化工裝置設備及管道防凍設計要點分析

段中華張洪偉 中國五環工程有限公司 武漢430223

北方的寒冷地區，合理的管道防凍設計對于化工裝置的正常運行尤為重要。由于管道防凍設計失誤而造成系統或裝置停車的案例時有發生，由此帶來的后果輕者停車檢修、整改、疏通，重者管道、管件以及設備凍壞，進而給生產帶來重大的經濟損失，這種由小小的防凍問題而引起的重大生產事故是應該避免發生的。

下面，筆者從幾個方面來分析和論述化工裝置管道防凍設計需要注意的問題。

1 設備布置

在北方寒冷地區，化工裝置中合理的設備布置尤為重要，在國家現行有關規范的許可下，從管道防凍設計出發，有針對性地對設備進行優化布置，可降低化工裝置中管道的防凍設計難度。

1.1 利用框架封閉布置

對于裝置框架內EL0.000層布置的設備，可利用框架第一層的局部空間，在方便檢修的前提下將泵及轉動設備集中封閉布置，分為以下三種情況進行考慮。

(1)工藝介質為比空氣輕的易燃、易爆的介質(氣體)，其泵房內可開水溝(收集泵房內地表面沖洗污水用)，溝與泵房外的污水收集井相連(溝在泵房外是封閉的，有防凍功能)。

(2)工藝介質為比空氣重的易燃、易爆的介質(氣體)，其泵房內則不能開溝。此時，可利用土建的自然坡度坡向泵房內一側，在低點設一處或多處帶水封的地漏(室內)，用來收集泵房內的地表面沖洗污水，地漏管線與泵房外污水收集井相連。

(3)工藝介質為易燃、易爆的液體介質，其泵房內也不能開溝。此類情況可采取防火隔離(分區)、單獨布置、增加圍堰、監控和安全連鎖等措施來解決。

以上三種方式都能較好地解決設備的防凍問題，同時也可將泵所需的冷卻水管道引入泵房內，這樣冷卻水管道的防凍問題也得到較好的解決。

1.2 利用管廊封閉布置

對于露天布置的設備，可利用裝置管廊或全廠管廊下方的空間將泵及轉動設備集中封閉布置。其布置方式、措施及優勢同1.1條所述。

1.3 半封閉布置

框架中的設備防凍，可采用半封閉的設備布置方式(將冬季的主導風向側封閉)，從而實現半封閉布置的防凍設計。

1.4 蒸汽冷凝液回收系統的布置

蒸汽冷凝液回收系統應布置在盡可能低的地方，便于蒸汽冷凝液的回收與利用。

2 管道布置

2.1 蒸汽及冷凝液管道的防凍設計要點

(1)蒸汽冷凝液回收總管宜坡向冷凝液回收設備，管道設計盡量減少“液袋”的出現。

(2)冷凝液回收總管高度的設計應充分考慮疏水器的“背壓率”問題是否能夠滿足要求。

(3)疏水器組不宜設旁路，見圖1。

(4)疏水器組應設置可檢測疏水器是否工作的檢測閥(布置在疏水閥的下游)，見圖1。

圖1 疏水器組示意圖

(5)疏水器及其前后切斷閥宜采用法蘭連接面形式，見圖1。

2.2 放空與導淋管道的防凍設計要點

北方寒冷地區化工裝置開車實例表明，包括蒸汽管在內的易凍介質管線上的導淋閥均出現過凍結或者凍壞的現象。因此，在設計和施工中，一定要保證易凍介質管道上的放空與導淋用切斷閥門距離主管盡量近，一般而言，切斷閥前的短管長度不宜超過100mm。對于承插焊閥門來說，兩道焊縫之間的長度取值50mm是可行的，見圖2。對于法蘭閥門來講，其配對法蘭最好為對焊法蘭，這樣可以做到配對法蘭與主管根部補強件之間直接焊接，保證兩者之間距離最短，見圖3。

