石油化工裝置工藝管道設(shè)計的合理性探討

（山東石大勝華化工集團(tuán)股份有限公司， 山東 東營 257000）

化工設(shè)計

石油化工裝置工藝管道設(shè)計的合理性探討

張 志 威

（山東石大勝華化工集團(tuán)股份有限公司， 山東 東營 257000）

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，石油化工產(chǎn)業(yè)得到不斷發(fā)展，石油化工裝置的規(guī)模也不斷擴(kuò)大。化工裝置的管道設(shè)計直接關(guān)系到設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及工作人員的人身安全，就必須對其進(jìn)行合理設(shè)計。由于石油化工裝置管道的設(shè)計要求較為苛刻，同時受到多種因素的共同制約，若設(shè)計不當(dāng)，勢必造成嚴(yán)重安全事故，如空氣中毒以及火災(zāi)爆炸等。以首先闡述石油化工裝置工藝管道在設(shè)計時應(yīng)注意的問題，重點探討其設(shè)計的合理性，以望對后期管道設(shè)計人員提供一定的借鑒。

石油化工裝置；工藝管道；設(shè)計探討

管道是石油化工裝置的“血管”，其重要性不言而喻。管道工程作為石油化工裝置的重要組成部分，在石油化工中具有重要作用。管道不僅將各類設(shè)備以及系統(tǒng)設(shè)施連接起來，形成一個完整的整體，而且還是運(yùn)輸各種流體的保障，起到保護(hù)資源以及保護(hù)環(huán)境的作用［1］。尤其是對化工裝置中的易腐蝕、易爆以及有毒的物質(zhì)起著重要作用。長期以來，石油化工裝置中由于管道閥門泄露所引起的爆炸、中毒事故時常發(fā)生，不僅損害了工作人員生命，而且還造成了資源的巨大浪費(fèi)[2]。追究這些事故發(fā)生的原因，大多是由機(jī)器腐蝕、管道設(shè)計不合理造成的，鑒于此種問題，必須對石油化工裝置管道進(jìn)行合理設(shè)計。

1 石油化工裝置工藝管道設(shè)計中應(yīng)注意的問題

石油化工裝置管道在設(shè)計時應(yīng)注意的相關(guān)問題：首先，設(shè)計安全合理的工藝路線。管道工藝路線的設(shè)置在整個石油化工裝置工藝中占著重中之重的地位，工藝路線的好壞直接關(guān)系著后期工藝的施工，因此應(yīng)將工藝路線的安全設(shè)計放在首位。使用一些危險性較小的物質(zhì)材料；在設(shè)計時應(yīng)盡量減少危害化工裝置的危險介質(zhì)，進(jìn)而減少事故的發(fā)生；使工藝設(shè)計的流程盡量簡單化，避免復(fù)雜性操作；在設(shè)計階段采用一些輔助材料來降低工藝過程中的苛刻條件。

其次，設(shè)計安全的工藝過程。工藝過程的安全性直接關(guān)系到石油化工裝置的整體質(zhì)量。在管道設(shè)計的過程中，應(yīng)充分考慮到使用材料的易燃以及易爆性，同時應(yīng)做好防火以及防爆的安全措施；需做好相關(guān)報警設(shè)置，預(yù)測潛在風(fēng)險，及時反應(yīng)以及避免事故的擴(kuò)大；在工藝設(shè)計過程中，對于可能出現(xiàn)的狀況以及問題，做好預(yù)測，在生產(chǎn)裝置上設(shè)置自動連鎖緊急停車裝置等；對于引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)時，應(yīng)考慮其工藝設(shè)備的安全性，在使用前對其進(jìn)行檢測，必須符合我國的法律法規(guī)。再次，做好管道設(shè)計的組織工作。由于石油化工的特殊性，項目建設(shè)時間一般較短，若在設(shè)計上的調(diào)配不合理，就會出現(xiàn)熬夜加班現(xiàn)象，影響工作效率以及工作質(zhì)量，因此，應(yīng)做好團(tuán)隊組織工作，發(fā)揮團(tuán)隊的合作性[3]。最后，提高設(shè)計人員的綜合素質(zhì)。管道設(shè)計需要設(shè)計人員來完成，設(shè)計的安全性以及合理性在很大程度上取決于設(shè)計人員的專業(yè)水平以及道德水平。若設(shè)計人員缺乏創(chuàng)新意識，在設(shè)計中采用習(xí)慣性的工作，缺乏主動思考能力，沒有對項目進(jìn)行實際掌握，忽視了參數(shù)設(shè)計等，勢必導(dǎo)致管道存在質(zhì)量問題，甚至發(fā)生工程事故。

