閥出口管道應設計蒸汽伴熱，以防止冬季放空時液體凍結(jié)堵塞管道，同時，在安全閥出口附近局部低點處設置一個排液管道，以便于將安全閥出口管道余液(因放空、內(nèi)漏、雨水等原因產(chǎn)生)排凈。

3.3易凍介質(zhì)閥組旁路的伴熱設計

閥組是化工裝置內(nèi)常用的管道布置形式，閥組旁路是當主閥門需要檢修時臨時啟用的管道，旁路內(nèi)的介質(zhì)相對主管道而言是靜止的，因此在冬季寒冷的環(huán)境中，易凍介質(zhì)或易于產(chǎn)生易凍介質(zhì)的旁路很容易結(jié)凍。需對此類旁路進行伴熱設計，避免防凍設計缺失造成旁路凍損，給系統(tǒng)安全造成威脅。

3.4泵的進出口管道及循環(huán)冷卻水管道的伴熱設計

3.4.1泵進出口管道的伴熱設計

在我國北方寒冷或嚴寒地區(qū)建設的化工裝置，其泵應集中布置在泵房內(nèi)，泵房內(nèi)采取集中供暖。但并不是所有泵都能夠統(tǒng)一集中布置，若僅為了某一單一泵設置泵房也是不經(jīng)濟的。因此，需要對此類泵進行防凍設計。

對此類露天布置的泵，特別是一開一備、多開一備、多開多備的布置形式，由于這些泵均互為備用，所以應對泵的進出口管道進行充分的伴熱設計，以防止管道凍損。

3.4.2泵循環(huán)冷卻水管道的伴熱設計

泵的循環(huán)冷卻水管道操作溫度有著嚴格的要求，在考慮此類管道防凍設計的時候，不能簡單使用蒸汽伴熱方法處理防凍問題，要避免因伴熱選型不當而導致循環(huán)冷卻水水溫過高，造成泵損壞的現(xiàn)象發(fā)生。一般情況下，循環(huán)冷卻水管線的伴熱應根據(jù)實際情況選用熱水伴熱或電伴熱，以電伴熱為宜。

3.5洗眼器管道的伴熱設計

對露天布置的洗眼器，與之相連接的管道也是需要考慮防凍設計的，此類管道往往在設計階段被忽略。因洗眼器用水是用于清洗人眼的，對供水溫度是有嚴格要求的，同時此類管線的布置又比較分散，在進行防凍設計時宜采用電伴熱。

3.6地漏排放管道的伴熱設計

地漏排放管道是工藝防凍設計中最容易被忽略的對象，在我國北方寒冷或嚴寒地區(qū)，地漏排放管道的坡度設計應更大一些，一般為1%~3%，以便于排放液體能夠盡快排凈，同時，也便于進入排放管道內(nèi)的固體沉淀物排出。但在滴水成冰的冬季，即使再大的坡度也顯得不夠，排放液體進入排放管道內(nèi)很快就會凝結(jié)成冰，堵塞排放管道，故須對地漏排放管道進行伴熱設計。此類管道伴熱設計宜采用電伴熱方式，電伴熱設計的操作溫度設置在5~10 ℃即可。

4結(jié)語

從以上分析可以看出，相較于主工藝管道來說，本文所述及的防凍設計管道在整個工藝流程中并不是十分顯眼，但是正是這些看似不起眼的管道，如發(fā)生了凍堵塞，同樣會造成裝置停車、檢修，甚至設備、管道的損壞。因此，化工裝置的管道防凍設計問題需要引起廣大工程技術(shù)人員的關注和重視，通過合理的管道布置，用正確、適當、經(jīng)濟的手段去實現(xiàn)裝置防凍設計，從而使管道設計滿足裝置生產(chǎn)的需要，保障化工裝置順利過冬。

修改稿日期： 2015-10-29

Anti-freezing Piping Design and Analysis of Chemical Plants in North China

WANG Ke

(EastChinaEngineeringScience&TechnologyCo.,Ltd.，HefeiAnhui230024China)

Abstract：In construction of a chemical plant in North China, pipeline anti-freezing has been the issue that production enterprises pay attentions to. Because of insufficient attention to pipe anti-freezing at design stage, hidden troubles are existing for chemical production enterprises. In this paper, the author starts from source control of anti-freezing design, optimizes piping layout, adds pipe tracing, and elaborates the anti-freezing piping design highlights of chemical plants from diversified aspects and angles, and strives to accomplish a nip in the bud.

Keywords：cold area; chemical plant; pipeline; anti-freezing; design

作者簡介：王軻(1988年—)，男，河南新安人，2012年畢業(yè)于華東理工大學化學工藝專業(yè)，碩士，助理工程師，現(xiàn)主要從事化工管道設計工作。

中圖分類號：TQ 050.2

文獻標識碼：B

文章編號：1004-8901(2016)01-0033-03

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.008 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.008