塔器的管道設(shè)計

王 輝 中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計分公司 青島 266071

塔器為裝置中常見的重要設(shè)備。它的管道設(shè)計優(yōu)劣直接影響到整個裝置的設(shè)計水平甚至最終產(chǎn)品質(zhì)量。值得一提的是，塔器管道設(shè)計的一些原則，也適用于其他諸如立式罐、反應(yīng)器甚至爐子等立式設(shè)備。以板式塔為例，討論塔器主要管道的設(shè)計思路。

1 塔器管道設(shè)計的原則

塔器上沿塔壁來、去的管線與設(shè)在塔器各個部位的塔平臺之間易產(chǎn)生空間上的矛盾，為避免縱橫沖突，塔器管道設(shè)計應(yīng)遵循第一個原則:塔器分為操作側(cè)(檢修側(cè))和管道側(cè)［1］，見圖1。

圖1 塔的操作側(cè)和管道側(cè)的劃分示例

將塔器分為操作側(cè)和管道側(cè)之后，所有接管口及平臺應(yīng)布置在操作側(cè)，而沿塔體上、下的管道應(yīng)布置在管道側(cè)。

由于有些塔器內(nèi)件復(fù)雜、開口數(shù)量眾多，有時難以嚴格區(qū)分上述兩側(cè)，但區(qū)分得愈嚴格，塔器的管道設(shè)計愈合理、經(jīng)濟。

布置在管道側(cè)、沿塔壁敷設(shè)的管道中，高處的管道總是向下貫穿，為了不與下方塔側(cè)接管口連接的管道發(fā)生矛盾，塔器的管道應(yīng)從上到下布置，但有時塔底接管口上的管線會對上部管線產(chǎn)生影響，這就需要上下兼顧。所以，塔器管道設(shè)計的第二個原則:塔器的管道布置應(yīng)從上到下、上下兼顧。

塔器管道設(shè)計的兩個原則，貫穿塔器開口方位、平臺、梯子的布置以及塔器管道設(shè)計的始終，也是優(yōu)秀塔器管道設(shè)計的基礎(chǔ)。

2 塔器開口及布置

2.1 塔器開口分類

塔器的開口可以從兩方面來分類:一是從性質(zhì)分，可分為與工藝管道及其組成件相連的工藝接管口、與儀表相連的儀表接管口和人孔、手孔等檢查、檢修開口;二是從位置分，可分為塔頂、塔側(cè)和塔底開口三種。

從塔器開口的性質(zhì)角度講，雖然當接管口采用焊接形式且與其相接的管道上沒有需要操作、檢修的閥門、儀表、備用口等設(shè)施時，接管口下方不需要設(shè)置平臺，但由于絕大多數(shù)塔器接管口都通過法蘭與管道、閥門、儀表等相接，這就需要在接管口下方合適的高度設(shè)置平臺，以便操作和檢修;從塔器開口的位置角度講，由于塔器開口分布于塔頂、塔側(cè)和塔底的各個部位，這就使得需設(shè)置的平臺亦分布于塔頂、塔側(cè)和塔底。

2.2 方位布置

理論上，塔器開口位置可在塔周360°標高大體相同的任何一點，然而，根據(jù)工藝、儀表等專業(yè)的要求，結(jié)合塔內(nèi)件、平臺、梯子、閥門、儀表位置并遵循上述第一條原則綜合考慮整個設(shè)備總體布置時，其開口范圍是很小的，見圖2。

圖2 塔器開口范圍示例

(1)人孔(手孔)是用來裝配、檢查和檢修塔內(nèi)件的，從橫向看，人孔應(yīng)布置在朝向檢修場地的操作側(cè)并使操作人員能夠安全進入且不妨礙設(shè)備操作的位置，為方便塔內(nèi)件的吊裝，人孔應(yīng)設(shè)在塔頂?shù)踔ぷ鞣秶鷥?nèi);從縱向看，人孔應(yīng)盡量上下布置在同一垂線上，最大限度地方便塔頂?shù)踔脑O(shè)置、操作及塔內(nèi)件的吊裝。人孔不能朝向加熱爐和其他危險氣體發(fā)生區(qū)域，也不得開在有降液管的地方。如果多個塔設(shè)聯(lián)合平臺，一般需要平臺變標高來滿足人孔操作，此時，人孔不設(shè)在正方向，以便調(diào)整平臺標高，宜按圖3 (b)方位布置人孔。

