淺談堿廠壓力管道設計

劉 巖

（中昊（大連）化工研究設計院有限公司，遼寧 大連 116023）

純堿生產(chǎn)方法分為天然堿法和合成堿法。美國全部采用天然堿法、歐洲全部采用合成堿法（氨堿法），而我國則同時采用天然堿法、氨堿法和聯(lián)合制堿法生產(chǎn)純堿。

我國的聯(lián)堿法就CO2的供應方案而言，可分為兩大類：一是以合成氨的脫碳氣及爐氣為原料的所謂“濃氣”制堿，另一類則是以合成氨的變換氣為制堿原料的所謂變換氣制堿。

無論采用哪種生產(chǎn)方法，堿廠生產(chǎn)中都要用到輸送中低壓蒸汽、二氧化碳氣、氨氣等介質(zhì)的管道系統(tǒng)，這些管道絕大多數(shù)都屬于壓力管道。在堿廠設計中，壓力管道設計占有比較大的比例。壓力管道是化工生產(chǎn)裝置重要組成部分之一，根據(jù)有關資料統(tǒng)計，由于壓力管道設計方面的缺陷而引發(fā)的壓力管道事故比例高達11%以上。因此，提高對壓力管道設計的重視，規(guī)避設計方面的缺陷，無論從保護國家利益、社會公共利益和人民生命財產(chǎn)安全以及保證堿廠的安全運行、提高堿廠的經(jīng)濟效益等方面均有重要意義。

1 壓力管道定義

要做好壓力管道設計工作，首先必須明確壓力管道的定義，按照其定義正確劃分壓力管道。

國務院2009年5月1日頒發(fā)實施的《特種設備安全監(jiān)察條例》（國務院令第549號）中，將壓力管道定義為：“利用一定的壓力，用于輸送氣體或者液體的管狀設備，其范圍規(guī)定為最高工作壓力大于或者等于0.1MPa（表壓）的氣體、液化氣體、蒸汽介質(zhì)或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或者等于標準沸點的液體介質(zhì)，且公稱直徑大于25mm的管道”。

國家質(zhì)檢總局于2014年10月30日發(fā)布的“質(zhì)檢總局關于修訂《特種設備目錄》的公告”（2014年第114號）所附《特種設備目錄》中將壓力管道的定義修改為：“壓力管道，是指利用一定的壓力，用于輸送氣體或者液體的管狀設備，其范圍規(guī)定為最高工作壓力大于或者等于0.1MPa（表壓），介質(zhì)為氣體、液化氣體、蒸汽或者可燃、易爆、有毒、有腐蝕性、最高工作溫度高于或者等于標準沸點的液體，且公稱直徑大于或者等于50mm的管道。公稱直徑小于150mm，且其最高工作壓力小于1.6MPa（表壓）的輸送無毒、不可燃、無腐蝕性氣體的管道和設備本體所屬管道除外”。

從上述兩個壓力管道的定義可以看出，最新的壓力管道定義將公稱直徑由“大于25mm”改為“大于或者等于50mm”，即縮小了壓力管道的監(jiān)管范圍。雖然國家質(zhì)檢總局更新了特種設備目錄，但是其他標準規(guī)范還沒有及時更新，比如GB／T 20801－2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》等規(guī)范對壓力管道的定義還未作改變。因此，在具體設計工作中如何把握尚有待進一步明確。

2 堿廠壓力管道的類別和級別

2.1 堿廠壓力管道的類別

特種設備安全技術規(guī)范TSG R1001－2008《壓力容器壓力管道設計許可規(guī)則》附錄B中將壓力管道按其用途劃分為四類，即GA類：長輸管道；GB類：公用管道；GC類：工業(yè)管道；GD類：動力管道。

GC類工業(yè)管道是指企業(yè)、事業(yè)單位所屬的用于輸送工藝介質(zhì)的工藝管道、公用工程管道及其他輔助管道，其中包括延伸出工廠邊界線，但歸屬企、事業(yè)單位管轄的工藝管線。

