石油化工裝置工藝管道設計的合理性探究

鄭慶

連云港沃利工程技術(shù)有限公司上海分公司 上海 200010

1 石油化工裝置工藝管道設計的原則

1.1 管道設計的一般原則

（1）管道布置不僅要整齊有序，成組成排，還要在規(guī)劃布置管道的同時考慮管道的支撐的可能性和合理性。比如立式容器和管殼式冷換設備的配管，是局部采用斜線連接布管布置的。

（2）在保證管道柔性及管道對設備機泵管嘴的作用力和力矩不超出允許值的情況下，應當用最少的管件，最短的長度連接起來，盡量減少焊縫。

（3）在人員通行處，管道底部的凈高不宜小于2.2m。需要通行車輛處，管底的凈高視車輛的類型有所不同，通行小型檢修機械或車輛時不宜小于3m；通行大型檢修機械或車輛時不應小于4.5m。

（4）并排布置管道的間距與下列因素有關(guān):管外徑、有法蘭管子的法蘭外徑、有隔熱層的隔熱層厚度、兩管間的凈距。

（5）管道穿過建筑物的樓板、屋頂或墻面時，應加套管，套管與管道間的空隙應密封。套管的直徑應大于管道隔熱層的外徑，并不得影響管道的熱位移。管道上的焊縫不應在套管內(nèi)，并距離套管端部不應小于150mm。套管應高出樓板、屋頂面50mm。管道穿過屋頂時應設防雨罩。管道不應穿過防火墻或防爆墻[1]。

1.2 液壓排放管道的布置

（1）直接向大氣排放的非可燃氣體放空管的高度應符合下列規(guī)定:

1）設備或管道上的放空管口應高出鄰近的操作平臺2.2m以上；2）緊靠建筑物、構(gòu)筑物或其內(nèi)部布置的設備或管道的放空口，應高出建筑物或構(gòu)筑物頂2.2m以上。

（2）受工藝條件或介質(zhì)特性所限，無法排入火炬或裝置處理排放系統(tǒng)的可燃氣體，當通過排氣筒、放空管直接向大氣排放時，排氣筒、放空管的高度應符合下列規(guī)定:a)連續(xù)排放的排氣筒頂或放空管口應高出20m范圍內(nèi)的操作平臺或建筑物頂3.5m以上，位于20m以外的操作平臺或建筑物，應符合圖1的要求;b)間歇排放的排氣筒頂或放空管口應高出10m范圍內(nèi)的操作平臺或建筑物頂3.5m以上，位于10m以外的操作平臺或建筑物。

（3）設備上開停工用放空管可就地向大氣排放，放空管的高度應高出操作平臺2.2m上。放空口不得朝向鄰近設備或有人通過的地方。

（4）設備和管道上的可燃氣體安全泄壓裝置允許向大氣排放時，應符合下列要求:

1）排放管口不得朝向鄰近設備或有人通過的地方；2）排放管口的高度應高出以安全泄壓裝置為中心，半徑為8m范圍內(nèi)的操作平臺或建筑物頂3m以上。

1.3 取樣布置

氣體管道取樣和液體管道取樣遵循的共同點是取樣閥都應在便于操作的地方，設備或管道與取樣閥之間的管段長度應最短。其中取樣管的布置有如下注意事項。

1.3.1 氣體管道上取樣口的布置

1)水平管道上的取樣口應設在管道的頂部；2）在垂直管道上，當介質(zhì)自下而上流動時取樣口應設在管道的側(cè)面向上傾斜45°，當介質(zhì)自上而下流動時取樣口應設在管道的側(cè)面；3)含有固體顆粒的氣體管道上的取樣口應設在垂直管道上，并將取樣管伸人管道的中心。