圖3 人孔布置方向示意

(2)塔頂接管開口方位一般沒有太多限制，仍然遵循第一條原則，使接管口連接的管線便于從管道側(cè)下去即可;而儀表接管口布置在不妨礙閥門操作、檢修的位置即可。

(3)塔側(cè)儀表接管口應(yīng)結(jié)合塔內(nèi)件盡量布置在圖2 的操作側(cè)0°且不妨礙通行、人孔操作的位置附近，液位儀表或位置較高的遠傳儀表應(yīng)布置在梯子附近，以便觀察、檢修。塔側(cè)接管口中的工藝接管口也應(yīng)結(jié)合塔內(nèi)件，盡量布置在圖2 所示的范圍內(nèi)，以便連接接管口(或通過閥門)的管線能最便捷的引到管道側(cè)上、下。否則，若接管口布置在操作側(cè)內(nèi)側(cè)，不僅管線要引到管道側(cè)極為困難，而且會給管道支撐和施工帶來諸多不便且影響美觀。若有工藝專業(yè)要求必須靠近接管口布置的閥組，則接管口可向0°側(cè)靠近，使裝完閥組后管線位于90° (或270°)附近，再將管線引至管道側(cè)下去。

(4)塔底接管口一般設(shè)在塔底頭蓋的中部，并引到裙座外，方位應(yīng)朝向管橋。其高度不僅要滿足工藝專業(yè)的要求，方便與管橋管線相接，一般該接管口高度應(yīng)高于管橋從下向上數(shù)第二根側(cè)梁的頂標高，由裙座高度來調(diào)整。

3 塔器平臺的布置

本節(jié)主要對單塔且使用直梯的情況展開討論。

3.1 平臺的設(shè)置位置

塔器平臺設(shè)置:①有人孔和手孔的地方;②需要熱緊螺栓的地方;③在操作側(cè)有閥門、法蘭、采樣、儀表接管口等需要操作和檢修的地方;④塔上有預(yù)留開口的地方;⑤需要裝卸安全閥、檢驗彈簧、檢測管線壁厚等地方;⑥液位計、液位調(diào)節(jié)器、溫度計和壓力計等，應(yīng)首先考慮使用梯子操作，必要時可設(shè)置平臺。

3.2 平臺的標高

塔器上各層平臺的標高應(yīng)依據(jù)人孔、手孔、管道進出口接管口的高度、閥門及儀表的安裝高度和操作需要確定。平臺距人孔中心線的高度為700 ～1200mm，最適宜的高度為800mm;手孔的安裝高度一般宜為800 ～1400mm。

塔器相鄰兩層平臺之間的最小凈空不得小于2.2m。當使用直梯時，相鄰兩層平臺最大間距不能超過8m，對于大于8m 的空間應(yīng)增設(shè)梯間休息平臺，分段設(shè)梯子(安全梯除外)。

底層平臺距地面高度不應(yīng)小于3m。平臺標高示意見圖4。

3.3 平臺的布置

(1)塔頂平臺一般為比塔徑稍大的全平臺。筆者提倡將塔頂接管口法蘭面露出頂平臺合適的高度方便法蘭的裝卸，頂平臺盡量低，一般平臺梁底與塔封頭頂端(若有保溫層則含保溫層)間的凈空取30mm 即可。

圖4 塔平臺標高

(2)塔底接管口一般朝向管橋，該接管口靠近塔處往往設(shè)有閥門、儀表等開口，因此，設(shè)在操作側(cè)的本層平臺一直要延伸到該接管口下，所以本層平臺多數(shù)為全平臺。塔底管線一般較大，其閥門手輪需傾斜或水平布置才能操作，所以，此閥操作范圍內(nèi)的平臺往往需要局部做大。

