化工管道的設計研究

孟 杰

（山東科達化工工程有限公司，山東濰坊 261041）

1 化工管道的設計

1.1 管道參數設計

化工行業在物料的運輸方面，管道作為重要的載體，要用各種類型的管道，并且對于管道的運行標準有著嚴格的把關。為了保證管道使用中產生中的各種危險因素不會發生，保證管道的穩定運行，要在設計中要進行多方面的考慮。首先要考慮管道的受壓極限和可承受的溫度范圍來選擇合適管道材料。其次要嚴格地把控管道設計系數，如直徑、內徑、機械強度等，將其各項示數控制到可控范圍內，以保障工人們安全的工作環境以及化工生產的需要。如果選擇的材料不適合當前化工要求或者管道設計系數并不適合，這將會在化工生產過程中管材運輸和管道運輸引起的化學物質反應，管道破裂，化工生產不能正常進行，給化工企業帶來嚴重的經濟損失。

1.2 管道的和配件的選用

管道設計是一個復雜的工作，首先要對工廠廠房進行分析，還要考慮各方因素的影響，參考相關工業的管道設計，并且對一些不可控的因素進行分析評價。在選擇配件方面，要選擇與管道材料適配的元件，要先對其進行實際工業流程的實驗分析，堅決杜絕使用一些劣質材料，如果選用了此類材料，將在未來的化工生產過程中產生不可逆的危害。現如今管道種類很多，如碳鋼20、銘鉬鋼15CrMoG、不銹鋼304SS等，要選用高質量的管道，有利于行業的穩定生產。

1.3 管道和元件的組裝

化工管道的安裝是由化工管道貫穿各類零件及設備完成的化工工藝設計，焊接在管道安裝方面有著重要的作用。在管道安裝過程中，對焊接技術的要求很高。前提必須符合本工藝的要求，要規劃和管道的設計路線，在保障完整工作的前提下，盡量地設計美觀，這需要事先設計好管道的走線以及與設備的連接，一步步優化化工管道安裝的方案。并且還需要做好各個方面的協調工作，及時解決安裝中出現的問題。

1.3.1 閥門的安裝

閥門與管路或設備之間連接方式的正確選擇會直接影響到管道與閥口之間是否會產生氣泡等現象，現如今比較常見的管道與閥門的連接方式主要有：法蘭連接、螺紋連接、卡套連接等。其中法蘭連接方式容易日后更換被廣泛使用，其主要是由管體連接的閥體兩端帶有法蘭，并且與管道上的法蘭相互對應，連接后再通過螺栓固定法蘭使閥體安裝到管道中。要注意在安裝時使用金屬纏繞墊片，保障管體與閥門之間的氣密性以及減輕在物料運輸過程中的震動，減緩震動的能量，使螺栓不易脫落。在正常情況下，此類的閥門應安裝顯眼的位置，以便發生事故后可以及時阻斷物料的輸送。

1.3.2 泵的安裝

對于管道與泵的安裝，要從工藝本身要達到的要求入手，首先要求安裝高度應小于允許吸上真空高度減去進水管路損失。并在連接管道泵后，其出水口法蘭處應裝上壓力示數表，以便觀察和控制泵的運行工況。在設計過程中值得注意的是管道的重量不應該作用到泵體表面。根據安裝情況，將泵體安裝在通風的地方，室外安裝應加防護罩，避免太陽曝曬及雨淋。在符合上述管道安裝要求后，在安裝前還要仔細查看管道有無變性和損壞，檢查泵體管道銜接處有無異物堵塞，以免水泵運行時損壞葉輪和泵體。有時因為泵體產生壓力來輸送物料，泵體本身的震動會影響與管道的銜接。因此要安裝減震器，在安裝時使減振器能本體水平，并能使同一機組的各減振器保持在同一標高位置。這樣可以防止泵體的水平移動。

1.3.3 壓縮機的安裝

壓縮機的安裝需要先將壓縮機的吸氣管道設置在室外，在陰冷處放置。因為管道設置在室外，為了減少氣體的流動一般設置管壁厚度不宜小于3mm，并且再穿墻處應置于防震擋套管內。之后壓縮機的吸氣管道要安裝一個高效過濾器，使其緊靠主機，如果同時安裝消音器，避免設備運作時脈沖產生影響，應該把消音器安裝到過濾器之后。并且設置的管道的直徑要足夠大，路線緊湊，這樣可以減少管道中的凝液析出和壓力損失，選取的管道要能承受設備運作時的震動。對于壓縮機的排氣口到冷卻器的管道要盡量縮短距離，再設置一個熱補償裝置，并且可以方便日后進行清理此處管道。

2 化工管道影響的分析

2.1 管道穩定性分析

化工領域中輸送流體的管道，常常因含氣流體的管道輸送伴隨著管道的振動作用，在某些情況下會導致管道的快速破壞。氣體沿管道長度的積累和不均勻分布導致脈動振動，并導致流體重心沿管道橫截面發生位移，從而使管道承受額外的動載荷，減少管道的使用壽命。面對輸送長距離的物料時，因管身過長導致管道的懸置，導致管道的彎曲應力增大，這也使得管道的焊縫處也會產生向下彎曲引起的彎曲應力，從而導致軸向應力使焊接處發生形變。因此為管道的焊接接頭強度失效或管道自身過重使得管體破裂，可以在管體外部設置保護支架，使得管道受到的應力減小，延長管體的使用壽命。