1.3.2 液體管道上取樣口的布置

1）壓力輸送的水平管道上的取樣口宜設在管道的頂部或側(cè)面;含有固體介質(zhì)的液體管道的取樣口應設在管道的側(cè)面，自流水平管道上的取樣口應設在管道底部；2）垂直管道上的取樣口應設在介質(zhì)自下而上流動管道的側(cè)面。介質(zhì)自上而下流動時，除能保證液體充滿取樣管外，不應設置取樣點。此外極度、高度危害的介質(zhì)、甲類可燃氣體、液化烴等應采取密閉循環(huán)取樣方式取樣。

2 石油化工裝置工藝管道設計需要考慮的問題

石油化工設備管道規(guī)劃應考慮的相關(guān)問題有：首先，安全合理的工藝路線規(guī)劃。管道工藝路線的確定在整個石化安裝過程中起著至關(guān)重要的作用，工藝路線的質(zhì)量直接影響到后續(xù)的工藝設計。因此，應優(yōu)先考慮工藝路線的安全設計。使用更少的污染物和材料：在設計過程中，重要的是盡量減少對化工廠構(gòu)成危險的危險環(huán)境，從而減少事故。為了避免復雜的操作，應盡可能簡化工藝設計過程，并在設計階段使用一些輔助材料，以減少工藝中的困難條件[2]。第二，引入安全程序。工藝可靠性直接關(guān)系到石化裝置的整體質(zhì)量。管道技術(shù)應充分考慮所用材料的易燃性和防爆性能，并采取防火防爆措施；應建立適當?shù)木瘓髤?shù)，以預測潛在風險并及時做出反應，防止事故升級。由于石化行業(yè)的獨特性，項目建設周期通常較短。最后，如果設計師缺乏創(chuàng)新意識，在設計中做常規(guī)工作，缺乏積極思考的能力，在實踐中不了解項目，忽視參數(shù)設計，這將不可避免地導致管道質(zhì)量問題，甚至技術(shù)事故[3]。

3 石油化工裝置工藝管道設計相關(guān)影響因素分析

3.1 管道腐蝕

在石油化工行業(yè)，管道設備承擔著輸送各種酸基化學原料和能源的任務，這些原料和能源會對管道造成一定的腐蝕破壞。工人的不當操作，如研磨和切割高硬度材料，會對管道造成一定的損壞。此外，管道生產(chǎn)中的材料缺陷往往導致對各種腐蝕和破壞行為的反應不足，導致管道損壞，降低運行安全性。

3.2 管道應力

由于石油化工廠的復雜性，管道系統(tǒng)經(jīng)常會因外部條件和材料缺陷而遭受“應力損傷”。例如，低溫脆性斷裂是指管道在低于管道材料脆性轉(zhuǎn)變溫度的低溫位置的工作溫度。隨著時間的推移，管道的粘度會降低，管道的這一部分會脆斷。例如，經(jīng)過焊接等機械加工后，管道主體結(jié)構(gòu)存在殘余應力，會影響管道安全。金屬材料通常容易因環(huán)境變化而損壞，并容易疲勞、變形和斷裂。這種情況還會破壞管道的內(nèi)部環(huán)境，這具有很高的風險，并損害管道的安全[4]。

4 石油化工裝置工藝管道設計的合理性思路探索

4.1 合理進行管道分界

在設計工藝管道時，必須根據(jù)管道的重要性對整個系統(tǒng)進行拆解。在某些情況下，這項工作應從管道環(huán)境的角度進行。在特殊分析中，第一步是研究管道中的壓力配置。這些工藝管道有兩種類型的壓力：高壓和低壓。由于不同的載體介質(zhì)，不允許連接或連接它們，并且應考慮管道中中間輸送過程所需的壓力。其次，有邊界和邊界配置。不同的管道在總體布局方面需要不同的管道規(guī)劃和布局方法。為了降低系統(tǒng)后期設計的復雜性，應根據(jù)現(xiàn)有標準和施工現(xiàn)場的停車要求確定幾個邊界點和邊界。在分析項目可行性的過程中，有必要了解這些信息的科學性，并識別管道安裝過程中管道施工是否存在矛盾。最后，在選擇管道材料時，有必要分析管道載體和管道材料之間的兼容性，以及連接法蘭和管道材料的設備之間的兼容性。此外，還應調(diào)查不同管道支架和管道之間的材料兼容性。如果確定載體材料與管道材料不兼容，則必須選擇另一種管道或載體材料。