(3)塔側(cè)平臺的布置分四步:①在所有人孔中心下方800mm (可在700 ～1200mm 之間調(diào)整)處設(shè)平臺;②在該平臺上凡是能操作、檢修的接管就在該平臺上操作;若不能操作、檢修而標高相差不大時，可通過改變平臺局部標高實現(xiàn)操作和檢修，此時應(yīng)特別注意保證平臺層間凈距最小為2.2m;若不能保證平臺最小間距，可在接管旁設(shè)直梯實現(xiàn)操作和檢修;③若接管離已設(shè)平臺較遠(如超過2.2m)，無法通過調(diào)整局部平臺標高實現(xiàn)操作、檢修，此時應(yīng)增設(shè)平臺;④若兩層平臺間距超過8m，應(yīng)增設(shè)梯間休息平臺。

(4)若某層平臺上只有人孔，則除去上下平臺的梯子占用的平臺空間外，人孔最少應(yīng)占用平臺上一個30°扇形范圍。

(5)布置在同一直線上的幾個塔，應(yīng)考慮兩塔相鄰平臺在相同標高處相連，便于操作。

4 塔器梯子的布置

(1)各層平臺之間的梯子一般以直梯為主，對操作頻繁、設(shè)聯(lián)合平臺的塔可設(shè)斜梯，并盡量采用45°鋼斜梯，不得已的情況下使用55°斜梯。

(2)塔器上的梯子一般應(yīng)設(shè)在操作側(cè)便于通行和操作的位置。

(3)一般情況下，直梯可連續(xù)上兩層平臺，當直梯連續(xù)攀登高度超過8m 時，應(yīng)改變直梯方位，一般是左右交替布置。高出地面或平臺面2m以上的直梯應(yīng)加護籠。

(4)直梯方位應(yīng)使人面向塔器壁上下，不宜斷開平臺(即從直梯到平臺，應(yīng)避免兩個方向上平臺的布置)。筆者曾在多個施工現(xiàn)場看到直梯將平臺斷開的情況，雖然在平臺上采取了一些防護措施，但仍然很危險，設(shè)計時應(yīng)盡量避免。幾種常見方式見圖5，但不宜按(a)、 (b)、 (c)布置，而宜按(d)布置。

圖5 直梯布置形式示意

(5)為了不妨礙人孔的操作或防止燙傷人，梯子距人孔、熱管道的凈距至少為700mm。

5 塔器管道的設(shè)計

塔器的管道一般可分為:塔頂油氣、安全閥進出口、油氣放空等塔頂管道;回流、進料、側(cè)線抽出、汽提蒸汽、重沸器入口和返回等塔側(cè)管道;塔底抽出和排液等塔底管道。

上述管道都與塔體上的開口相連接，其布置應(yīng)特別注意需滿足工藝管道和儀表流程圖(P＆ID)的要求，遵循前文所述的兩個基本原則。

5.1 塔頂管道

(1)塔頂油氣管道，又稱塔頂餾出線，是塔頂至換熱或冷凝冷卻設(shè)備之間的管道。管道內(nèi)的介質(zhì)一般為氣相，管徑較大，管道應(yīng)盡可能短，且應(yīng)按“步步低”的要求布置，不得出現(xiàn)袋形，并應(yīng)與管廊、支架同時考慮使其具有一定的柔性。該管道應(yīng)布置在管道側(cè)的中間，中下部連接的管道宜順序地布置在其兩側(cè)。

(2)為保證塔器在異常超壓情況下的安全，塔頂往往設(shè)有安全閥組(一開一備)放空線。美國API RP520 (Ⅱ)推薦安全閥入口管道最大壓力損失(包括入口壓力損失、管道阻力和切斷閥阻力之和)不超過安全閥定壓的3%，所以，為減少入口壓降應(yīng)盡量將安全閥布置在塔頂。

