我国北方地区化工装置管道防冻设计分析

王　轲

(东华工程科技股份有限公司，安徽 合肥　230024)



我国北方地区化工装置管道防冻设计分析

王轲

(东华工程科技股份有限公司，安徽 合肥230024)

摘要：对于建设在北方地区的化工装置来说，冬季管道防冻一直是各生产企业非常重视的问题，但由于在设计阶段重视不够，往往给各化工生产企业的生产安全埋下了不小的隐患。本文从防冻设计源头控制的理念出发，优化管道布置，增加管道伴热，并从多方面、全角度阐述化工装置管道防冻设计要点，力求做到防患于未然。

关键词：寒冷地区；化工装置；管道；防冻；设计

近十年来，我国化工行业得到了迅猛地发展，围绕资源、能源集聚了一个又一个化工产业园区，特别是煤炭资源丰富的北方地区。对于北方地区的化工装置，虽然在设计阶段管道的保温和伴热通常都会考虑得比较充分，但防冻设计考虑得不够充分或者设计出现失误，造成了装置停车的案例时有发生，轻则停车检修、疏通、整改，重则冻坏管子、管件甚至是设备，为企业的安全生产带来了极大的隐患，并造成不必要的经济损失。

经过多年的发展，国内各工程公司承接大型化工项目设计的能力不断增强，在认识到我国北方寒冷及严寒地区化工装置管道防冻设计的重要性的同时，对各类设计缺陷也在不断改进和完善。目前，国内尚无系统阐述管道防冻设计的标准，主要还是依靠设计人员自身的经验和能力去开展，致使各化工装置(即使同一项目中)的防冻设计水平参差不齐。笔者结合自己多年的工作经验，从几个方面对化工装置防冻设计作如下分析。

1管道冻结机理

在正常情况下，管道内介质(液体、蒸汽等)在管道内流动时，虽然自身热量通过管道散发出去，但是由于介质流动的连续性，以及管道保温和伴热设计，保证了管道内介质的温度不会低至冰点。特别对于非保温或仅保温非伴热介质管道，当管道内介质停止流动时，介质的热量将会不断流失但却得不到补充，在冬季寒冷的气候中，介质温度很容易降低至冰点，甚至更低，从而冻结管道。管道内介质一般从管壁开始向管中心呈环状冻结，且由于冰的密度比水小，管道内介质完全冻结后，轻则堵塞管道，重则致管道爆裂。

又由于管道布置所在位置的多样性(如框架内、框架外、架空敷设、埋地敷设等)，同一根管道不同管段所面对的外界影响也是不同的，因此，在进行防冻设计时，要具体问题具体分析，做到因地制宜，措施得当。

2优化管道布置

管道的防冻设计既要考虑正常工况下的防冻要求，也要考虑到事故状态下的防冻需要。管道的防冻设计既可以采用保温、伴热(蒸汽伴热、热水伴热和电伴热)，也可采用设置排液、吹扫或辅助管道的方式，具体视工艺条件而定。一般化工装置内所有易冻管道，如蒸汽管道、冷凝液管道、循环冷却水管道、公用物料管道等均需按照防冻要求进行管道布置设计，特殊情况下还需要进行伴热等处理。

2.1蒸汽及冷凝液管道的防冻设计

蒸汽管道、蒸汽冷凝液管道是化工装置中最为常见的公用工程管道，其具体布置要求如下。

(1)在过热蒸汽管系的低点处设置导淋阀，导淋阀距离蒸汽主管最近。

(2)在饱和蒸汽管系的低点设置积液包和疏水阀组。

(3)蒸汽冷凝液回收支管应“由高至低”坡向冷凝液总管，并按此原则最终与冷凝液回收设备相连，如无法避免局部低点或者液袋产生，则应在局部低点或者液袋处设置导淋阀。

(4)为减少管道冻结危险，疏水阀组不宜设置旁路。

(5)疏水阀组内，疏水阀前后设置切断阀，以便于检修用。另，在疏水阀下游与切断阀之间，宜设置导淋阀，其作用有二：一是检修时可将疏水阀后液体排净；二是可以用来检测疏水阀的工作状态。