4.2 與工藝管道設計有關(guān)的其他因素

4.2.1 環(huán)境因素

1）管道中的氣體或蒸汽，由于環(huán)境溫度降低可能造成壓力下降以致產(chǎn)生真空時，管道應能承受在低溫下的外部壓力或采取防止產(chǎn)生真空的措施。2）管道中的介質(zhì)由于環(huán)境溫度的升高可能膨脹或汽化造成內(nèi)壓升高時，應使管道能承受升高后的壓力，或采取管道隔熱或安全泄壓等措施。3）當管道溫度低于0℃時，應防止切斷閥、 控制閥、泄壓排放裝置或其他管道組成件的活動部件因霜凍而影響正常動作，一般宜采取隔熱或伴熱等措施。

4.2.2 熱應力的影響

由于管道受到各種支承的約束或固定；由于管壁上溫度的急劇變化而產(chǎn)生的溫度梯度；或因兩種不同材料所組成復合或襯里管道的基層與復層的熱脹性能不同，以及夾套管因內(nèi)外管溫度差等而產(chǎn)生的熱應力，應按《石油化工企業(yè)管道柔性設計規(guī)范》(SH 3041-1991)進行應力分析并應符合GB 50316的要要求。以防過大的應力引起管道或支架的破壞。

4.3 安全閥和合理設計

安全閥越來越多地用于現(xiàn)代石油化工廠項目。因此，安全閥的正確合理配置和安裝對確保系統(tǒng)安全至關(guān)重要。作者通過研究得出結(jié)論：（1）在設備或管道上安裝安全閥時，應盡可能靠近設備和管道垂直安裝。（2）隨著時間的推移，固體和液體會積聚在水平管道的死角中，因此避免在這些死角中使用安全閥是很重要的。（3）安裝安全閥時，在今后的工作中還應考慮安全閥和管道的維護和調(diào)整，并預留足夠的工作空間。（4）由于大直徑安全閥的重量較大，在配置時應在拆卸后考慮閥門的承載能力。如有必要，應安裝懸架。（5）安全閥的出口處不應有阻力，以避免產(chǎn)生壓力。（6）應在安裝安全閥之前進行特定的測試和泄漏測試。（7）應定期檢查使用的安全閥。

4.4 冷換設備管道的合理設計

在規(guī)劃石油化工廠的工藝管道時，制冷設備管道的合理布局與其他任何工藝設備完全不同，因為它具有非常復雜的工藝因素。因此，應詳細研究與管道運行、維護和熱應力相關(guān)的這些機械因素。（1）逆流傳熱。冷水通常從底部向頂部流動。因此，如果換熱器有缺陷，就會有一定量的水來防止里面的水被清潔干凈。（2）凈安裝距離。在制冷和換熱設備中，通常在換熱器輸入和輸出處的管道法蘭和閥門法蘭與設備蓋板的法蘭之間保持合理的凈距離，以便于檢測。一般間隙約為310mm，便于拆裝。（3）關(guān)于熱應力。如果冷卻裝置配置合理，換熱器的固定點通常安裝在管箱的末端，連接頭端頭的管道也必須充分考慮熱膨脹引起的位移效應，以確保熱交換器熱應力不會對管道使用造成影響。

4.5 塔器的管道合理設計

由于塔器的性質(zhì)，焊接連接管時無需在塔頭下方安裝平臺，但無需安裝閥門、儀表、更換接頭等結(jié)構(gòu)管道，其必須在與其連接的管道中進行操作或維修。大多數(shù)塔噴嘴通過法蘭與管道、閥門、儀表等相連。在噴嘴下方合理高度連接并安裝平臺，便于操作和維護；從塔孔的位置來看，它們分布在塔的頂部、側(cè)面和底部，從而使所需的平臺分布在塔頂、側(cè)面和塔的底部。塔架的打開位置可以以360°仰角放置在塔架周圍的任何位置。但根據(jù)技術(shù)和儀器的專業(yè)要求，以及塔架、平臺、樓梯、閥門和儀器的布局，并基于上述第一原則，考慮到所有設備的整體布局，范圍很小。