(3)塔頂平臺有圓形、矩形、半圓半方形等多種形式，其目的都是為了安全閥組的布置。有些設(shè)計人員將塔頂平臺設(shè)計成圓形，并把安全閥組布置在塔頂油氣線水平管段的一側(cè)，為了滿足安全閥前后切斷閥閥桿水平的要求及安全閥組的操作和檢修，使得塔頂平臺非常大，從而導(dǎo)致平臺下支撐梁較大，不僅給平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工帶來不便，而且造成浪費;將塔頂平臺設(shè)計成矩形或半圓半方形，安全閥對稱布置在一個平面內(nèi)并置于矩形的一條邊上，有效地解決了安全閥組的操作、檢修，但安全閥所在平臺下梁和斜撐不僅大，而且圓形部分與方形部分、方形部分內(nèi)部所使用的支撐梁結(jié)構(gòu)不盡相同，給平臺設(shè)計、施工帶來不便，安全閥在半圓半方形塔頂平臺的布置見圖6。

圖6 安全閥在半圓半方形塔頂平臺的布置

將安全閥布置于塔頂油氣線水平管段的兩側(cè)既可以有較大的操作、檢修空間，又可以將塔頂平臺做到最小，從而有效地解決安全閥組操作、檢修與平臺大小之間的矛盾，見圖7。

圖7 塔頂安全閥放空線布置示意

塔頂安全閥組放空線是塔頂管線布置中最為困難的。隨著裝置規(guī)模的不斷擴大，塔頂安全閥及其管線越來越大，布置在塔頂比較困難，此時，可以考慮將安全閥布置在放空總管上方附近，這對于安全閥的操作、檢修以及塔頂平臺的設(shè)計都是有利的，但必須將安全閥組管道布置圖提交工藝專業(yè)核算，以便擴大安全閥入口管徑，減小壓力降。

5.2 塔側(cè)管道

為使閥門關(guān)閉后無積液，塔體側(cè)面管道上的閥門宜與塔體接管直接相接，見圖8。

圖8 塔體側(cè)面管道上閥門的安裝位置

敷設(shè)塔管道應(yīng)避免相互交叉，且不宜穿越平臺，與其相接的塔器接管口應(yīng)盡量設(shè)在平臺一端，以便于管道從管道側(cè)上下，在將管道引向管道側(cè)時常用兩個90°彎頭連接，這樣至管道側(cè)的水平管段可自由旋轉(zhuǎn)直至合適的位置，見圖9。

圖9 與塔接管相連管道至管道側(cè)布置示意

敷設(shè)在管道側(cè)沿塔壁上下的管道可在塔外壁呈同心圓布置，給支架的選型和施工帶來方便。但塔頂油氣線一般管徑較大，其支架也大，需單獨布置在較大的圓周上，否則可能造成支架難以裝配，見圖10。

圖10 沿塔壁敷設(shè)管道布置示意

5.3 塔底管道

塔底的操作溫度一般較高，因此在設(shè)計塔底管道時，其柔性應(yīng)滿足有關(guān)標準或規(guī)范的要求［3］。尤其是塔底抽出管道和泵相連時，塔底到塔底泵的抽出管道不得有袋形，應(yīng)“步步低”進泵，以免塔底泵產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象，并且管道要有足夠的柔性以減少泵入口的受力。若塔底線直接進泵，即便泵管線有良好的支撐，也需要在靠近塔底接管處設(shè)支撐，如整個管線應(yīng)力狀況不佳，可調(diào)整塔底泵的位置，使塔底線先上管橋再進泵，也可以改變塔底接管口方位，使管系有足夠的柔性，從而減少泵入口的應(yīng)力。

6 塔器管道支架的設(shè)置［4］

由于塔器的接管口在設(shè)計時，并不考慮承擔管道的重量，因此必須在接管口附近設(shè)置承重支架，其下部每隔一定距離設(shè)置導(dǎo)向支架，以避免管道搖晃。下面闡述塔體管道承重支架和導(dǎo)向支架位置的確定。

6.1 總體要求

(1)為了保證支架在管道多種工況下的安全，承重支架承受的重量應(yīng)以被支撐管道的充水重計算;支架的設(shè)置位置應(yīng)充分考慮開、停工和蒸汽掃線等不同工況下，因塔體與管道之間的溫差不同而產(chǎn)生的相對位移，因此，承重支架設(shè)計時應(yīng)按最不利的工況確定其位置。

