探究石油化工工艺装置蒸汽管道配管的设计

刘尧祥

【概述】蒸汽管道配管作为重要的石油化工工程中重要的工艺设计之一，被分成不同的用途和不同的压力水平。本文重点强调以蒸汽管排水设施的设置和布局研究，总结了几个装置的压力水平和蒸汽管道配管的布置要求与设计特点。

【关键词】蒸汽管道 排液 疏水设施 蒸汽凝液管道

我国的石油化工产业在高速的社会经济发展中有着长足的进步，而蒸汽管道（包括蒸汽管道和蒸汽凝液管道等）则是石油化工装置中的重要公用工程管道，作为石油化工工艺装置中的重要部分，保证它的优良特性就显得尤为重要。比如，在设计蒸汽管道和蒸汽凝液管道配管时，要同时考虑它的经济合理性、整齐美观性，还要满足蒸汽管道的应力计算要求与蒸汽管架的设计要求。在解决了这些问题后，就能保证管道的经济实用和安全可靠。

1 关于管廊上蒸汽管道的布置

在这里本文以分析我公司设计的宁波化学工业园区宁波中金的芳烃装置和宁波禾元的30万吨聚丙烯/50 万吨乙二醇装置中的动力站管廊设计为例，充分讨论蒸汽管道管的布局。根据管道的设计要求，管架布局的过程中物料管道一般分为两层，蒸汽管属于公用工程管道。

根据芳烃装置中温中压和聚丙烯/乙二醇装置高温高压的特点，这些蒸汽管道的压力等级布局有以下几点原则。

第一，蒸汽管道最好布置在管廊一侧，目的是方便集中设置“π”形补偿器（设置“π”形的原因是蒸汽管道属于高温型管道，以便于热膨胀补偿）。另外，由于波纹管膨胀节价格高昂又不经久耐用，蒸汽管道上禁止用波纹管膨胀节来吸收管道的热膨胀。通常，管廊上蒸汽管道的“π”形补偿器位置设计考虑如下：高压蒸汽（9.8MPa）管道应该每隔约50m设置一个；中压蒸汽（4.0 MPa）管道应该每隔约80m设置一个；低压蒸汽（1.6 MPa）或者低低压蒸汽（0.4 MPa）管道应该每隔约100m设置一个。当然，具体项目的用汽量不同，导致蒸汽管道管径有所变化，最终根据应力计算才能准确确定，以上数据可以作为初期布置的参考。“π”形补偿器应该尽量统一和集中设置安排，管径较大、温度较高需要较大补偿量的管道宜设置在外，而管径较小，温度相对而言较低的管道则设置在内。

在两固定点的中部设置“π”形补偿器是最佳的，如果不能满足此条件，它与固定点的间距应该尽可能的小，一般不能超过两个固定点间距的三分之一；另外，应该在“π”形补偿器的两边设置与“π”形补偿器的距离相适应的管道应力导向架。补偿器固定点的推力也应该根据管道应力的计算结果决定。在计算蒸汽管道支架的推力和应力时，蒸汽管道不应该将固定点分成几个管系进行应力计算，而是作为一个统一的、完整的管系进行应力计算。

第二，芳烃装置和聚丙烯/乙二醇装置中管廊设置多层，在其上层布置蒸汽管道，比如第二层。若无法满足此条件，即当它布置在管廊的下层时，那么，要尽量布置在管廊的外侧。但是需要注意的是，它不能和液态烃管道或低温管道临近，其保温后的最小距离要高于50cm，否则要用其它的公用工程管道作为隔层。此处注明，可以同层布置在管廊上层的公用工程装置是装置空气、仪表空气、氮气等。同层布置的其它公用工程管道与蒸汽管道的最小净距不仅要满足大于50cm，还必须考虑蒸汽管的其它影响，如管道的横向热位移等。能与蒸汽管道同层布置的还有电气、仪表、电缆槽板等。当然，它们也可以布置在蒸汽管道上面，比如第三层。综上所述，当它们和蒸汽管道布置在同一层时，最小净距需要大于20cm，较低于前面所述的几种装置，或者，也可以用其它公用工程管道作为隔层将它们隔开。