（1）維修孔用于塔架內(nèi)的組裝、檢查和維護。從水平角度來看，維修孔應位于面向維修區(qū)域的操作員一側(cè)，其位置應允許操作員安全進出，而不影響設備操作。為了便于在塔內(nèi)起吊，檢修孔應在塔尖的工作區(qū)域內(nèi)。如果幾個塔架配備一個通用平臺，通常需要調(diào)整平臺的高度以適應維修的工作。

（2）通常分餾塔側(cè)線至汽提進料如有調(diào)節(jié)閥應靠近汽提塔安裝，以保證調(diào)節(jié)閥前有足夠高度的液柱。

（3）塔底抽出線至塔底泵的管道應“步步低”不得出現(xiàn)袋形以免塔底泵產(chǎn)生汽蝕。

（4）儀表開口。液面計和液面調(diào)節(jié)器的開口：應布置在便于監(jiān)視、檢查的位置，其液面應不受流入液體沖擊的影響。實際上也受到下列條件的限制:a.液面調(diào)節(jié)變送器應設在平臺或梯子上操作方便的地方，站在梯子上操作的液位調(diào)節(jié)器和液位計宜安裝在梯子的右側(cè)；b.液位調(diào)節(jié)器最適宜的位置，是在檢查液位調(diào)節(jié)器時可以看到液面計的地方；并應考慮由于液相進料影響液位波動。當塔內(nèi)設置的擋板不能避免液位波動時，應與設備專業(yè)協(xié)商解決；c.液位計的方位取決于受液槽與重沸器返回口之間的關(guān)系。

（5）人孔。塔的人孔應設在塔的操作側(cè)，一般應設在塔板上方的鼓泡區(qū)，不得設在降液管上或降液管口的上方；每3～8層塔板布置一個人孔；人孔中心距平臺面高可為600mm至1200mm之間，最適宜的高度為800mm。一座塔的人孔宜布置在同一垂線上。

4.6 泵的管道合理設計

泵管道設計主要包括泵入口處偏心直徑的管道設計、泵入口處直管路設計和管道柔性研究。（1）泵入口處偏心直徑管道的設計。泵進口偏心管的合理設計主要是為了保證泵的正常運行。當泵入口的偏心直徑發(fā)生變化時，氣體不會積聚在直徑發(fā)生變化的區(qū)域，從而導致氣體現(xiàn)象。因此，在泵入口處安裝偏心直徑時，應使用上層的安裝方法，排氣閥應安裝在最低點，以避免出現(xiàn)間隙。（2）泵入口直管段的設計。泵入口管的設計通?？紤]兩個因素：首先，泵入口應在一側(cè)，泵入口管支架應可調(diào)節(jié)，入口管和閥門應在泵的前部。其次，必須避免泵入口管線中的空氣阻力，因此設計必須考慮到這一點。（3）柔性管道。由于泵的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，按壓油管會導致油管頭錯位。有鑒于此，管道設計必須確保泵噴嘴上的壓力在允許范圍內(nèi)，尤其是在熱補償方面[7]。

5 結(jié)束語

影響石油化工管道設計過程的因素很多。石油化工管道作為石油化工廠物料運輸?shù)膶Ｓ迷O備，其作用不容小覷。管道的類型也因用途和操作條件而異。良好的管道設計不僅包括管道布置、應力分析、懸掛選擇，還包括現(xiàn)場施工支持、材料采購等諸多方面。因此，石油化工廠工藝管道的設計要求應基于一般技術(shù)要求、相關(guān)設計原則和原則。本文簡要介紹了其一小部分工藝管道的設計原則和維護要點，可作為管道設計的依據(jù)。