(2)沿塔器垂直敷設(shè)管道的支架原則上應(yīng)生根在塔體上。當塔器需要熱處理時，應(yīng)在塔體支架生根處預(yù)設(shè)墊板。

(3)對于需要進行應(yīng)力計算的管道應(yīng)及早提交應(yīng)力分析專業(yè)，一起確定塔上支架的型式和位置，以便向設(shè)備專業(yè)提出荷載條件。

(4)支架應(yīng)布置在距地面或平臺2.2m 以上，以保證操作和通行的安全。

6.2 承重支架

承重支架應(yīng)布置在靠近塔器接管口處，使作用在接管口上的荷載最小，減少接管口受力，見圖11。

圖11 沿塔敷設(shè)的管道承重支架位置示意

(1)如果管道重量過大，一個剛性承重支架承重有困難時，可在垂直管中間設(shè)彈簧承重支架分擔垂直管的荷載(見圖11)，此時必須注意，在一根垂直管道上設(shè)置兩個承重支架時，剛性承重支架必須位于彈簧支架的上方，反之則極有可能使剛性承重支架脫空甚至造成安全事故。

(2)塔敷設(shè)的兩根或多根較大管道的承重支架應(yīng)錯開位置，以降低塔體局部受力。

(3)不與塔開口相連的敷塔管道，如消防蒸汽管道或是引至塔頂放空的管道，其固定承重支架應(yīng)設(shè)置在立管的下部，上部設(shè)置導(dǎo)向支架。

(4)安全閥的支架應(yīng)能承受泄放時的反作用力而非僅僅承受閥體重量。安全閥出口管道應(yīng)設(shè)固定支架。

(5)當塔器接管口直接和DN≥150mm 的閥門安裝時，其下方應(yīng)設(shè)承重支架，見圖12。

圖12 閥門下支架的設(shè)置

6.3 導(dǎo)向支架

塔上管道距離較長，在承重支架下方應(yīng)設(shè)置導(dǎo)向支架。導(dǎo)向支架最大間距見表1。

表1 塔上垂直管道的導(dǎo)向支架最大間距(H)

導(dǎo)向支架間距設(shè)置見圖13。第一個導(dǎo)向支架距承重支架的間距“A”值應(yīng)是H/2 ±1m;為了不影響管道的自然補償，最低一個導(dǎo)向支架到彎頭的間距“C”值應(yīng)≥H/2，如果管道在該導(dǎo)向支架內(nèi)水平和垂直方向都可以移動時，“C”值最小可到H/3，但不得大于H;中間導(dǎo)向支架間距“B”值可適當調(diào)整以保持“C”值。當尺寸“D”超過管道跨距時，在中間應(yīng)設(shè)置彈簧支架。

圖13 導(dǎo)向支架的間距設(shè)置示意

7 結(jié)語

(1)塔器管道設(shè)計必須以滿足工藝管道和儀表流程圖(P＆ID)的要求為前提。

(2)塔器的管道設(shè)計要嚴格遵循把塔器分為操作側(cè)和管道側(cè)及塔器的管道應(yīng)從上到下、上下兼顧布置這兩個原則，并貫穿于設(shè)計的始終。

(3)塔器的開口應(yīng)布置在操作側(cè)。工藝接管口應(yīng)布置在靠近管道側(cè)的操作側(cè)，以便管線從管道側(cè)上、下。

(4)平臺作為接管口、閥門、儀表等的服務(wù)設(shè)施，其服務(wù)對象布置在操作側(cè)，則平臺和聯(lián)系平臺的梯子應(yīng)布置在操作側(cè)。

(5)塔器上敷設(shè)的管道應(yīng)沿塔體敷設(shè)在管道側(cè)，從塔頂?shù)剿鬃陨隙隆⑸舷录骖櫟剡M行規(guī)劃。塔頂大管線應(yīng)布置在管道側(cè)的中間，中下部連接的管道宜順序地布置在其兩側(cè)。

(6)管道支架的設(shè)置應(yīng)充分考慮管道的各種工況，并應(yīng)按最不利的工況確定其型式與位置，必要時可與工藝專業(yè)、應(yīng)力分析專業(yè)和設(shè)備專業(yè)等協(xié)商解決。

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