2 石油化工裝置工藝管道設(shè)計的合理性

管道設(shè)計在化工廠中占著重要地位，其設(shè)計內(nèi)容基本沒有變化，除了上述應(yīng)注意的問題之外，還需要對掌握良好的規(guī)范以及常識性的知識，對工藝圖充分了解，進(jìn)而滿足生產(chǎn)工藝要求等[4]。下面對管道材料與等級分解的設(shè)計、管道與閥門布置、塔與容器管線設(shè)計、冷換設(shè)備管線設(shè)計、工藝管架設(shè)計、泵的管線設(shè)計以及儀表元件的布置這些方面進(jìn)行論述。

2.1 管道材料與等級分解的合理性

石油化工裝置中由于高壓系統(tǒng)以及低壓系統(tǒng)在壓力與溫度上存在著明顯差異，因此，在連接高壓系統(tǒng)以及低壓系統(tǒng)時必須按照低壓關(guān)閉管路的等級進(jìn)行分界點的劃分。若沒有特殊情況，按照P＆ID對節(jié)限進(jìn)行明確的劃分，若有特殊情況，則需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H情況進(jìn)行相應(yīng)的改變，正確劃分界點以及界線[5]。等級分解一般分為以下3種情形：

其一，壓力的等級相同，但材質(zhì)不同，如圖1。

圖1 壓力等級相同材質(zhì)不同F(xiàn)ig.1 Different materials under the same pressure level

其二，材質(zhì)相同，但壓力等級不同，如圖2所示。

圖2 壓力等級不同材質(zhì)相同F(xiàn)ig.2 The same materials under different pressure rating

其三，壓力等級以及材質(zhì)均不相同，見圖3。由圖1可知，一般情況下，法蘭與墊片采用低材質(zhì)，螺栓以及閥門采用高材質(zhì)；由圖2可知，法蘭、墊片、螺栓以及閥門必須采用高等壓；由圖3可知，法蘭與墊片則使用材質(zhì)為a的高壓等級，而螺栓以及閥門則采用材質(zhì)為b的高壓等級。

圖3 壓力等級不同材質(zhì)相同F(xiàn)ig.3 The same materials under different pressure rating

2.2 塔與容器管線設(shè)計的合理性

石油化工設(shè)置中，對于塔與容器的管線設(shè)計應(yīng)充分考慮其設(shè)計原理以及工藝中的特殊要求。主要分為分餾塔與回流罐之間的管線布置、分餾塔與汽提塔之間的管線布置。

2.2.1 分餾塔與回流罐之間的管線布置

當(dāng)分餾塔的塔頂壓力采用熱旁路控制時，必須充分考慮熱旁路短而無袋形的出現(xiàn)，將調(diào)節(jié)閥應(yīng)設(shè)在回流罐的上面位置，如圖4所示。

圖4 分餾塔與回流罐之間的管線布置Fig.4 Piping layout between the fractionating tower and reflux tank

2.2.2 分餾塔與汽提塔之間的管線布置

在一般情況下，分餾塔中應(yīng)有調(diào)節(jié)閥組，該氣閥組應(yīng)靠近汽提塔進(jìn)行安裝，進(jìn)而確保調(diào)節(jié)閥有足夠的液柱，如圖5所示。

圖5 分餾塔與汽提塔之間的管線布置Fig.5 Piping layout between the fractionator and stripper

2.2.3 根據(jù)情況布置汽液兩相流管道

在對汽液兩相流的管道進(jìn)行布置時，管道上的調(diào)節(jié)閥應(yīng)最大限度靠近接收介質(zhì)的容器布置，達(dá)到降壓管道的壓力，杜絕管道出現(xiàn)震動現(xiàn)象，同時管線不可隨意敷設(shè)，必須根據(jù)實際情況進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計，如圖6所示。