圖2 有短管的導淋示意圖

圖3 無短管的導淋示意圖

2.3 循環冷卻水的防凍設計要點

(1)循環冷卻水總管的防凍措施一般采用在上水管和回水管的末端設連通管的形式，連通管距總管末端(盲板)最近，見圖4。連通管自身的防凍可用伴熱管來解決，或用微開閥門的方式，保持管道內小流量常流水以達到防凍的目的。

(2)循環冷卻水總管在無法加連通管的部位，可利用支管靠近總管末端(盲板)連接，盡量消除死角，防止管道端部凍結，見圖5。

圖4 上水與回水連通管示意圖

圖5 支管與主管連接示意圖

2.4 公用物料站的新鮮水及蒸汽的防凍設計要點

凡是有易燃、易爆工藝介質存在的化工裝置，通常需要設置公用物料站，公用物料站在消防及安全檢修等方面的作用是不可或缺的。在正常運行中，公用物料站的使用很少，蒸汽(盲端死角處多數凝結成冷凝液)、新鮮水處于靜止狀態，而一旦遇到低溫的環境，此類管線盲端死角極易凍結。因此在進行蒸汽、新鮮水管道的設計時必須要考慮管道的防凍設計問題，特別是框架布置的生產裝置，要盡量減少管線死角，避免凍結隱患。

新鮮水管道防凍設計見圖6，應盡可能減小各個支管與總管之間的距離，新鮮水總管在被伴熱的條件下，支管可避免凍結，各支管不需要伴熱。

圖6 新鮮水防凍設計示意圖

同理，蒸汽管道防凍設計見圖7。通過將支管切斷閥門與主管之間的距離設置成最短，可有效解決管道的防凍問題。不同的是在蒸汽總管低點處應設置疏水閥組，在高點處設置放空閥(放空閥門微開，保持管道內蒸汽適當流動)，蒸汽總管可不需要伴熱，各支管也不需要伴熱。

圖7 蒸汽管道防凍設計示意圖

3 工藝措施

3.1 循環冷卻水連通管的設置方法

詳見本文2.3條所述。

3.2 伴熱管的設置方法

(1)設備伴熱管、管道伴熱管、儀表伴熱管應分開實施伴熱。不同操作溫度與壓力的伴熱管蒸汽不應回收到同一冷凝液回收系統中。

(2)伴熱管的口徑應大于DN15。

(3)每個蒸汽分配站上引出的伴熱管的當量長度應相近。

(4)盡可能避免疏水器之前的伴熱管產生低點。

(5)每個蒸汽分配站的蒸汽管應來自蒸汽總管的頂部。每個蒸汽冷凝液收集站的回收管應回至冷凝液總管的上方。

4 需要補充伴熱的管道部位

4.1 安全閥進出口管道

圖8是常見的安全閥進出口管道設計類型，管道內介質易凍且對人及環境有害(如液氨、火炬氣、二氧化碳等)，安全閥出口管道加伴熱的目的在于防止由于安全閥泄放導致出口管道迅速溫降而引起管道內部結冰或結干冰而堵塞管道。

圖8 液氨、二氧化碳等排放管道伴熱示意圖

圖9也是常見的安全閥進出口管道設計類型，其介質易凍，但對人及環境無害(如水、蒸汽等)，可在安全閥出口附近的低點處開一個淚孔，目的在于消除安全閥出口處幾點隱患:① 出口低點處液體無法排盡;②冷凝液的積聚;③安全閥內漏產生的液體。

圖9 易凍介質排放管淚孔示意圖

出口處增加蒸汽伴管，可消除出口液體結凍的可能性，使安全閥在冬季安全運行得到最大的保證。

4.2 易凍介質的旁路管線

對于易凍介質的旁路管線而言，由于管內部的介質在正常管線運行的時候是不流動的，因此在寒冷的環境下，旁路管內部的易凍介質很容易結凍，進而對旁路管線造成破壞，影響管線的運行安全。需要對易凍介質的旁路管線增加伴熱設施，見圖10。

