我國北方地區化工裝置管道防凍設計分析

王　軻

(東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥　230024)

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我國北方地區化工裝置管道防凍設計分析

王軻

(東華工程科技股份有限公司，安徽 合肥230024)

摘要：對于建設在北方地區的化工裝置來說，冬季管道防凍一直是各生產企業非常重視的問題，但由于在設計階段重視不夠，往往給各化工生產企業的生產安全埋下了不小的隱患。本文從防凍設計源頭控制的理念出發，優化管道布置，增加管道伴熱，并從多方面、全角度闡述化工裝置管道防凍設計要點，力求做到防患于未然。

關鍵詞：寒冷地區；化工裝置；管道；防凍；設計

近十年來，我國化工行業得到了迅猛地發展，圍繞資源、能源集聚了一個又一個化工產業園區，特別是煤炭資源豐富的北方地區。對于北方地區的化工裝置，雖然在設計階段管道的保溫和伴熱通常都會考慮得比較充分，但防凍設計考慮得不夠充分或者設計出現失誤，造成了裝置停車的案例時有發生，輕則停車檢修、疏通、整改，重則凍壞管子、管件甚至是設備，為企業的安全生產帶來了極大的隱患，并造成不必要的經濟損失。

經過多年的發展，國內各工程公司承接大型化工項目設計的能力不斷增強，在認識到我國北方寒冷及嚴寒地區化工裝置管道防凍設計的重要性的同時，對各類設計缺陷也在不斷改進和完善。目前，國內尚無系統闡述管道防凍設計的標準，主要還是依靠設計人員自身的經驗和能力去開展，致使各化工裝置(即使同一項目中)的防凍設計水平參差不齊。筆者結合自己多年的工作經驗，從幾個方面對化工裝置防凍設計作如下分析。

1管道凍結機理

在正常情況下，管道內介質(液體、蒸汽等)在管道內流動時，雖然自身熱量通過管道散發出去，但是由于介質流動的連續性，以及管道保溫和伴熱設計，保證了管道內介質的溫度不會低至冰點。特別對于非保溫或僅保溫非伴熱介質管道，當管道內介質停止流動時，介質的熱量將會不斷流失但卻得不到補充，在冬季寒冷的氣候中，介質溫度很容易降低至冰點，甚至更低，從而凍結管道。管道內介質一般從管壁開始向管中心呈環狀凍結，且由于冰的密度比水小，管道內介質完全凍結后，輕則堵塞管道，重則致管道爆裂。

又由于管道布置所在位置的多樣性(如框架內、框架外、架空敷設、埋地敷設等)，同一根管道不同管段所面對的外界影響也是不同的，因此，在進行防凍設計時，要具體問題具體分析，做到因地制宜，措施得當。

2優化管道布置

管道的防凍設計既要考慮正常工況下的防凍要求，也要考慮到事故狀態下的防凍需要。管道的防凍設計既可以采用保溫、伴熱(蒸汽伴熱、熱水伴熱和電伴熱)，也可采用設置排液、吹掃或輔助管道的方式，具體視工藝條件而定。一般化工裝置內所有易凍管道，如蒸汽管道、冷凝液管道、循環冷卻水管道、公用物料管道等均需按照防凍要求進行管道布置設計，特殊情況下還需要進行伴熱等處理。

2.1蒸汽及冷凝液管道的防凍設計

蒸汽管道、蒸汽冷凝液管道是化工裝置中最為常見的公用工程管道，其具體布置要求如下。

(1)在過熱蒸汽管系的低點處設置導淋閥，導淋閥距離蒸汽主管最近。

(2)在飽和蒸汽管系的低點設置積液包和疏水閥組。

(3)蒸汽冷凝液回收支管應“由高至低”坡向冷凝液總管，并按此原則最終與冷凝液回收設備相連，如無法避免局部低點或者液袋產生，則應在局部低點或者液袋處設置導淋閥。

(4)為減少管道凍結危險，疏水閥組不宜設置旁路。

(5)疏水閥組內，疏水閥前后設置切斷閥，以便于檢修用。另，在疏水閥下游與切斷閥之間，宜設置導淋閥，其作用有二：一是檢修時可將疏水閥后液體排凈；二是可以用來檢測疏水閥的工作狀態。

(6)為方便檢修拆裝，疏水閥及其前后切斷閥宜采用法蘭連接。

2.2循環冷卻水管道的防凍設計

(1)循環冷卻水主管道一般采用埋地方式進行敷設，到裝置界區處引出地面。循環冷卻水主管道的防凍措施只有1個，即埋地深度大于凍土層厚度即可。

(2)對于裝置界區處引出地面的循環冷卻水管道，應設置切斷閥，并在上水管切斷閥閥前設置長流水連通管線與回水管相連，上水管切斷閥閥后(裝置內循環冷卻水系統低點)設置防凍導淋閥。

