石油化工装置工艺管道设计的合理性探究

郑庆

连云港沃利工程技术有限公司上海分公司 上海 200010

1 石油化工装置工艺管道设计的原则

1.1 管道设计的一般原则

（1）管道布置不仅要整齐有序，成组成排，还要在规划布置管道的同时考虑管道的支撑的可能性和合理性。比如立式容器和管壳式冷换设备的配管，是局部采用斜线连接布管布置的。

（2）在保证管道柔性及管道对设备机泵管嘴的作用力和力矩不超出允许值的情况下，应当用最少的管件，最短的长度连接起来，尽量减少焊缝。

（3）在人员通行处，管道底部的净高不宜小于2.2m。需要通行车辆处，管底的净高视车辆的类型有所不同，通行小型检修机械或车辆时不宜小于3m；通行大型检修机械或车辆时不应小于4.5m。

（4）并排布置管道的间距与下列因素有关:管外径、有法兰管子的法兰外径、有隔热层的隔热层厚度、两管间的净距。

（5）管道穿过建筑物的楼板、屋顶或墙面时，应加套管，套管与管道间的空隙应密封。套管的直径应大于管道隔热层的外径，并不得影响管道的热位移。管道上的焊缝不应在套管内，并距离套管端部不应小于150mm。套管应高出楼板、屋顶面50mm。管道穿过屋顶时应设防雨罩。管道不应穿过防火墙或防爆墙[1]。

1.2 液压排放管道的布置

（1）直接向大气排放的非可燃气体放空管的高度应符合下列规定:

1）设备或管道上的放空管口应高出邻近的操作平台2.2m以上；2）紧靠建筑物、构筑物或其内部布置的设备或管道的放空口，应高出建筑物或构筑物顶2.2m以上。

（2）受工艺条件或介质特性所限，无法排入火炬或装置处理排放系统的可燃气体，当通过排气筒、放空管直接向大气排放时，排气筒、放空管的高度应符合下列规定:a)连续排放的排气筒顶或放空管口应高出20m范围内的操作平台或建筑物顶3.5m以上，位于20m以外的操作平台或建筑物，应符合图1的要求;b)间歇排放的排气筒顶或放空管口应高出10m范围内的操作平台或建筑物顶3.5m以上，位于10m以外的操作平台或建筑物。

（3）设备上开停工用放空管可就地向大气排放，放空管的高度应高出操作平台2.2m上。放空口不得朝向邻近设备或有人通过的地方。

（4）设备和管道上的可燃气体安全泄压装置允许向大气排放时，应符合下列要求:

1）排放管口不得朝向邻近设备或有人通过的地方；2）排放管口的高度应高出以安全泄压装置为中心，半径为8m范围内的操作平台或建筑物顶3m以上。

1.3 取样布置

气体管道取样和液体管道取样遵循的共同点是取样阀都应在便于操作的地方，设备或管道与取样阀之间的管段长度应最短。其中取样管的布置有如下注意事项。

1.3.1 气体管道上取样口的布置

1)水平管道上的取样口应设在管道的顶部；2）在垂直管道上，当介质自下而上流动时取样口应设在管道的侧面向上倾斜45°，当介质自上而下流动时取样口应设在管道的侧面；3)含有固体颗粒的气体管道上的取样口应设在垂直管道上，并将取样管伸人管道的中心。

1.3.2 液体管道上取样口的布置

1）压力输送的水平管道上的取样口宜设在管道的顶部或侧面;含有固体介质的液体管道的取样口应设在管道的侧面，自流水平管道上的取样口应设在管道底部；2）垂直管道上的取样口应设在介质自下而上流动管道的侧面。介质自上而下流动时，除能保证液体充满取样管外，不应设置取样点。此外极度、高度危害的介质、甲类可燃气体、液化烃等应采取密闭循环取样方式取样。

2 石油化工装置工艺管道设计需要考虑的问题

石油化工设备管道规划应考虑的相关问题有：首先，安全合理的工艺路线规划。管道工艺路线的确定在整个石化安装过程中起着至关重要的作用，工艺路线的质量直接影响到后续的工艺设计。因此，应优先考虑工艺路线的安全设计。使用更少的污染物和材料：在设计过程中，重要的是尽量减少对化工厂构成危险的危险环境，从而减少事故。为了避免复杂的操作，应尽可能简化工艺设计过程，并在设计阶段使用一些辅助材料，以减少工艺中的困难条件[2]。第二，引入安全程序。工艺可靠性直接关系到石化装置的整体质量。管道技术应充分考虑所用材料的易燃性和防爆性能，并采取防火防爆措施；应建立适当的警报参数，以预测潜在风险并及时做出反应，防止事故升级。由于石化行业的独特性，项目建设周期通常较短。最后，如果设计师缺乏创新意识，在设计中做常规工作，缺乏积极思考的能力，在实践中不了解项目，忽视参数设计，这将不可避免地导致管道质量问题，甚至技术事故[3]。