圖6 汽液兩相流管道的設(shè)計Fig.6 Design of pipeline with gas liquid two phase flow

2.3 管道與閥門布置的合理性

管道與閥門的布置應(yīng)從采樣點的設(shè)置以及蒸汽吹掃管線的設(shè)置這兩方面進(jìn)行分析：首先，采樣點的設(shè)置。必須滿足相關(guān)工藝的設(shè)計要求，將其設(shè)在主管上，并且在分支前方，避免在死角位置進(jìn)行采樣以及水平管的底部，需要確保采集到的樣品具有代表性。

其次，蒸汽吹掃管線的設(shè)置。該管線在化工設(shè)置中是較為普通的管線，其主要目的是為了發(fā)現(xiàn)以及判斷漏洞，對于不同的工藝管線應(yīng)連接蒸汽吹掃線，采取此種方式進(jìn)行安裝的優(yōu)點為若其中一支管發(fā)生泄漏時，可以將該關(guān)閉該支管上的切斷閥，不會影響其他的分支管體蒸汽總管的正常運(yùn)行。

2.4 冷換設(shè)備管線設(shè)計的合理性

石油化工裝置工藝管道設(shè)計過程中，冷換設(shè)備管線的合理布置明顯不同于其他任何一種工藝設(shè)備，其具有很多十分復(fù)雜的工藝因素，因此，在對其進(jìn)行操作、檢修以及管道熱應(yīng)力過程中，必須對這些機(jī)械化因素進(jìn)行詳細(xì)檢查。（1）關(guān)于逆流換熱。冷換設(shè)備的冷水走管程一般是下入上出，以便發(fā)生故障時，換熱器內(nèi)存有一定量得水，不至于里面的水被排空。（2）關(guān)于安裝的凈距離。在冷換設(shè)備換熱過程中，為了對其檢測方便，通常將換熱器進(jìn)出口處得管線及閥門法蘭與設(shè)備的封頭蓋法蘭留有相應(yīng)的凈距離，通常情況下，為了給拆卸提供方便將其凈距離設(shè)為310 mm左右。（3）關(guān)于熱應(yīng)力。在冷換設(shè)備合理布置過程中，一般將換熱器的固定點設(shè)置在管箱的端部，就連接頭端管嘴的管道也必須根據(jù)換熱器熱漲導(dǎo)致的位移影響進(jìn)行充分考慮。

2.5 冷換設(shè)備管線設(shè)計的合理性

管架的設(shè)計與管道的設(shè)計兩者之間緊密聯(lián)系在一起，若管架的設(shè)計部當(dāng)時，就會導(dǎo)致管道在運(yùn)行的過程中出現(xiàn)管道損壞現(xiàn)象，甚至使設(shè)備受損等[6]。

（1）減少管道與支架之間的相對位移。由圖7所示：蒸汽管道中，主管道旁一般都有排水小管，若將A點當(dāng)做支面上的支架，由于垂直管段容易發(fā)生膨脹，就會阻礙彈簧的向下移動，進(jìn)而使設(shè)備受到損害。因此，鑒于此種問題，其正確的設(shè)計方法應(yīng)為圖 8所示：將支于地面上的支架設(shè)在主管上，同時支架隨著主管架一起升降，這樣一來，就減少了管道與支架的相對位移。

圖7 原始設(shè)計方法Fig.7 The original design method

圖8 優(yōu)化后設(shè)計方法Fig.8 Optimal design method

（2）管架的設(shè)置若合理，還能夠減少浪費(fèi)現(xiàn)象，由于彈簧架的彈性時間久了就會失去彈性，因此，進(jìn)行管架的設(shè)計時最大限度減少彈簧的支架的使用。