2 关于蒸汽管道排液设施的设置

芳烃装置和聚丙烯/乙二醇装置需求的不同压力等级蒸汽通常都是过热蒸汽，因此并不需要设置相关设施来排除液体物质。但当我们在开车或者在暖管阶段蒸汽管道内会有大量凝液产生，所以在管廊上蒸汽管道的低点，需要有相关排液设施。不同压力等级的蒸汽管道，在低点排液设施的设置上有许多的差异。另外，由于在一般情况下高压蒸汽管不产生液体，所以其相应规格管线的低点应设置疏水性设施，在车上超高压力蒸汽管冷凝水一般都是通过管道直接排出。其低漏设施和超高压蒸汽管道低点排水设施主要包括刚阀（其位置靠近主管并能够操作的地方）、开闭阀（其在地面上的位置靠近排气缸）、以及排气管。然后就是中压蒸汽（4.0 MPa）、低压蒸汽（1.6 MPa）和低低压蒸汽（0.4 MPa）的管道，在正常情况下，它们也很少产生冷凝液，但是与超高压蒸汽管是不同的，它们将产生特定的驱动或加热管阶段缩合物，由于相应的压力水平和冷凝液管线在同一时间的功能相同，所以它们的管道低点设置往往是疏水性的设施。而疏水设施又是由分液包，设置在分液包下并且可以操作到的位置的放净阀，设置在靠近分液包且能够操作到的位置的根部阀、和包括了检查阀、后切断阀、排污阀、前切断阀、疏水阀等阀的疏水阀组以及止回阀组成。

通常疏水设施或排水设施需要设置的管道蒸汽管在道外的门廊，蒸汽管道切断阀上游的设备新管和蒸汽管道减压阀的主要功能是调节这些设施应设置的阀门。此外，各种蒸汽管的排水规格、标签规格都与高压（9.8MPa）的蒸汽管排水管不同，而且其管道直径应该是稍微小一些的，一般情况下是小于150mm。

3 蒸汽支管的设计

蒸汽支管应该从主管的顶部接出来，每当工艺要求支管上设置切断阀的时候，将切断阀布置在靠近主管的水平管段之上。考虑到操作方便，应布置得当的切断阀。蒸汽支管从用汽要求很严格的蒸汽管道上接出是不允许的，例如灭火、消防和吹扫等用途的蒸汽支管不能从蒸汽透平、再沸器之类重要用途的蒸汽管道上引出来。同样的，在蒸汽管道的“π”形补偿器里，也是不得引出支管的。在支管从靠近“π”形补偿器两侧的直管上引出时，主管的位移不应当受到支管的妨碍。同时需要注意支管承受过大应力，因为主管热胀而产生的支管引出点产生位移。

一般来说，蒸汽分支管应该使用两个阀块（切断阀或者单向阀）。然而从以上的信息可知主蒸汽管道或支管在连接的过程必需与设备或工艺管道相连，而且还需要设立三个阀门在蒸汽管的顶部，而且两个切口之间的阀或者常开单向阀应小于20毫米，这样可以有效的防止发现泄漏情况。不同压力等级的蒸汽管道设置排水设施或经常疏水性设施设置的要求必需满足国家的相关标准，设置在较低的蒸汽管排水设施或疏水性的设施要满足以下6点要求：

（1）蒸汽分支管的最低点满足国家标准；

（2）蒸汽支管减压阀之前的调节阀要合格；

（3）蒸汽水分离器和蒸汽加热设备合格；

（4）设备进汽管切断阀前的最低点满足要求；

（5） 蒸汽涡轮机、蒸汽泵和蒸汽进汽管的热交换器入口切断阀前的最低点合格；

（6）蒸汽分配管和闪蒸罐的底部满足要求。

当蒸汽分支管的硬件达到要求时，根据车子的需要，以及排液管内的冷凝液，需要设置冷凝水放净阀，然而在设置超高压力蒸汽冷凝液放净阀时，需要设置双阀蒸汽冷凝管和单阀放净阀。

4 蒸汽凝液管道的布置

蒸汽冷凝液管线的管门廊一般布置在同一层中，一般采用“π”形补偿器，位于冷凝水配管中，为了防止水锤，可以设计成“π”形水平方向的补偿器，或倾斜部分中的“π”形的补偿器设计成立管。

自不同压力的蒸汽疏水阀出来的凝液应该分别接至各自的凝液回收总管之中。其中，公称直径等于或大于50 mm的支管应顺介质流向45°斜接在凝液回收总管的顶部；而公称直径小于50 mm的支管可90°直接在凝液回收总管的顶部。宜选用法兰连接设置凝液回收系统用的疏水阀，应注意疏水阀入口管道不能有袋形。在凝液回收总管高于疏水阀的时候，除了热动力式疏水阀之外，最好在疏水阀后采取止回阀设置。并且止回阀宜设置在靠近凝液主管的水平管道之上。考虑管道吹扫拆卸止回阀需要，适宜选用法兰连接的止回阀设备。

