石油化工裝置工藝管道設計的合理性探討

（山東石大勝華化工集團股份有限公司， 山東 東營 257000）

化工設計

石油化工裝置工藝管道設計的合理性探討

張 志 威

（山東石大勝華化工集團股份有限公司， 山東 東營 257000）

近年來，隨著我國社會經濟的飛速發展，石油化工產業得到不斷發展，石油化工裝置的規模也不斷擴大。化工裝置的管道設計直接關系到設備的正常運轉以及工作人員的人身安全，就必須對其進行合理設計。由于石油化工裝置管道的設計要求較為苛刻，同時受到多種因素的共同制約，若設計不當，勢必造成嚴重安全事故，如空氣中毒以及火災爆炸等。以首先闡述石油化工裝置工藝管道在設計時應注意的問題，重點探討其設計的合理性，以望對后期管道設計人員提供一定的借鑒。

石油化工裝置；工藝管道；設計探討

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。管道不僅將各類設備以及系統設施連接起來，形成一個完整的整體，而且還是運輸各種流體的保障，起到保護資源以及保護環境的作用［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[2]。追究這些事故發生的原因，大多是由機器腐蝕、管道設計不合理造成的，鑒于此種問題，必須對石油化工裝置管道進行合理設計。

1 石油化工裝置工藝管道設計中應注意的問題

石油化工裝置管道在設計時應注意的相關問題：首先，設計安全合理的工藝路線。管道工藝路線的設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系著后期工藝的施工，因此應將工藝路線的安全設計放在首位。使用一些危險性較小的物質材料；在設計時應盡量減少危害化工裝置的危險介質，進而減少事故的發生；使工藝設計的流程盡量簡單化，避免復雜性操作；在設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，設計安全的工藝過程。工藝過程的安全性直接關系到石油化工裝置的整體質量。在管道設計的過程中，應充分考慮到使用材料的易燃以及易爆性，同時應做好防火以及防爆的安全措施；需做好相關報警設置，預測潛在風險，及時反應以及避免事故的擴大；在工藝設計過程中，對于可能出現的狀況以及問題，做好預測，在生產裝置上設置自動連鎖緊急停車裝置等；對于引進國外先進技術時，應考慮其工藝設備的安全性，在使用前對其進行檢測，必須符合我國的法律法規。再次，做好管道設計的組織工作。由于石油化工的特殊性，項目建設時間一般較短，若在設計上的調配不合理，就會出現熬夜加班現象，影響工作效率以及工作質量，因此，應做好團隊組織工作，發揮團隊的合作性[3]。最后，提高設計人員的綜合素質。管道設計需要設計人員來完成，設計的安全性以及合理性在很大程度上取決于設計人員的專業水平以及道德水平。若設計人員缺乏創新意識，在設計中采用習慣性的工作，缺乏主動思考能力，沒有對項目進行實際掌握，忽視了參數設計等，勢必導致管道存在質量問題，甚至發生工程事故。

2 石油化工裝置工藝管道設計的合理性

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

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以及低壓系統在壓力與溫度上存在著明顯差異，因此，在連接高壓系統以及低壓系統時必須按照低壓關閉管路的等級進行分界點的劃分。若沒有特殊情況，按照P＆ID對節限進行明確的劃分，若有特殊情況，則需要根據當地的實際情況進行相應的改變，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，但材質不同，如圖1。

圖1 壓力等級相同材質不同Fig.1 Different materials under the same pressure level

其二，材質相同，但壓力等級不同，如圖2所示。

圖2 壓力等級不同材質相同Fig.2 The same materials under different pressure rating

其三，壓力等級以及材質均不相同，見圖3。由圖1可知，一般情況下，法蘭與墊片采用低材質，螺栓以及閥門采用高材質；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為a的高壓等級，而螺栓以及閥門則采用材質為b的高壓等級。

圖3 壓力等級不同材質相同Fig.3 The same materials under different pressure rating

2.2 塔與容器管線設計的合理性

石油化工設置中，對于塔與容器的管線設計應充分考慮其設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，將調節閥應設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，分餾塔中應有調節閥組，該氣閥組應靠近汽提塔進行安裝，進而確保調節閥有足夠的液柱，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 根據情況布置汽液兩相流管道

在對汽液兩相流的管道進行布置時，管道上的調節閥應最大限度靠近接收介質的容器布置，達到降壓管道的壓力，杜絕管道出現震動現象，同時管線不可隨意敷設，必須根據實際情況進行相應的設計，如圖6所示。

圖6 汽液兩相流管道的設計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從采樣點的設置以及蒸汽吹掃管線的設置這兩方面進行分析：首先，采樣點的設置。必須滿足相關工藝的設計要求，將其設在主管上，并且在分支前方，避免在死角位置進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，蒸汽吹掃管線的設置。該管線在化工設置中是較為普通的管線，其主要目的是為了發現以及判斷漏洞，對于不同的工藝管線應連接蒸汽吹掃線，采取此種方式進行安裝的優點為若其中一支管發生泄漏時，可以將該關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行。

2.4 冷換設備管線設計的合理性

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

2.5 冷換設備管線設計的合理性

管架的設計與管道的設計兩者之間緊密聯系在一起，若管架的設計部當時，就會導致管道在運行的過程中出現管道損壞現象，甚至使設備受損等[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點當做支面上的支架，由于垂直管段容易發生膨脹，就會阻礙彈簧的向下移動，進而使設備受到損害。因此，鑒于此種問題，其正確的設計方法應為圖 8所示：將支于地面上的支架設在主管上，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 原始設計方法Fig.7 The original design method

圖8 優化后設計方法Fig.8 Optimal design method

（2）管架的設置若合理，還能夠減少浪費現象，由于彈簧架的彈性時間久了就會失去彈性，因此，進行管架的設計時最大限度減少彈簧的支架的使用。

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

2.6 冷換設備管線設計的合理性

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

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

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

（3）管道柔性。由于泵是回轉機械，管道推理作用下會使得管嘴巴發生定位偏移，鑒于此種問題，對管道進行設計時，應保證泵嘴受力在允許的范圍之內，特別需要考慮熱補償。

3 結束語

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

［1］尹伊君.有關石油化工裝置的管道設計與工藝探討[J].中國石油和化工標準與質量,2012,33(9):93.

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

［3］馬峻.結合實例分析石油化工裝置工藝管道設計的合理性[J].中國石油和化工標準與質量,2013(5):80.

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

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

［6］李器.關于石油化工裝置工藝管道設計的探討[J].中國石油和化工標準與質量,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年畢業于中國石油大學（華東）化學化工學院環境工程專業，研究方向：主要從事工程項目建設及管理工作。