石油化工裝置低壓大口徑管道的設計研究

羅鑫（眾一阿美科福斯特惠勒工程有限公司，上海 200540）

石油化工裝置低壓大口徑管道的設計研究

羅鑫（眾一阿美科福斯特惠勒工程有限公司，上海 200540）

本文主要以石油化工裝置低壓大口徑管道的設計為切入點，以當下石油化工裝置低壓大口徑管道的設計原則為主要依據，結合具體工程，對大口徑管道鋼管的選擇、壁厚計算、管道布置、管道施工及檢驗等方面進行深入探索與研究，主要目的在于提高石油化工裝置低壓大口徑管道的設計質量，降低事故發生率，保障石油化工裝置的安全運行。

低壓；大口徑管道；設計

隨著石油化工產業的不斷發展，其形式逐漸朝著多元化的方向發展，國內石油化工裝置數量在不斷增加，規模不斷增大，生產設備的尺寸在不斷擴大，設備間連接管道的公稱直徑在不斷增大，如乙烯裝置的裂解氣總管公稱直徑可達DN3000。目前石油化工管道存在的主要價值便是輸送易燃易爆的物質，管道質量對于社會環境以及公眾生命安全具有直接影響，而低壓大口徑管道因為管道公稱直徑大、重量大、焊接難度大的特點，更易發生損壞而使一些易燃易爆的物質泄漏到空氣中，嚴重的話還會引起火災或者爆炸事故。因此低壓大口徑管道的設計質量、安裝質量將直接影響裝置的安全運行。本文結合某項目乙醇塔熱泵壓縮機的進口、出口管道對低壓大口徑管道的設計進行探討及研究。

1 石油化工裝置低壓大口徑管道鋼管的選擇

石油化工裝置低壓大口徑管道鋼管的選擇同普通類型管道鋼管的選擇要求是類似的，應根據輸送介質的特性、壓力、溫度、材料加工性能等因素并進行技術經濟比較后確定，低壓大口徑管道的材質應具有良好的韌性和可焊性。大口徑管道鋼管的選用應根據相應的標準選取，常用標準如下：

《低壓流體輸送用焊接鋼管》GB∕T3091-2008

《低壓流體輸送管道用螺旋縫埋弧焊鋼管》SY∕T5037-2000

《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》GB∕T 9711-2011

石油化工裝置中常用的管道公稱直徑為DN15～DN600，一般采用無縫鋼管，對于公稱直徑大于DN600的管道一般采用焊接鋼管。無縫鋼管是在軋制中一次成型的，焊接鋼管是需要鋼板卷制后焊接而成，在性能上，尤其是承壓能力上，焊接鋼管都會比無縫鋼管要差一些，故焊接鋼管一般用在壓力較低且工況較簡單的工藝管道上。焊接鋼管根據焊縫形狀的不同，還可分為直縫焊接鋼管和螺旋縫焊接鋼管，石油化工裝置中常用的焊接鋼管有直縫高頻電阻焊鋼管、直縫埋弧焊鋼管及螺旋縫埋弧焊鋼管。某項目乙醇塔熱泵壓縮機的進口、出口管道選用螺旋縫埋孤焊鋼管。

石油化工裝置常用大口徑焊接鋼管

2 石油化工裝置低壓大口徑管道的壁厚計算

設計人員在選擇管道壁厚時，往往為保險起見而增大管道壁厚，但試驗表明，在具有較高操作溫度的情況下，壁厚的隨意擴大會增大熱應力，進而加重管系的風險因數，同時也會加大結構設計的難度和施工的費用，足以見得，擴大管道壁厚的做法并不可取，而應該進行科學的計算。大口徑管道在選擇管道壁厚時還應考慮管道的剛度因素，一般情況下，管道壁厚不小于管道外徑的1∕150。

國內鋼管壁厚計算目前有2常用的計算方法：

(1)巴洛（Barlow）公式

式中 p－設計內壓力，Mpa；

S－材料的許用應力，Mpa；

巴洛公式計算得出的是管子的表號而不是壁厚，根據計算得出的SCH值圓整為標準的SCH值選取對應的標準的管道壁厚。SCH值只是用于管道壁厚系列的表示，此種方法計算誤差較大，容易提高工程造價，不推薦使用。