根據(jù)上述規(guī)定，堿廠的壓力管道應屬于工業(yè)管道即GC類。

2.2 堿廠壓力管道的級別

TSG R1001－2008《壓力容器壓力管道設計許可規(guī)則》附錄B中將GC類工業(yè)管道細分為GC1級、GC2級和GC3級，具體規(guī)定詳見《壓力容器壓力管道設計許可規(guī)則》附錄B。

根據(jù)GC類壓力管道級別劃分的具體規(guī)定，堿廠中變換氣制堿的變換氣管道為GC1（1）級，因變換氣中的一氧化碳屬于GB 5044—85《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級》中規(guī)定的高度危害氣體介質(zhì)。除變換氣制堿中的變換氣管道外，堿廠中的其余管道均屬于GC2級或GC3級壓力管道。

這里需要注意的是，HG 20660－2000《壓力容器中化學介質(zhì)毒性危害和爆炸危險程度分類分類》中CO屬于中度危害介質(zhì)，不屬于高度危害介質(zhì)。而在GB 5044—85《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級》中將CO定為高度危害介質(zhì)。因此，在確定壓力管道的級別時不要用錯了標準，否則會降低壓力管道的級別，如將變換氣管道定為GC2級，得出不同的結(jié)果。

3 壓力管道設計程序

工程公司或設計院在接受堿廠壓力管道設計任務后，按照工程公司或設計院的設計質(zhì)量管理體系，由項目經(jīng)理組成“工程項目組”；項目經(jīng)理組織、討論、制定設計方案，進行壓力管道設計準備工作；項目經(jīng)理編制“工程項目開工報告”，安排設計、校核、審核、審定等人員，按照《壓力管道設計技術責任制》和《壓力管道設計各級人員考核制度》明確各自職責；負責收集設計基礎數(shù)據(jù)和相關資料；明確各專業(yè)設計分工范圍，制定設計進度協(xié)作表；各專業(yè)設計人員按照國家有關壓力管道設計的現(xiàn)行有效的法律、法規(guī)、標準、規(guī)范進行設計，為業(yè)主提供設計說明、設備材料表、設計圖紙及壓力管道設計計算書等符合《工程設計文件編制規(guī)定》的設計文件。

4 壓力管道設計的基本原則

1）管道設計要滿足工藝要求，管道材料、各種組件、附件等適當組合，全面滿足生產(chǎn)要求；

2）管道設計要保證管道間有足夠的空間，方便施工、操作、維護；

3）管道設計要滿足防火、防爆和安全生產(chǎn)的要求；

4）管道設計要做到走向合理，避免不必要的往返和轉(zhuǎn)折，節(jié)省管道材料，使管道設計經(jīng)濟合理；

5）管道設計要做到排列規(guī)范、整齊、美觀，管道橫平豎直，縱橫成行，除特殊情況外，不采用歪斜管道布置方式。

5 壓力管道設計溫度的確定

壓力管道設計溫度和設計壓力確定的正確與否關系到一個堿廠建設項目壓力管道設計的好壞，必須引起足夠的重視。

B／T 20801－2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》中規(guī)定：“壓力管道的設計溫度應按操作中可能遇到的最苛刻的壓力和溫度組合工況的溫度確定，同一根管道中的不同管道組成件的設計溫度可以不同。”

壓力管道的設計溫度，考慮到環(huán)境、隔熱以及操作穩(wěn)定性等因素的影響，應略高于由內(nèi)壓（或外壓）與溫度構成的最苛刻條件下的最高工作溫度。

5.1 多工況條件下壓力管道設計溫度

存在兩種或兩種以上工況條件下的壓力管道，其設計溫度應取與內(nèi)壓（或外壓）構成的最苛刻條件下的最高工作溫度，并對其它工況進行校核。

這種情況在堿廠設計中較少見，而在精細化工項目中較為多見。如一臺反應釜的夾套中往往是蒸汽介質(zhì)和冷凍介質(zhì)交替使用。

5.2 管道中有安全閥時設計溫度

有安全閥的管道的設計溫度，取該管道中介質(zhì)排放時，可能出現(xiàn)的最高或者最低溫度為該管道的設計溫度。如堿廠液氨管線上的安全閥，要考慮液氨泄放時產(chǎn)生的低溫。