(3)裝置內循環冷卻水總管末端采用長流水連通管將上水管和回水管連接，長流水連通管距離上水管、回水管末端法蘭最近，見圖1，或者將長流水連通管直接從法蘭蓋上引出。長流水連通管切斷閥以微開的方式工作，實現上水管、回水管及連通管自身的防凍目的。

(4)對于不具備條件在循環冷卻水總管末端安裝長流水連通管的情況，可利用循環冷卻水支管靠近上水管末端引出的方式解決防凍問題，見圖2。

圖1　循環冷卻水長流水　　連通管布置

圖2　循環冷卻水支管　引出布置

2.3公用物料管道的防凍設計

需要進行防凍設計的公用物料管道包括蒸汽管道和新鮮水管道。由于正常生產時，公用物料管線是很少的，蒸汽(分支管線盲端多凝聚蒸汽冷凝液)和新鮮水處于靜止狀態，如果設計不當，冬季很容易在上述管道盲端發生凍結現象。因此，蒸汽、新鮮水公用物料管道設計時需要充分考慮防凍問題，通過管道優化布置，盡量減少管道死角，做到自然消除管道凍結隱患。

公用物料站內蒸汽管道、新鮮水管道的防凍設計布置方案基本相同，均要求各分支支管切斷閥與主管間的距離最小。此外，新鮮水管道應設計蒸汽伴熱，蒸汽管道應在蒸汽總管低點處設置疏水閥組，在蒸汽總管高點處設置放空閥(微開)，各分支管不需要伴熱。公用物料站內新鮮水及蒸汽管道防凍設計見圖3和圖4。

圖3　公用物料站內新鮮水　管道防凍設計

圖4　公用物料站內蒸汽　　管道防凍設計

2.4放空與導淋管道的防凍設計

按現行標準，管道的放空及導淋閥前短管要求為100 mm，雖然這個長度并不是很大，但是對于我國北方寒冷或嚴寒地區而言，這個長度對于防凍設計還是不利的，化工裝置開車的實例(如神華煤制油項目等)也證明了這一點，包括蒸汽在內的易凍介質管道上的放空閥及導淋閥，均出現過凍結甚至凍壞的現象。后經不斷摸索和完善，此短管的長度可以減少至50 mm以內。對于承插焊放空或導淋閥，閥前兩道焊縫間的長度可以做到50 mm以內。對于法蘭放空或導淋閥，閥前配對法蘭應設計為對焊法蘭，放空或導淋管根部補強件亦為對焊的，以便于根部補強件與配對法蘭直接焊接，從而保證放空或導淋閥距離主管最短。

3增加管道伴熱

管道的防凍設計最經濟的手段就是通過優化管道布置來解決，對于其他難以通過優化管道布置實現的，就要采取附加手段來處理，特別是對于安全閥、閥組旁路、泵、洗眼器、地漏等處的管道需要進行伴熱設計，以求系統安全運行。

3.1蒸汽伴熱設計要求

此處僅以蒸汽伴熱為例進行分析。熱水伴熱要求同蒸汽伴熱，電伴熱另有要求，此處不加討論。

(1)以蒸汽介質操作溫度、操作壓力分為中壓蒸汽伴熱系統和低壓蒸汽伴熱系統。

(2)通常要求管道伴熱管的管徑為DN15，但在北方寒冷或嚴寒地區，一般以DN20或DN25為宜。

(3)同一蒸汽分配站上引出的管道伴熱管的當量長度盡量接近。

(4)蒸汽冷凝液回收站應布置在伴熱管的低點，管道伴熱管應避免出現液袋。

(5)每根管道蒸汽伴管應單獨成為一個系統，設置獨立的切斷閥、疏水閥等，不可多根管道蒸汽伴管共用一個疏水閥。

(6)蒸汽分配站蒸汽來源管道應從蒸汽總管頂部引出，并設置0.3%坡度坡向蒸汽總管，蒸汽冷凝液回收站冷凝液回收管應從冷凝液總管頂部接入，并設置0.3%坡度坡向冷凝液總管。

3.2安全閥前后管道的伴熱設計

對于易凍且有毒、有害的放空介質(如液氨、濕合成氣、CO2等)，安全閥出口管道應設置0.3%及以上坡度坡向排放系統回收總管，并在安全閥出口管道增加管道伴熱，以防止因安全閥泄放導致管道溫度驟降引發管道內部結冰或結干冰堵塞管道的現象發生。

