石油化工裝置球罐的管道設(shè)計

趙江紅

（惠生工程（中國）有限公司，上海200000）

球罐是石油化工行業(yè)使用儲存介質(zhì)的壓力容器，具有鋼材用量省，占地少，基礎(chǔ)工程簡單，分片運輸?shù)浆F(xiàn)場組裝成形、容積不受距離限制等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金等領(lǐng)域，用來作為液化石油氣、液化天然氣、液氧、液氨、液氮及其它介質(zhì)的儲存容器。文中針對某丙烯罐區(qū)2026 m3丙烯球罐管道設(shè)計中的設(shè)備布置、管口方位的布置、管道設(shè)計以及梯子的布置等關(guān)鍵點進行了分析。

1 罐區(qū)的設(shè)備布置

罐區(qū)一般應(yīng)該單獨成區(qū)布置，但可與相關(guān)的泵房布置在同一界區(qū)內(nèi)，以便縮短球罐與泵之間的管線長度，減少管線的阻力損失，有利于泵的抽吸。也有利于罐區(qū)的控制儀表電纜就近引至控制室，方便操作人員的巡回檢查和操作。

罐區(qū)的布置應(yīng)充分滿足工藝流程和全廠總平面布置的要求，還應(yīng)按《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》（GB50160-2008）、《建筑設(shè)計防火規(guī)范》（GB50016-2006）、《化工裝置設(shè)備布置設(shè)計規(guī)定》（HG/T20546-2009）等有關(guān)規(guī)定執(zhí)行，力求做到符合生產(chǎn)要求、安全可靠、經(jīng)濟合理［1]。

（1）確定球罐的基礎(chǔ)標(biāo)高時，應(yīng)充分考慮相關(guān)泵的凈吸入頭的要求。

（2）球罐低點至地面的高度，至少需要1.5m才能保證球罐周圍良好的通風(fēng)，對于底部出口的球罐，還必須和泵的凈正吸入壓頭一起考慮。

（3）沿管廊布置的球罐，宜布置在管廊2 側(cè)，2排球罐之間若有管線連接時，2 排之間對應(yīng)的2 個儲罐的中心線可錯開一定距離布置，避免管線出現(xiàn)十字形連接。2 排球罐之間的凈距，應(yīng)同時滿足防火規(guī)范和管線布置的要求，見表1。

表1 不同工藝方案對復(fù)合鈦基潤滑脂的影響

表1 不同工藝方案對復(fù)合鈦基潤滑脂的影響

液體類別甲B、乙類丙A類丙B類固定頂罐≤1000 m30.75D 0.4D 2 m?1000 m30.6D 5 m浮頂、內(nèi)浮頂罐0.4D臥罐0.8 m

（4）泵盡可能布置在一起，與球罐的距離滿足防火規(guī)范GB50160-2008 的要求，同時應(yīng)留有足夠的檢維修空間［2]。

2 球罐的管口方位布置

球罐上一般開設(shè)有物料進出口、壓力表口、溫度計口、液位計口、安全閥口、放空口、排污口、人孔等。

（1）人孔，一般設(shè)上下2 個人孔，當(dāng)?shù)撞咳丝椎闹行木嚯x地面的高度大于1200 m 時，應(yīng)在其下方設(shè)置平臺，頂部人孔與底部人孔成180°布置。人孔的開蓋方向應(yīng)滿足檢修要求，其他管口的布置不得影響人孔的開啟。

（2）液位計，液位計管口應(yīng)遠(yuǎn)離物料進出口，以避免進出物料時影響計量精度。

（3）其他管口應(yīng)結(jié)合操作平臺及罐頂聯(lián)合走臺而布置。

3 管道設(shè)計

管線布置應(yīng)滿足工藝流程的要求以及操作和檢維修的要求。

3.1 管道布置的一般要求

丙烯，易燃，應(yīng)該遠(yuǎn)離熱源，防止爆曬，所以丙烯需要外加保冷防護層，管底應(yīng)該加專用的保冷管托［3]。管夾2 端的螺栓一般成45°對稱布置，對于布置在管廊上的管道時，除了要滿足《石油化工金屬管道布置設(shè)計規(guī)范》（SH3012-2011）外，還要避免管夾上的螺栓與相鄰管道碰撞；此外保冷管托是支撐在保冷層外側(cè)的，為了統(tǒng)一管底標(biāo)高，一般的規(guī)定是保冷層厚度小于70 mm，管托加保冷層厚度為100 mm；保冷厚度大于或等于70 mm，管托加保冷層厚度為150 mm。

3.2 罐頂?shù)墓芫€設(shè)計

球罐頂部有物料口、安全閥放空口、人孔以及各種儀表口。安全閥放空為密閉放空，需要排入放空總管。為了不影響罐頂平臺的通暢，管線需要有向上的門型走向，跨過罐頂平臺，管底標(biāo)高距離平臺頂部的凈高至少為2.2 m。

此外，從罐頂下來的物料線和放空線應(yīng)該沿著球罐表面成弧形布置，并注意與球罐表面的消防環(huán)管不要相碰撞，一般是消防環(huán)管在外側(cè)布置，工藝管線在內(nèi)側(cè)布置。在球罐表面做支架需要在球罐上埋板，埋板的時候注意不要與球罐焊縫碰撞，此處需要充分與設(shè)備專業(yè)溝通，球罐表面管道布置見圖1。