3 石油化工装置工艺管道设计相关影响因素分析

3.1 管道腐蚀

在石油化工行业，管道设备承担着输送各种酸基化学原料和能源的任务，这些原料和能源会对管道造成一定的腐蚀破坏。工人的不当操作，如研磨和切割高硬度材料，会对管道造成一定的损坏。此外，管道生产中的材料缺陷往往导致对各种腐蚀和破坏行为的反应不足，导致管道损坏，降低运行安全性。

3.2 管道应力

由于石油化工厂的复杂性，管道系统经常会因外部条件和材料缺陷而遭受“应力损伤”。例如，低温脆性断裂是指管道在低于管道材料脆性转变温度的低温位置的工作温度。随着时间的推移，管道的粘度会降低，管道的这一部分会脆断。例如，经过焊接等机械加工后，管道主体结构存在残余应力，会影响管道安全。金属材料通常容易因环境变化而损坏，并容易疲劳、变形和断裂。这种情况还会破坏管道的内部环境，这具有很高的风险，并损害管道的安全[4]。

4 石油化工装置工艺管道设计的合理性思路探索

4.1 合理进行管道分界

在设计工艺管道时，必须根据管道的重要性对整个系统进行拆解。在某些情况下，这项工作应从管道环境的角度进行。在特殊分析中，第一步是研究管道中的压力配置。这些工艺管道有两种类型的压力：高压和低压。由于不同的载体介质，不允许连接或连接它们，并且应考虑管道中中间输送过程所需的压力。其次，有边界和边界配置。不同的管道在总体布局方面需要不同的管道规划和布局方法。为了降低系统后期设计的复杂性，应根据现有标准和施工现场的停车要求确定几个边界点和边界。在分析项目可行性的过程中，有必要了解这些信息的科学性，并识别管道安装过程中管道施工是否存在矛盾。最后，在选择管道材料时，有必要分析管道载体和管道材料之间的兼容性，以及连接法兰和管道材料的设备之间的兼容性。此外，还应调查不同管道支架和管道之间的材料兼容性。如果确定载体材料与管道材料不兼容，则必须选择另一种管道或载体材料。

4.2 与工艺管道设计有关的其他因素

4.2.1 环境因素

1）管道中的气体或蒸汽，由于环境温度降低可能造成压力下降以致产生真空时，管道应能承受在低温下的外部压力或采取防止产生真空的措施。2）管道中的介质由于环境温度的升高可能膨胀或汽化造成内压升高时，应使管道能承受升高后的压力，或采取管道隔热或安全泄压等措施。3）当管道温度低于0℃时，应防止切断阀、 控制阀、泄压排放装置或其他管道组成件的活动部件因霜冻而影响正常动作，一般宜采取隔热或伴热等措施。

4.2.2 热应力的影响

由于管道受到各种支承的约束或固定；由于管壁上温度的急剧变化而产生的温度梯度；或因两种不同材料所组成复合或衬里管道的基层与复层的热胀性能不同，以及夹套管因内外管温度差等而产生的热应力，应按《石油化工企业管道柔性设计规范》(SH 3041-1991)进行应力分析并应符合GB 50316的要要求。以防过大的应力引起管道或支架的破坏。

4.3 安全阀和合理设计

安全阀越来越多地用于现代石油化工厂项目。因此，安全阀的正确合理配置和安装对确保系统安全至关重要。作者通过研究得出结论：（1）在设备或管道上安装安全阀时，应尽可能靠近设备和管道垂直安装。（2）随着时间的推移，固体和液体会积聚在水平管道的死角中，因此避免在这些死角中使用安全阀是很重要的。（3）安装安全阀时，在今后的工作中还应考虑安全阀和管道的维护和调整，并预留足够的工作空间。（4）由于大直径安全阀的重量较大，在配置时应在拆卸后考虑阀门的承载能力。如有必要，应安装悬架。（5）安全阀的出口处不应有阻力，以避免产生压力。（6）应在安装安全阀之前进行特定的测试和泄漏测试。（7）应定期检查使用的安全阀。