對于易凍，但無毒、無害的放空介質(如蒸汽、水等)，安全閥出口管道應設計蒸汽伴熱，以防止冬季放空時液體凍結堵塞管道，同時，在安全閥出口附近局部低點處設置一個排液管道，以便于將安全閥出口管道余液(因放空、內漏、雨水等原因產生)排凈。

3.3易凍介質閥組旁路的伴熱設計

閥組是化工裝置內常用的管道布置形式，閥組旁路是當主閥門需要檢修時臨時啟用的管道，旁路內的介質相對主管道而言是靜止的，因此在冬季寒冷的環境中，易凍介質或易于產生易凍介質的旁路很容易結凍。需對此類旁路進行伴熱設計，避免防凍設計缺失造成旁路凍損，給系統安全造成威脅。

3.4泵的進出口管道及循環冷卻水管道的伴熱設計

3.4.1泵進出口管道的伴熱設計

在我國北方寒冷或嚴寒地區建設的化工裝置，其泵應集中布置在泵房內，泵房內采取集中供暖。但并不是所有泵都能夠統一集中布置，若僅為了某一單一泵設置泵房也是不經濟的。因此，需要對此類泵進行防凍設計。

對此類露天布置的泵，特別是一開一備、多開一備、多開多備的布置形式，由于這些泵均互為備用，所以應對泵的進出口管道進行充分的伴熱設計，以防止管道凍損。

3.4.2泵循環冷卻水管道的伴熱設計

泵的循環冷卻水管道操作溫度有著嚴格的要求，在考慮此類管道防凍設計的時候，不能簡單使用蒸汽伴熱方法處理防凍問題，要避免因伴熱選型不當而導致循環冷卻水水溫過高，造成泵損壞的現象發生。一般情況下，循環冷卻水管線的伴熱應根據實際情況選用熱水伴熱或電伴熱，以電伴熱為宜。

3.5洗眼器管道的伴熱設計

對露天布置的洗眼器，與之相連接的管道也是需要考慮防凍設計的，此類管道往往在設計階段被忽略。因洗眼器用水是用于清洗人眼的，對供水溫度是有嚴格要求的，同時此類管線的布置又比較分散，在進行防凍設計時宜采用電伴熱。

3.6地漏排放管道的伴熱設計

地漏排放管道是工藝防凍設計中最容易被忽略的對象，在我國北方寒冷或嚴寒地區，地漏排放管道的坡度設計應更大一些，一般為1%~3%，以便于排放液體能夠盡快排凈，同時，也便于進入排放管道內的固體沉淀物排出。但在滴水成冰的冬季，即使再大的坡度也顯得不夠，排放液體進入排放管道內很快就會凝結成冰，堵塞排放管道，故須對地漏排放管道進行伴熱設計。此類管道伴熱設計宜采用電伴熱方式，電伴熱設計的操作溫度設置在5~10 ℃即可。

4結語

從以上分析可以看出，相較于主工藝管道來說，本文所述及的防凍設計管道在整個工藝流程中并不是十分顯眼，但是正是這些看似不起眼的管道，如發生了凍堵塞，同樣會造成裝置停車、檢修，甚至設備、管道的損壞。因此，化工裝置的管道防凍設計問題需要引起廣大工程技術人員的關注和重視，通過合理的管道布置，用正確、適當、經濟的手段去實現裝置防凍設計，從而使管道設計滿足裝置生產的需要，保障化工裝置順利過冬。

修改稿日期： 2015-10-29

Anti-freezing Piping Design and Analysis of Chemical Plants in North China

WANG Ke

(EastChinaEngineeringScience&TechnologyCo.,Ltd.，HefeiAnhui230024China)

Abstract：In construction of a chemical plant in North China, pipeline anti-freezing has been the issue that production enterprises pay attentions to. Because of insufficient attention to pipe anti-freezing at design stage, hidden troubles are existing for chemical production enterprises. In this paper, the author starts from source control of anti-freezing design, optimizes piping layout, adds pipe tracing, and elaborates the anti-freezing piping design highlights of chemical plants from diversified aspects and angles, and strives to accomplish a nip in the bud.

Keywords：cold area; chemical plant; pipeline; anti-freezing; design

作者簡介：王軻(1988年—)，男，河南新安人，2012年畢業于華東理工大學化學工藝專業，碩士，助理工程師，現主要從事化工管道設計工作。

中圖分類號：TQ 050.2

文獻標識碼：B

文章編號：1004-8901(2016)01-0033-03

doi：10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.008 10.3969/j.issn.1004-8901.2016.01.008