6 壓力管道設計壓力的確定

GB／T 20801－2006《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道》中規(guī)定：“壓力管道的設計壓力，應不小于在操作中可能遇到的最苛刻的壓力和溫度組合工況的壓力?！?/p>

壓力管道的設計壓力，考慮到管道中介質(zhì)靜液柱壓力等因素的影響，一般應略高于由內(nèi)壓（或外壓）與溫度構成的最苛刻條件下的最高工作壓力。

6.1 管道中有安全閥時設計壓力

管道在運行過程中，如果存在超壓的可能時就應該設置安全閥。此時該管道的設計壓力應不低于安全閥的開啟壓力。如變換氣制堿中變換氣管道的操作壓力為1.6MPa，管道上安全閥的開啟壓力如果取操作壓力的1.05倍即1.68MPa時，則該管道的設計壓力為P≥1.68MPa；管道上的安全閥的設定壓力如果取操作壓力的1.1倍即1.76MP時，則該管道的設計壓力為P≥1.76MPa。

6.2 離心泵出口管道設計壓力

離心泵在啟動時，為減少啟動電流，應關閉出口閥，這樣就會在泵出口閥之前的管道和泵內(nèi)產(chǎn)生一個較高的壓力，所以泵出口管道的設計壓力應取泵出口閥關閉時壓力值。

6.3 與設備相連的管道設計壓力

當管道與塔或容器等設備相連時，其設計壓力應不低于與其所連接設備的設計壓力。當管道內(nèi)的液柱較高時，還應考慮該液柱靜壓頭的影響。對于管道來說，其受力要比設備復雜，這是因為它除了受介質(zhì)載荷之外，還要受到管道熱脹冷縮產(chǎn)生的二次應力的影響。因此，管道的設計壓力一般應不低于與其所連接設備的設計壓力。

7 管道壓力等級的確定

在確定管道壓力等級時，通常把管道中由標準管件的公稱壓力等級和壁厚等級共同確定的能反映管道承壓特性的參數(shù)，叫做管道的壓力等級。為簡化描述，習慣上常把管道中管件的公稱壓力等級，叫做管道的壓力等級。

壓力管道等級的確定，是整個壓力管道設計的基礎，也是壓力管道設計的核心。壓力管道等級確定的正確與否，直接影響著壓力管道基建投資和壓力管道的安全可靠性。

需要注意的是：管道壓力等級和設計壓力是不同的概念，不可等同；管道壓力等級主要對管道的壁厚和管道組成件的密封性能有影響。設計壓力是根據(jù)最高工作壓力來定的，一般工作壓力小于等于1.8MPa時，設計壓力等于最高工作壓力＋0.18 MPa，除此之外還要遵守《工業(yè)金屬管道設計規(guī)范》中的其他規(guī)定。而管道的壓力等級就要根據(jù)相關“規(guī)范”和設計壓力這兩個因素來定了。

8 管道布置設計時應特別注意的事項

1）堿廠中有毒介質(zhì)管道的連接，應采用焊接連接。除非有特殊需要，不得采用螺紋或法蘭連接。有毒介質(zhì)管道應架空敷設，不應埋地敷設，并應設置有明顯標志，以區(qū)別于其他管道。如變換氣制堿中的變換氣管道、液氨管道等。

2）管道布置時，為了減少氣袋或液袋，宜做到“步步高”或“步步低”。當不可避免時，應根據(jù)操作和檢修要求設置必要的放空、放凈管道。

3）需要熱補償?shù)墓艿缿_定合理的熱補償方案，如堿廠中煅燒工段中的中壓蒸汽管道，因為溫度和壓力均比較高，由熱脹冷縮會產(chǎn)生較大的軸向位移，所以應對整個管道系統(tǒng)進行應力計算，以確定合理的熱補償方案和管道支撐點位置。