圖1 球罐表面管道布置

沿球罐表面布置的管道在設(shè)計過程中常碰到的一個問題是需要一個大半徑彎頭，前期的三維軟件庫里是沒有的，需要提給材料專業(yè)加到軟件庫里。

3.3 罐底管線設(shè)計

罐底一般有物料出口、人孔以及各種儀表口，人孔距離地面大于1.2 m 的需要設(shè)置操作平臺，在平臺上可以操作管線上的閥門，注意調(diào)整平臺與閥門以及人孔之間的相對高度，見圖2。

圖2 球罐底部平臺及管線

4 應(yīng)力分析及支架設(shè)置

管道的設(shè)計過程中，在滿足PID 要求的同時，還應(yīng)使管道的設(shè)計既經(jīng)濟合理又安全可靠，管道應(yīng)力分析是實現(xiàn)這一目標(biāo)的手段和方法。管道應(yīng)力分析的任務(wù)實際上是對管道進行包括應(yīng)力計算在內(nèi)的力學(xué)分析，并使分析結(jié)果滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，從而保證管道自身和與其相連的設(shè)備及土建結(jié)構(gòu)的安全。

管道系統(tǒng)中支吊架的數(shù)量、位置和型式對管道系統(tǒng)的應(yīng)力分布有很大影響。設(shè)計中應(yīng)慎重對待支吊架的布置，以減小管道的應(yīng)力。管道系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)保證每個支吊架具有足夠的強度。將對球罐區(qū)布置的管道進行應(yīng)力分析，由于球罐區(qū)內(nèi)物料特點通常是溫度不高并帶有一定壓力，對于這樣的管道應(yīng)力分析的主要方向是合理設(shè)計管道支吊架，減小管道應(yīng)力，有效預(yù)防管道震動的發(fā)生。

對球罐上的物料管線和放空管線進行分析，管線的基本參數(shù)。物料：丙烯氣體，操作溫度：40 ℃，設(shè)計溫度：50 ℃，操作壓力：1.6 MPa，設(shè)計壓力：2.16 MPa。首先根據(jù)工藝參數(shù)和管線布置建立模型，合理設(shè)置邊界條件，根據(jù)管道布置確定支架的生根位置，支架先設(shè)置為滑動架，為例能抵御安全閥的泄放反力，放空管線上安全閥出口管線設(shè)置固定架，模型建立之后進行靜態(tài)應(yīng)力計算分析，初步確定管道布置和設(shè)置的支架是否合理，建立的模型見圖3。

圖3 模型建立

通過計算結(jié)果分析管線的一次應(yīng)力合格，冷態(tài)下沉降很?。ň∮? mm），可以初步確定管線上支架的數(shù)量、位置滿足要求。通過查看二次應(yīng)力分析結(jié)果看，只有安全閥管線存在問題，出現(xiàn)了二次應(yīng)力超限，通過判斷管線的熱漲趨勢和管口與固定架的應(yīng)力分布，可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生應(yīng)力超限的原因是由于固定架的位置設(shè)置不合理，導(dǎo)致固定架與管口間管線柔性不夠，進而產(chǎn)生應(yīng)力超限［4]。

在此基礎(chǔ)上調(diào)整固定架位置，結(jié)合支架生根點把固定架向遠(yuǎn)離安全閥的方向移動1200 mm，運算后期結(jié)果顯示二次應(yīng)力、固定架受力和管口受力均在許可范圍內(nèi)。通過上述分析，整個管線系統(tǒng)的支架設(shè)置合理，靜態(tài)分析滿足要求。

由于管線內(nèi)帶有一定程度的壓力，管線震動是要考慮的主要問題，對于罐區(qū)內(nèi)管線通常可以在靜態(tài)分析的基礎(chǔ)上通過合理選擇支吊架的形式來增加管道系統(tǒng)的剛度，進而可以有效預(yù)防震動的發(fā)生。對整個模型進行簡單的模態(tài)分析，通過分析管道的一階震動模態(tài)來判定整個系統(tǒng)的剛度。查看計算結(jié)果可以看出整個系統(tǒng)的一階頻率僅為0.452 Hz。系統(tǒng)的一階頻率提高到5.020 Hz，說明適當(dāng)調(diào)整支架形式可以使系統(tǒng)的計算結(jié)果優(yōu)化，在一定程度上使系統(tǒng)遠(yuǎn)離震動的發(fā)生，降低失效的可能性［5]。

5 梯子平臺的設(shè)計

為了操作及檢維修的需要和方便，罐頂除設(shè)置單獨的操作平臺外，還需要設(shè)置連接相鄰球罐的聯(lián)合平臺，平臺的高度應(yīng)依據(jù)人孔和管線上閥門的高度以及各種儀表的高度而定。在2 個相鄰球罐之間需設(shè)置土建斜梯以滿足防火要求。

6 結(jié)束語

（1）球罐的管道設(shè)計必須以滿足工藝及儀表流程圖的要求為前提。

（2）罐頂平臺、聯(lián)合走臺及梯子的設(shè)計必須充分考慮操作和檢維修的要求。

（3）為了美觀及方便設(shè)置支架，沿球罐表面的管道宜成弧形布置，并意避免與消防環(huán)管的碰撞。

（4）在球罐表面的埋板，注意避開球罐焊縫。