4.4 冷换设备管道的合理设计

在规划石油化工厂的工艺管道时，制冷设备管道的合理布局与其他任何工艺设备完全不同，因为它具有非常复杂的工艺因素。因此，应详细研究与管道运行、维护和热应力相关的这些机械因素。（1）逆流传热。冷水通常从底部向顶部流动。因此，如果换热器有缺陷，就会有一定量的水来防止里面的水被清洁干净。（2）净安装距离。在制冷和换热设备中，通常在换热器输入和输出处的管道法兰和阀门法兰与设备盖板的法兰之间保持合理的净距离，以便于检测。一般间隙约为310mm，便于拆装。（3）关于热应力。如果冷却装置配置合理，换热器的固定点通常安装在管箱的末端，连接头端头的管道也必须充分考虑热膨胀引起的位移效应，以确保热交换器热应力不会对管道使用造成影响。

4.5 塔器的管道合理设计

由于塔器的性质，焊接连接管时无需在塔头下方安装平台，但无需安装阀门、仪表、更换接头等结构管道，其必须在与其连接的管道中进行操作或维修。大多数塔喷嘴通过法兰与管道、阀门、仪表等相连。在喷嘴下方合理高度连接并安装平台，便于操作和维护；从塔孔的位置来看，它们分布在塔的顶部、侧面和底部，从而使所需的平台分布在塔顶、侧面和塔的底部。塔架的打开位置可以以360°仰角放置在塔架周围的任何位置。但根据技术和仪器的专业要求，以及塔架、平台、楼梯、阀门和仪器的布局，并基于上述第一原则，考虑到所有设备的整体布局，范围很小。

（1）维修孔用于塔架内的组装、检查和维护。从水平角度来看，维修孔应位于面向维修区域的操作员一侧，其位置应允许操作员安全进出，而不影响设备操作。为了便于在塔内起吊，检修孔应在塔尖的工作区域内。如果几个塔架配备一个通用平台，通常需要调整平台的高度以适应维修的工作。

（2）通常分馏塔侧线至汽提进料如有调节阀应靠近汽提塔安装，以保证调节阀前有足够高度的液柱。

（3）塔底抽出线至塔底泵的管道应“步步低”不得出现袋形以免塔底泵产生汽蚀。

（4）仪表开口。液面计和液面调节器的开口：应布置在便于监视、检查的位置，其液面应不受流入液体冲击的影响。实际上也受到下列条件的限制:a.液面调节变送器应设在平台或梯子上操作方便的地方，站在梯子上操作的液位调节器和液位计宜安装在梯子的右侧；b.液位调节器最适宜的位置，是在检查液位调节器时可以看到液面计的地方；并应考虑由于液相进料影响液位波动。当塔内设置的挡板不能避免液位波动时，应与设备专业协商解决；c.液位计的方位取决于受液槽与重沸器返回口之间的关系。

（5）人孔。塔的人孔应设在塔的操作侧，一般应设在塔板上方的鼓泡区，不得设在降液管上或降液管口的上方；每3～8层塔板布置一个人孔；人孔中心距平台面高可为600mm至1200mm之间，最适宜的高度为800mm。一座塔的人孔宜布置在同一垂线上。

4.6 泵的管道合理设计

泵管道设计主要包括泵入口处偏心直径的管道设计、泵入口处直管路设计和管道柔性研究。（1）泵入口处偏心直径管道的设计。泵进口偏心管的合理设计主要是为了保证泵的正常运行。当泵入口的偏心直径发生变化时，气体不会积聚在直径发生变化的区域，从而导致气体现象。因此，在泵入口处安装偏心直径时，应使用上层的安装方法，排气阀应安装在最低点，以避免出现间隙。（2）泵入口直管段的设计。泵入口管的设计通常考虑两个因素：首先，泵入口应在一侧，泵入口管支架应可调节，入口管和阀门应在泵的前部。其次，必须避免泵入口管线中的空气阻力，因此设计必须考虑到这一点。（3）柔性管道。由于泵的旋转机构，按压油管会导致油管头错位。有鉴于此，管道设计必须确保泵喷嘴上的压力在允许范围内，尤其是在热补偿方面[7]。

5 结束语

影响石油化工管道设计过程的因素很多。石油化工管道作为石油化工厂物料运输的专用设备，其作用不容小觑。管道的类型也因用途和操作条件而异。良好的管道设计不仅包括管道布置、应力分析、悬挂选择，还包括现场施工支持、材料采购等诸多方面。因此，石油化工厂工艺管道的设计要求应基于一般技术要求、相关设计原则和原则。本文简要介绍了其一小部分工艺管道的设计原则和维护要点，可作为管道设计的依据。