2.2 管道熱力學分析

關于化工領域中輸送流體的管道，有些管道需要鋪設在地下，對于供熱管網系統，地上管道的運行很容易監測，但長期暴露在地下對管道的熱損失有很大影響，與小口徑管網系統相比，大口徑管網系統會放大更多的安全隱患。對于埋地采暖管道系統，高溫高壓的隨著管網口徑的增加，在管網中流動的介質，百萬噸熱水產生的應力對管道的影響不容忽視，流動特性被放大，溫度邊界層和速度邊界層對流動和傳熱的影響也被放大。不同位置之間的溫差會造成很大的熱應力。隨著時間的推移管道將會發生永久形變。其主要原因是埋設條件下管道的變形主要受流動介質溫度的影響。隨著壓力的增加，壓力載荷的影響逐漸趨近于溫度載荷的影響，直到一定的壓力條件下，溫度和壓力載荷的影響基本相同。之后，壓力載荷主導了變形。

2.3 管道斷裂問題

材料會因工作的不同改變其結構和性能，需要將材料數據與實際材料狀態聯系起來進行分析研究。化工管道的運行條件比較復雜，對它們來說更重要的是機械和熱負荷的變化以及惡劣環境的影響。在熱負荷和機械負荷下，材料特性也會發生變化。在化工領域中，管道斷裂現象也常常來源于長期運行導致，主要輸氣管道金屬的物理力學性能下降。這主要與工藝應力影響、土壤沉降、暴露于腐蝕環境、氫脆等作用下結構狀態發生變化有關。運行因素的影響導致管道材料力學性能下降。并在不超過最大允許設計值的載荷值下增加它們的斷裂概率。

2.4 管道的焊接受力分析

焊接管道通常用于各種工程應用，在化工領域中，在焊接過程中的縱向和橫向殘余應力對結構耐久性都有顯著影響。焊接殘余應力通常集中在焊道附近，這是由于圓周焊接過程中的瞬時局部加熱和隨后的快速冷卻造成的。實驗研究表明，在有限元分析中可以利用最少數量的焊接層來提高效率，而不影響全厚度殘余應力分布特征，并且對于補焊深度對補焊后的殘余應力有顯著影響。隨著補焊深度的增加，壁厚方向的高應力區范圍擴大，選擇較小的補焊深度可以獲得更理想的補焊后殘余應力分布。在焊接后焊接殘余應力是不受負載的管道所自身具備的應力，它將會和實際工作中的各種應力相互疊加作用到管道本身，因此較小的焊接深度可以減少焊接殘余應力的產生，增強管體的抗負荷性。

3 管道開發

3.1 提高管道效率的方法

用于石油和天然氣等化工行業，減少物料在管道過程中產生的湍流是非常重要的，因為湍流使流體粒子以混亂的方式移動，從而將泵送能量重定向到多個方向。因此，摩擦發生并導致阻力，阻力是管道內導致流速降低的壓頭損失。為了克服流量下降的問題，沿管道安裝了更多的泵站以提供能量并維持所需的流量，但是泵站的安裝成本高且在經濟上不可行。為了克服這個問題，減少管道內部的阻力是一種可行的方案。目前實驗已開發出一種減阻劑具有高黏彈性，通常是一種碳氫化合物，因此添加這些減阻劑不會影響精煉過程或精煉產品的物理特性。減阻劑和溶劑的混合物將產生一種溶液，該溶液具有黏彈性、與時間無關、可剪切降解和非牛頓流體。減阻聚合物是長鏈高分子，分子量大，溶解速度快，降解速度慢，能夠降低泵送功率和提高管道容量。

3.2 減緩管道腐蝕的方法

腐蝕對化工等行業基礎設施的所有方面都具有巨大的經濟和環境影響，除了造成嚴重的環境破壞和對公共安全的威脅外，腐蝕還會干擾運營，需要對故障資產進行大量維修和更換。因此，減緩管道的腐蝕對于化工行業非常重要。目前對于石油管道的防泄漏處理方法，如殺菌劑、界面抑制劑、涂層和內襯、陰極保護等，其中保護效果最好的為陰極保護法，由于內部和外部腐蝕都會導致石油管道泄漏。管道由于暴露于外部環境而發生外部腐蝕。涂層已被用于保護管道免受環境因素的影響。

這些涂層容易出現孔洞和腐蝕，從而促進局部腐蝕。這些假期背后有幾個原因，例如來自土壤的壓力、管道的移動、惡劣的環境。通過引入陰極保護以保護外部管道表面免受腐蝕。陰極保護系統依賴于犧牲陽極或外加電流的部署。在犧牲陽極系統中，諸如Mg或Zn之類的金屬連接到管道。這種金屬腐蝕并向受保護的管道釋放電流。犧牲陰極通常用于需要相對較小電流的地下系統。這種電流系統更經濟，不需要外部電源[6]。

3.3 管道材料的選用

對于化工管道來說，輸送各種化學性質的物料，如耐腐蝕性的聚丙烯管道材料或輸送氣體的不銹鋼或碳鋼管道等。其中管道輸送硫酸或其他有腐蝕性的物料時，應進行多方面的考慮，對于不同濃度酸性溶液其酸性效果是不同的，并且對于輸送管道的溫度及壓力也應進行嚴格的控制，防止管道的腐蝕。對于輸送氣體的管道更應該注意，如管道中氧氣的運輸，作為一種助燃氣體，與其他氣體的不同比例混合在外力的作用下將引起爆炸。因此在輸送氧氣時應注意O2的標準壓力，另一個是O2產生的水量。在0.35~0.58MPa的標準壓力下，通常選擇碳鋼作為管道材料。

4 結束語

化工管道的設計是一個極其復雜的過程，因輸送材料的種類繁多，對于輸送管道的材料選擇、管道的連接、管道的放置位置、管道的保護等都需要精密的分析與計算。因此應該做好各個環節的工作，將其完整的銜接，進一步優化管道的設計，從而保持管道運行的穩定。