(6)为方便检修拆装，疏水阀及其前后切断阀宜采用法兰连接。

2.2循环冷却水管道的防冻设计

(1)循环冷却水主管道一般采用埋地方式进行敷设，到装置界区处引出地面。循环冷却水主管道的防冻措施只有1个，即埋地深度大于冻土层厚度即可。

(2)对于装置界区处引出地面的循环冷却水管道，应设置切断阀，并在上水管切断阀阀前设置长流水连通管线与回水管相连，上水管切断阀阀后(装置内循环冷却水系统低点)设置防冻导淋阀。

(3)装置内循环冷却水总管末端采用长流水连通管将上水管和回水管连接，长流水连通管距离上水管、回水管末端法兰最近，见图1，或者将长流水连通管直接从法兰盖上引出。长流水连通管切断阀以微开的方式工作，实现上水管、回水管及连通管自身的防冻目的。

(4)对于不具备条件在循环冷却水总管末端安装长流水连通管的情况，可利用循环冷却水支管靠近上水管末端引出的方式解决防冻问题，见图2。

图1　循环冷却水长流水　　连通管布置

图2　循环冷却水支管　引出布置

2.3公用物料管道的防冻设计

需要进行防冻设计的公用物料管道包括蒸汽管道和新鲜水管道。由于正常生产时，公用物料管线是很少的，蒸汽(分支管线盲端多凝聚蒸汽冷凝液)和新鲜水处于静止状态，如果设计不当，冬季很容易在上述管道盲端发生冻结现象。因此，蒸汽、新鲜水公用物料管道设计时需要充分考虑防冻问题，通过管道优化布置，尽量减少管道死角，做到自然消除管道冻结隐患。

公用物料站内蒸汽管道、新鲜水管道的防冻设计布置方案基本相同，均要求各分支支管切断阀与主管间的距离最小。此外，新鲜水管道应设计蒸汽伴热，蒸汽管道应在蒸汽总管低点处设置疏水阀组，在蒸汽总管高点处设置放空阀(微开)，各分支管不需要伴热。公用物料站内新鲜水及蒸汽管道防冻设计见图3和图4。

图3　公用物料站内新鲜水　管道防冻设计

图4　公用物料站内蒸汽　　管道防冻设计

2.4放空与导淋管道的防冻设计

按现行标准，管道的放空及导淋阀前短管要求为100 mm，虽然这个长度并不是很大，但是对于我国北方寒冷或严寒地区而言，这个长度对于防冻设计还是不利的，化工装置开车的实例(如神华煤制油项目等)也证明了这一点，包括蒸汽在内的易冻介质管道上的放空阀及导淋阀，均出现过冻结甚至冻坏的现象。后经不断摸索和完善，此短管的长度可以减少至50 mm以内。对于承插焊放空或导淋阀，阀前两道焊缝间的长度可以做到50 mm以内。对于法兰放空或导淋阀，阀前配对法兰应设计为对焊法兰，放空或导淋管根部补强件亦为对焊的，以便于根部补强件与配对法兰直接焊接，从而保证放空或导淋阀距离主管最短。

3增加管道伴热

管道的防冻设计最经济的手段就是通过优化管道布置来解决，对于其他难以通过优化管道布置实现的，就要采取附加手段来处理，特别是对于安全阀、阀组旁路、泵、洗眼器、地漏等处的管道需要进行伴热设计，以求系统安全运行。

3.1蒸汽伴热设计要求

此处仅以蒸汽伴热为例进行分析。热水伴热要求同蒸汽伴热，电伴热另有要求，此处不加讨论。

(1)以蒸汽介质操作温度、操作压力分为中压蒸汽伴热系统和低压蒸汽伴热系统。

(2)通常要求管道伴热管的管径为DN15，但在北方寒冷或严寒地区，一般以DN20或DN25为宜。

(3)同一蒸汽分配站上引出的管道伴热管的当量长度尽量接近。

(4)蒸汽冷凝液回收站应布置在伴热管的低点，管道伴热管应避免出现液袋。

(5)每根管道蒸汽伴管应单独成为一个系统，设置独立的切断阀、疏水阀等，不可多根管道蒸汽伴管共用一个疏水阀。

(6)蒸汽分配站蒸汽来源管道应从蒸汽总管顶部引出，并设置0.3%坡度坡向蒸汽总管，蒸汽冷凝液回收站冷凝液回收管应从冷凝液总管顶部接入，并设置0.3%坡度坡向冷凝液总管。