圖10 閥組的旁路伴熱示意圖

4.3 露天布置的泵

4.3.1 泵的進出口管道

對于露天布置的泵(主要指一開一備或多開一備或多開多備)，見圖11，那些與正常運轉的泵所連接管道的防凍本身是沒有問題的，但是備用泵所連接的管線由于管線內部的易凍介質處于靜止狀態，因此需要增加伴熱。由于各臺泵之間成互為備用的管線，因此對于每一臺泵來說，從防凍和暖泵的角度出發，其進出口管線均應增設伴熱。

4.3.2 泵的冷卻水管道

圖11 泵進出口管道的伴熱示意圖

泵的冷卻水管線分為上水管道和回水管道。由于泵對冷卻水有溫度要求，因此，在選用伴熱的類型及溫度時需要仔細推敲，以免因為選型不當引起諸如伴熱管溫度過高等問題的出現，造成機泵的損壞。

4.4 露天布置的公用物料站

(1)圖6的情況下，新鮮水支管不需要伴熱，但總管應進行伴熱。

(2)新鮮水支管及總管需伴熱，圖12。

圖12 物料站新鮮水伴熱示意圖

(3)一般情況下，公用物料站內氣體管道(如氮氣、工廠空氣等)并不純凈，介質內部或多或少含有一定量的水份。由于支管末端氣體長時間不流動，很容易積聚冷凝液，因此，該部位需要考慮伴熱問題，見圖13。

圖13 物料站氮氣或工廠空氣加伴熱示意圖

4.5 露天布置的洗眼器

洗眼器用于人眼清洗，對溫度有嚴格的要求，因此，露天布置的洗眼器及供水管道宜采用電伴熱。

4.6 地漏支管及地漏總管

地漏支管及地漏總管是工藝防凍要求中最容易被忽略的部位，同時管道布置專業有時也忽視此類管道設計。在北方寒冷地區的地漏支管及地漏總管設計與其在南方地區的設計要求不同，對于水平布置的地漏支管和總管而言，其坡度要求應該更大一些，更便于液體介質在最短的時間內排盡。同時，坡度大也更利于管內固體沉淀物能夠順利地排出，減少管線堵塞的幾率，這對地漏管線在冬季的防凍問題有直接的幫助。對于較高的框架，地漏總管的長度相對較長，這會增加排液的時間，冬季排液結凍的可能性極大，因此，給地漏支管及總管增加伴熱管是必要的(最好是電伴熱，防凍溫度設定在10℃即可滿足要求)。

5 設備的維護和檢修

北方寒冷地區化工裝置的維護和檢修時間，通常是需要避開冬季的。因為某些不可抗拒的因素不得以在冬季對裝置進行局部停車檢修或故障處理，此時如未能將裝有易凍介質的設備內的液體排盡，會導致設備由于內部介質結凍而被損壞。因此，需要切實可靠的防凍措施來解決這個問題。

在常規的設計中，工藝專業的PID是無法查到此類要求的，管道布置專業一般也不會針對此問題進行針對性的設計，這給設備在冬季短時間的維護帶來極大的不便，針對此類情況，可采用以下措施去解決。

(1)在需要檢修的設備人孔旁設置蒸汽總管，預留出閥門和快裝接頭。

(2)同時需要設置冷凝液收集管(單獨系統)，預留出閥門和快裝接頭。

(3)根據設備的需要和人孔的大小，設計臨時加熱器。

(4)一定數量的蒸汽軟管(與臨時加熱器和快裝接頭配套)。

當設備進行維護時，將臨時加熱器放入設備人孔內，用軟管與蒸汽總管和冷凝液收集管相連接，隨用隨連，很方便。由于設備的冬季維護與設備的內部結構有關，不同設備采用不同的防凍方法，安全有效就行。

6 結語

雖然管道的設計形式千變萬化，但其原理是相通的。只要掌握管道設計中防凍的特性和規律，就能化繁為簡，就能將管道的防凍設計合理的與設備布置、管道布置、操作及檢修有效地結合起來，將管道的防凍設計真正做到簡單、有效，從而使管道設計完全滿足工藝裝置在寒冷地區順利開車和防凍的要求，最終達到正常和安全生產的目的。