（3）管線的敷設(shè)。沿塔敷設(shè)的管線一般情況下只設(shè)置一個承重支架，并且支架距離塔頂應(yīng)有焊接線，如果一個承重支架荷重過大時，可以設(shè)置另外一個支架，該支架應(yīng)設(shè)置彈簧支架，并且每隔一定間距就設(shè)置導(dǎo)向支架。若塔回流線與塔壁之間的溫差較大時，所產(chǎn)生的身長量也比較大，在水平管段上的第一個支架應(yīng)垂直拉移，設(shè)置彈簧支架，當(dāng)L較長時，若有足夠相對身長量時，也可以設(shè)置導(dǎo)向管卡。

2.6 冷換設(shè)備管線設(shè)計的合理性

泵的管線設(shè)計主要分為泵入口偏心徑管的設(shè)計、泵入口直管段的設(shè)計以及管道柔性研究。

（1）泵入口偏心徑管的設(shè)計。對泵入口偏心徑管進(jìn)行合理設(shè)計主要是為了保障泵工作的順利開展，若泵入口偏心徑發(fā)生改變時，就會使氣體不在變徑位置匯聚，進(jìn)而會產(chǎn)生汽蝕。因此，在安裝泵入口偏心徑時應(yīng)采用頂平安裝法，同時在最低點安裝排液閥，這樣一來，就能夠避免汽蝕。

（2）泵入口直管段的設(shè)計。泵入口管線的設(shè)計一般考慮兩方面的因素：其一，泵的進(jìn)口在一邊，泵的入口管支架應(yīng)是可調(diào)控式的，并且入口管以及閥門應(yīng)在泵的側(cè)前位置；其二，對于進(jìn)泵管線應(yīng)避免有氣阻，因此，在設(shè)計時需要注意這一點。

（3）管道柔性。由于泵是回轉(zhuǎn)機(jī)械，管道推理作用下會使得管嘴巴發(fā)生定位偏移，鑒于此種問題，對管道進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)保證泵嘴受力在允許的范圍之內(nèi)，特別需要考慮熱補(bǔ)償。

3 結(jié)束語

石油化工裝置工藝管道設(shè)計是一項較大的工程設(shè)計，不僅需要人際人員掌握專業(yè)知識，而且還需要設(shè)計人員具有創(chuàng)新意識，在管道設(shè)計中能夠根據(jù)實際情況，設(shè)計合理的管道，才能夠確保石油化工管道的安全性，最終保證化工設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

［1］尹伊君.有關(guān)石油化工裝置的管道設(shè)計與工藝探討[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2012,33(9):93.

［2］孫秀敏,張敏.石油化工裝置設(shè)計與安全[J].甘肅科技,2009,25(3):38-4 0;37.

［3］馬峻.結(jié)合實例分析石油化工裝置工藝管道設(shè)計的合理性[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2013(5):80.

［4］劉斌章.石油化工裝置管道工藝的設(shè)計研究[J].現(xiàn)代企業(yè)文化,2009(1 4):143-144.

［5］田卉.石油化工裝置工藝管道設(shè)計探討[J].化學(xué)工程與裝備,2008(3): 78-82.

［6］李器.關(guān)于石油化工裝置工藝管道設(shè)計的探討[J].中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量,2013(9):133.

Discussion on Rationality of Process Pipeline Design for Chemical Plants

ZHANG Zhi-wei
（Shandong Shida Shenghua Chemical Group Co.,Ltd., Shandong Dongying 257000，China）

In recent years, with the rapid development of our social economy, petroleum and chemical industry has been developing, the scale of petrochemical plants also expands continually. Chemical plant piping design is directly related to the normal operation of the equipment and personal safety of the staff, so the reasonable design of chemical plant piping is very important. Because the design requirements of petrochemical plant piping are more stringent, petrochemical plant piping design is restricted by a variety of factors. If the design is improper, serious safety accidents will happen, such as air poisoning, fire and explosion. In this paper, the problems that should pay attention in the design of petrochemical plant process piping were introduced, the rationality of the design was discussed, which can provide a reference for pipeline design personnel.

Petroleum and chemical equipment; Process piping; Design

TE 863

： A

： 1671-0460（2014）04-0611-03

2013-09-21

張志威（1979-），男，山東東營人，工程師，2003年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）化學(xué)化工學(xué)院環(huán)境工程專業(yè)，研究方向：主要從事工程項目建設(shè)及管理工作。