3.2安全阀前后管道的伴热设计

对于易冻且有毒、有害的放空介质(如液氨、湿合成气、CO2等)，安全阀出口管道应设置0.3%及以上坡度坡向排放系统回收总管，并在安全阀出口管道增加管道伴热，以防止因安全阀泄放导致管道温度骤降引发管道内部结冰或结干冰堵塞管道的现象发生。

对于易冻，但无毒、无害的放空介质(如蒸汽、水等)，安全阀出口管道应设计蒸汽伴热，以防止冬季放空时液体冻结堵塞管道，同时，在安全阀出口附近局部低点处设置一个排液管道，以便于将安全阀出口管道余液(因放空、内漏、雨水等原因产生)排净。

3.3易冻介质阀组旁路的伴热设计

阀组是化工装置内常用的管道布置形式，阀组旁路是当主阀门需要检修时临时启用的管道，旁路内的介质相对主管道而言是静止的，因此在冬季寒冷的环境中，易冻介质或易于产生易冻介质的旁路很容易结冻。需对此类旁路进行伴热设计，避免防冻设计缺失造成旁路冻损，给系统安全造成威胁。

3.4泵的进出口管道及循环冷却水管道的伴热设计

3.4.1泵进出口管道的伴热设计

在我国北方寒冷或严寒地区建设的化工装置，其泵应集中布置在泵房内，泵房内采取集中供暖。但并不是所有泵都能够统一集中布置，若仅为了某一单一泵设置泵房也是不经济的。因此，需要对此类泵进行防冻设计。

对此类露天布置的泵，特别是一开一备、多开一备、多开多备的布置形式，由于这些泵均互为备用，所以应对泵的进出口管道进行充分的伴热设计，以防止管道冻损。

3.4.2泵循环冷却水管道的伴热设计

泵的循环冷却水管道操作温度有着严格的要求，在考虑此类管道防冻设计的时候，不能简单使用蒸汽伴热方法处理防冻问题，要避免因伴热选型不当而导致循环冷却水水温过高，造成泵损坏的现象发生。一般情况下，循环冷却水管线的伴热应根据实际情况选用热水伴热或电伴热，以电伴热为宜。

3.5洗眼器管道的伴热设计

对露天布置的洗眼器，与之相连接的管道也是需要考虑防冻设计的，此类管道往往在设计阶段被忽略。因洗眼器用水是用于清洗人眼的，对供水温度是有严格要求的，同时此类管线的布置又比较分散，在进行防冻设计时宜采用电伴热。

3.6地漏排放管道的伴热设计

地漏排放管道是工艺防冻设计中最容易被忽略的对象，在我国北方寒冷或严寒地区，地漏排放管道的坡度设计应更大一些，一般为1%~3%，以便于排放液体能够尽快排净，同时，也便于进入排放管道内的固体沉淀物排出。但在滴水成冰的冬季，即使再大的坡度也显得不够，排放液体进入排放管道内很快就会凝结成冰，堵塞排放管道，故须对地漏排放管道进行伴热设计。此类管道伴热设计宜采用电伴热方式，电伴热设计的操作温度设置在5~10 ℃即可。

4结语

从以上分析可以看出，相较于主工艺管道来说，本文所述及的防冻设计管道在整个工艺流程中并不是十分显眼，但是正是这些看似不起眼的管道，如发生了冻堵塞，同样会造成装置停车、检修，甚至设备、管道的损坏。因此，化工装置的管道防冻设计问题需要引起广大工程技术人员的关注和重视，通过合理的管道布置，用正确、适当、经济的手段去实现装置防冻设计，从而使管道设计满足装置生产的需要，保障化工装置顺利过冬。

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

作者简介：王轲(1988年—)，男，河南新安人，2012年毕业于华东理工大学化学工艺专业，硕士，助理工程师，现主要从事化工管道设计工作。

中图分类号：TQ 050.2

文献标识码：B

文章编号：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