4）堿廠中與轉(zhuǎn)動機械設備連接的管道，如煅燒工序中與回轉(zhuǎn)式蒸汽煅燒爐連接的管道，應保證管系有足夠的柔性，通常采取以下措施：①采取改變管道走向的方法，增強自然補償能力；②采用金屬波紋管補償器；③采用彈簧支吊架；④在適當位置設置固定支架。

5）堿廠的管道，當穿過廠房的樓板、墻面或者屋頂時，應加套管，管道與套管間應密封。當管道有保溫層時，套管的直徑應大于管道保溫層的外徑。套管應高出屋面或者樓板面50mm。穿過屋面的管道應設置防雨罩。

6）布置有毒和腐蝕性介質(zhì)的管道，如堿廠中的母液管道、液氨管道等，這些管道易泄漏部位如法蘭和螺紋連接處，不應布置在人行通道或機泵上方，以免對人身和設備造成危害。

7）對于有保溫層的管道，應在管架處設置管托。沒有保溫層的管道，可不設置管托。當保溫層厚度小于或等于80mm時，可選用100mm高的管托；當保溫層厚度大于80mm時，可選用150mm高的管托；當保溫層厚度大于130mm時，可選用200 mm高的管托；保冷管道應設置保冷型管托。如堿廠中氯化銨工序的液氨管道，應采用保冷管托。

8）對于變換氣制堿中的變換氣、加壓碳化塔出氣管和放空管均需靜電接地。

9）在設計說明中要對壓力管道焊縫射線照相檢驗要求、抽檢比例、壓力管道的水壓試驗要求、水壓試驗壓力以及壓力管道的泄露性試驗要求等等，都要做出詳細的規(guī)定。

9 有關問題的探討

9.1 有關三維配管軟件

目前在管道布置設計中，大多數(shù)設計單位配備了三維配管軟件。國內(nèi)大型工程公司引進美國的PDS或英國的PDMS三維配管軟件，價格昂貴。一般設計單位選用國內(nèi)開發(fā)的PDSOFT三維配管軟件，都取得不錯的效果。目前在堿廠設計中，有不少腐蝕介質(zhì)管道選用了非金屬管材，如聯(lián)堿廠中的母Ⅰ、母Ⅱ、氨Ⅰ、氨Ⅱ等管線；氨堿廠中的氨鹽水等管線，部分采用了鋼塑管或尼龍管，這些非金屬管材有的只有企業(yè)標準。PDSOFT三維配管軟件自帶的物理數(shù)據(jù)庫中缺少這些管材的數(shù)據(jù)，這時候就需要設計人員自己建立此部分管材的數(shù)據(jù)庫。在建立數(shù)據(jù)庫時一定要認真、細致，反復核對，確認無誤后再進行三維管道模型的建立。否則，如果數(shù)據(jù)庫不準確，會對后面的自動生成管道布置圖、軸測圖造成影響，甚至出不了圖；也會影響綜合材料表的準確性。

9.2 有關管材A系列和B系列的選擇

選材是否正確也是決定壓力管道設計好壞的重要因素。在堿廠設計中，管材是選ⅠA系列（即美標英制系列）還是選Ⅱ系列（即國標公制系列）是困擾設計人員的一個問題。按照目前的大趨勢是傾向于ⅠA系列，因為ⅠA系列是國際通用系列，Ⅱ系列已經(jīng)過時了。從2013年開始中石化就全部采用美洲體系的ASME B31.3標準體系。而國內(nèi)堿廠的業(yè)主往往習慣于Ⅱ系列。所以在這個問題上應尊重業(yè)主的習慣，提前與業(yè)主溝通，尊重業(yè)主的選擇。一旦選錯造成返工，既影響設計進度，又影響項目建設進度，后患無窮。

10 結(jié) 語

在堿廠壓力管道設計中，必須嚴格執(zhí)行國家有關壓力管道設計的現(xiàn)行有效的法律和法規(guī)，以及壓力管道安全技術規(guī)范和工程建設強制性標準的規(guī)定，按照壓力管道設計程序和管理規(guī)定，通過不斷實踐和總結(jié)，在細節(jié)上下功夫，逐步提高壓力管道設計質(zhì)量和水平，以確保堿廠壓力管道的安全運行。