5 蒸汽管道排液设施的设置

当不同等级压力的蒸汽为过热蒸汽的时候，理论上说，不必设置专门的排液措施。但是蒸汽管道在处于暖管阶段会产生大量的凝液，这种情况也会在开车的过程中出现，这里应该设置专门排液的设施。蒸汽具有不同的压力等级是另外的一个原因，这会导致其具有不同排液设施设置。在一般情况下，凝液不会在超高压管道内形成，所以超高压蒸汽管道内也不存在对应规格的凝液管道，所以在进行生产的过程中，通常不设置疏水设施。同时，由于超高压蒸汽管道其自身特点，例如管壁厚、压力大和开孔不易等等原因，也不用设置分液包。对高压、中压和低压蒸汽管道方面，尽管在正常情况下凝液不会产生，但在蒸汽管道处于暖管阶段或者开车阶段时会产生大量凝液，由此看来，这种蒸汽管道设置经常疏水设施是必需的。经常疏水设施包括放净阀、分液包等设施。另外，蒸汽管道排液设施设置的一般要求如下：

在蒸汽主管的末端应设置分液包，且在水平敷设的蒸汽主管上分液包的间隔是：

（1）在装置的内部，保证饱和蒸汽为80m以及过热蒸汽为160m；则两个数值为最佳状态。

（2）在装置的外部，顺坡的情况下为300m，逆坡的情况下为200m。

饱和蒸汽进入设备应设置附近设备的边界蒸汽疏水阀，且在位于下部的陷阱中往往采取一系列的疏水性措施；在过热蒸汽装置上，一般不设置水分离器。

蒸汽排气管应该打开一个φ6mm的排水孔在凝液管的下端附近，然后使用DN15管到排水沟，将漏斗安装在正确的位置，如果在排气管上装消声器，消音器的底部应位于DN15排水管上，排气管也应该设置为导向，承载支架。

6 蒸汽管道设计时应该注意的要点

管道的直径需要合理的选择。优先选择的直径要满足上述的蒸汽管的需求。当直径过大时，会增加资金的投入量，增加热量的损失，同时也增加了冷凝水。当直径过小，会导致蒸汽流速偏大，从而增加了蒸汽压降，最终供汽端压力不足。最后，当发生水锤和侵蚀时，要选择安装管的直径不能过大或过小。根据应力要求安排管道，必须满足应力计算的严格要求。 “π”形管补偿器的设定和推力补偿器的固定点应符合要求，将设备连接到蒸汽管道集箱的压力，这样的操作可以提高设计工作的效率，避免水锤现象。安装装置或阀门时，管道会产生一定的振动和噪声，这就是所谓的水锤。为了避免水锤现象要注意管道疏水性的系统设置。

此外，连接分支管要采用主通道的顶部蒸汽。管道不能使用太多的支管。避免发生部分管道下沉，管道设置必须是合理的。以便改善化工厂蒸汽管的设计，避免水锤现象的发生，提高产品生产的质量和效率。

7 结语

随着社会经济的快速发展，中国的石化产业也取得了很大的进步。石化工艺的蒸汽管道，是重要的石化厂公用工程管道，且随着规模的不断扩大，蒸汽管道的管径大大变大，不仅管廊的相邻两层的高差也比以前常规的要高，甚至高达3m以及以上。同时，管道的选择，甚至超出了常规选用的典型管道，对应力计算带来新的挑战，需要更新数据库。对于蒸汽管道和蒸汽冷凝液管道而言，蒸汽管具有较高的温度和气液流动特性，在石油化工工艺装置中，蒸汽管道和蒸汽冷凝水管道的安排不仅要考虑经济和整洁的外观，同时也要满足蒸汽管道的应力计算要求。只有充分考虑到这些因素，才能确保蒸汽管管道设计满足工艺生产的要求。

化工装置中蒸汽管道的设置是有很多严格的要求的，另外还要注意很多细节上的问题。这样才能够保证设计科学合理，较低采购和安装成本，尽量降低安装难度，更好的提高蒸汽管道的工作效率，增加蒸汽管道的安全性，使蒸汽管道正常的发挥作用。

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