(2)《石油化工管道設計器材選用規范》SH∕T3059-2012計算公式

在SH∕T3059-2012中，受內壓直管的壁厚計算應按下式計算：

[δ]t－設計溫度下管子材料的許用應力，Mpa；

Φ－焊縫系數，對無縫鋼管取1；

W－焊縫接頭強度降低系數；

Y－溫度對計算直管壁厚公式的修正系數；

Tˉ－名義厚度，標準規定的厚度,mm；

C1－材料厚度負偏差，按材料標準規定，mm；

C2－腐蝕、沖蝕裕量，mm；

C3－機械加工深度。對帶螺紋的管道組成建，取公稱螺紋深度，對未規定公差的機械加工表面或槽，去規定切削深度加0.5mm，mm；

C4－厚度圓整值，mm；

國內設計公司目前大多按照SH∕T3059-2012中的計算公式來計算管道壁厚，此種計算方法的結果較為精確，計算過程嚴謹，推薦使用。

式中 t－直管的計算壁厚，mm；

P－設計壓力，Mpa；

D0－管子外徑，mm；

3 石油化工裝置低壓大口徑管道的布置要求

(1)大口徑管道布置的基本要求同普通類型管道的布置要求是一致的：符合工藝要求、整齊美觀、橫平豎直、成組成排、便于操作、維修等。低壓大口徑管道的公稱直徑大、重量大、管道改變走向不易，在石油化工裝置的初步設計階段，大口徑管道的布置位置及管道走向就需要基本確定好。如圖1中某項目乙醇塔熱泵壓縮機的進口總管公稱直徑DN1300，分2路進入壓縮機，每個分支管線公稱直徑DN900，考慮到進入壓縮機2個入口的管道必須使流體分配均勻，進入壓縮機的2路分支管線在布置時必須對稱布置，為了檢修方便，壓縮機進、出口管道均設置了拆卸法蘭。

(2)大口徑管道布置時必須做到安全可靠，在進行管道設計時，應保證管道具有足夠的柔性來吸收管道位移應變，防止管道因應力過大或金屬疲勞引起管道破壞，造成介質泄漏，柔性補償盡量采用自然補償，在自然補償不能滿足要求情況下可以采用補償器來增加管道的柔性。因此，大口徑管道有必要進行應力分析計算，根據分析計算結果調整管道布置。應力計算一般采用CAESARⅡ軟件。某項目乙醇塔熱泵壓縮機的進、出口管道應力分析計算時，考慮到壓縮機開、停車工況，并進行工況組合，分析計算結果顯示，壓縮機進、出口管系的柔性不夠，且壓縮機進、出口管口受力過大，需要在壓縮機入口的2個分支管道及出口管道上分別增加一個膨脹節才可以滿足管系的柔性以及壓縮機進出口管嘴對許用應力及力矩的要求。

(3)大口徑管道主管與分支管的連接盡量采用三通連接，如果分支管線較小，分支管可與主管直接焊接，如果不能保證主管的強度，可以局部增加主管厚度或采用補強板的方式來增加強度。如圖1中壓縮機入口分配管與主管連接采用等徑三通進行連接，壓縮機入口分支管線與分配總管連接采用焊接并采用補強板進行補強。

(4)大口徑管道應合理設置支吊架，支吊架的位置、形式應與管道布置同時考慮，支吊架的荷載盡量均勻分布，支吊架的生根點盡可能選在在地面上或結構主梁上，如圖1，壓縮機進、出口管道上均設置了支架，并且支架的生根點均在地面上，因為荷載較大，支架設置了土建生根混凝土基礎。

圖1 壓縮機進出口管道布置

4 石油化工裝置低壓大口徑管道的的施工及檢驗

(1)大口徑管道施工時應按照設計的“管道布置圖”或“管道軸測圖”并參照PID對管道進行安裝，大口徑管道的施工應注意安裝順序，一般先安裝好主管，然后安裝支管或分支管。對于改造項目，需要特別注意，由于石油化工裝置多為火災、爆炸危險性較大的場所，在項目現場盡量減少動火作業，此時需要在廠外先將管道預制好，然后再到現場進行組裝。

(2)大口徑管道的強度試驗方法應根據管道輸送介質的特性來確定，若輸送介質為液體，則采用液壓試驗，試驗介質一般采用潔凈水；若輸送介質為氣體，則采用氣壓試驗，試驗介質一般采用壓縮空氣。水壓試驗的壓力為設計壓力的1.5倍，但當管道系統的設計溫度高于試驗溫度時，試壓壓力為設計壓力的1.5倍并以鋼管材料在試驗溫度與設計溫度下的許用應力的比值校準，且不得超過1.5倍管道組成件的額定壓力。氣壓試驗的壓力為管道設計壓力的1.15倍，并按相關標準執行。但當液壓試驗與氣壓試驗均不具備實施條件的情況下，可采用對管道所有環焊縫、縱焊縫進行100%射線檢測或100%超聲波檢測的方法代替管道強度試驗。某項目乙醇塔熱泵壓縮機的進、出口管道的壓力試驗采用氣壓試驗。

(3)管道強度試驗后，需要對管道進行管道吹掃或清洗，吹掃可采用水沖洗、空氣吹掃等方法。管道系統吹掃前，不應安裝孔板、法蘭連接的調節閥、節流閥、安全閥及儀表件等，對已焊接在管道上的閥門和儀表，應采取保護措施；不參與系統吹掃的設備與管道，應與吹掃系統隔離；強度試驗合格后，對于可燃介質的管道系統還應進行泄漏性試驗。

5 結語

綜上所述，隨著工業生產的不斷發展，利用管道輸送氣體、液體或固體介質已成為工業生產不可缺少的組成部分。管道輸送介質十分復雜，管道所處環境比較惡劣，這些特點使流體輸送管道具有一定的危險性。因此在對管道設計時尤其是低壓大口徑管道，一定要建立一套完整的、安全的設計體系，提高低壓大口徑管道的設計質量，降低安全事故出現的幾率，提高管道運行的安全性。

[1]穆柯,張博.石油化工裝置工藝管道設計探討[J].中國石油和化工標準與質量,2013,23:31-32.

[2]陳永亮.石油化工裝置中低壓大口徑管道設計探討[J].煉油技術與工程,2010,07:407.