液體化工碼頭中管道清管轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

喬劍華，杜興元

（1.中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222；2.天津港股份有限公司，天津 300461）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)石油、化工、醫(yī)藥等行業(yè)對(duì)化工品需求大增，促使液體化工碼頭的建設(shè)。液體化工碼頭具有裝卸貨種種類繁多、單次裝卸量相對(duì)較少、質(zhì)保要求高等特點(diǎn)，為保證物料的數(shù)量和質(zhì)量，多采用清管掃線的方式對(duì)工藝管道進(jìn)行清空作業(yè)[1]；同時(shí)，投資方往往希望所建碼頭具有公用性，滿足多個(gè)庫(kù)區(qū)服務(wù)或多個(gè)碼頭均可服務(wù)于一個(gè)庫(kù)區(qū)，以提高碼頭的利用率，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化[2]。管道清管轉(zhuǎn)換器能實(shí)現(xiàn)4根管道間互換連通、轉(zhuǎn)換且滿足清管球通過(guò)，近年來(lái)在液體化工碼頭得到使用。鑒于目前國(guó)內(nèi)使用管道清管轉(zhuǎn)換器的工程較少，對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)行交流研究具有一定意義。

1 常用的清管方式及其限制

因液體化工碼頭裝卸作業(yè)的不連續(xù)性，決定了碼頭工藝管道的間歇運(yùn)行。當(dāng)管內(nèi)物料易自聚、易變質(zhì)、保量要求高或需更換管內(nèi)物料的種類時(shí)，需將管內(nèi)的物料進(jìn)行清空。常用的管道清空方式是在管道上設(shè)置收發(fā)球設(shè)備，利用氮?dú)饣驂嚎s空氣作為動(dòng)力，推動(dòng)清管球?qū)⒐軆?nèi)物料吹掃至陸域儲(chǔ)罐或船艙[1]。

碼頭常用的清管球有橡膠清管球、聚氨酯泡沫清管球、碟形皮碗清管器、雙向直板清管器。橡膠清管球是由橡膠制成，主要用于清除管內(nèi)積液或分隔介質(zhì)；聚氨酯泡沫清管球具有較好的彈性、韌性和耐磨性，通過(guò)能力強(qiáng)，即使發(fā)生卡堵也可依靠其高變形性克服，或提高壓力使其破裂自行解堵，近年在液化碼頭應(yīng)用較多；碟形皮碗清管器通過(guò)能力優(yōu)于雙向直板清管器，主要用于清除管道內(nèi)積液、粉塵等污物；雙向直板清管器清除能力優(yōu)于碟形皮碗清管器，特別是能有效清除管道內(nèi)懸浮污物，可以雙向運(yùn)動(dòng)，清管效率較好[3]。具有清管功能的管道，常采取如下措施避免清管球卡堵：1）使用全通徑閥門；2） 閥門處于全開位置；3）管道彎頭半徑大于清管球允許通過(guò)的最小半徑；4）因清管球通過(guò)具有方向性，只能在一條管道內(nèi)行走，為確保清管球順利通過(guò)，不宜設(shè)支管，如必須設(shè)置支管時(shí)，支管的三通應(yīng)設(shè)有防護(hù)擋條[3]。

當(dāng)一個(gè)碼頭連接多個(gè)庫(kù)區(qū)或多個(gè)碼頭服務(wù)于一個(gè)庫(kù)區(qū)時(shí)，通常需將一條管道與多條管道相連接，如采取常規(guī)的焊接連接方式，就形成了一個(gè)具有多分支的管道系統(tǒng)。受清管球通過(guò)方向性的限制，此種多分支管道只能在其最長(zhǎng)管段間利用清管球進(jìn)行清空，其余支管只能采用放空方式清空，因此這種多分支管道的清管作業(yè)非常困難。

2 管道清管轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

鑒于多分支管道清管作業(yè)困難的情況，管道清管轉(zhuǎn)換器作為一種新型管道連接設(shè)備開始得到應(yīng)用。管道清管轉(zhuǎn)換器使原本為多分支的管道系統(tǒng)，變成了只用1個(gè)彎管接頭連接2條管道的系統(tǒng)，它的使用既可實(shí)現(xiàn)4根管道間互相連通轉(zhuǎn)換，又可滿足清管球的順利通過(guò)，還可避免管道轉(zhuǎn)換時(shí)殘液四處滴濺，其連接方便安全，有利于作業(yè)安全、環(huán)保[4]。

2.1 管道清管轉(zhuǎn)換器組成及工作原理

管道清管轉(zhuǎn)換器是由底座和彎管接頭組成。底座由對(duì)焊法蘭、無(wú)縫鋼管、管道間水平支撐結(jié)構(gòu)、垂直支撐結(jié)構(gòu)、底板、圍埝結(jié)構(gòu)、殘液收集管及其法蘭組成；在底板上按管道布置要求開洞，將4根無(wú)縫鋼管穿過(guò)開洞后與底板焊接，在無(wú)縫鋼管的頂端焊接對(duì)焊法蘭，無(wú)縫鋼管的另一端連接需要轉(zhuǎn)換的管道，在底板四周焊接圍埝結(jié)構(gòu)，底板一角焊接殘液收集管及其法蘭，最后再焊接垂直支撐結(jié)構(gòu)和管道間水平支撐結(jié)構(gòu)；彎管接頭由對(duì)焊法蘭、2個(gè)滿足清管球通過(guò)的90°彎頭、直管和吊板組成。

根據(jù)清管球通過(guò)要求，選擇合理彎曲半徑的90°彎頭和直管焊接成180°的彎管接頭；用底板、管道間水平支撐結(jié)構(gòu)抵抗管道熱脹冷縮產(chǎn)生的推力，并將需轉(zhuǎn)換的4根管道進(jìn)行固定，使其法蘭的位置相對(duì)固定，確保在連接彎管接頭時(shí)方便省力；在底板四周焊接一定高度圍埝結(jié)構(gòu)，使之與底板一起構(gòu)成一個(gè)封閉空間，再在底板一角焊接殘液收集管及其法蘭，且使底板坡向殘液收集管，可方便收集拆卸彎管接頭時(shí)滴落的液體。

使用彎管接頭連接底座上需要轉(zhuǎn)換連通的法蘭，并利用螺栓、螺母等緊固件固定，在法蘭間加裝墊片以保證其密封性，從而實(shí)現(xiàn)管道轉(zhuǎn)換；因管道清管轉(zhuǎn)換器為鋼管連接且彎管接頭的彎曲半徑較大，可確保清管球的順利通過(guò)。

2.2 管道清管轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)要點(diǎn)

管道清管轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)需要根據(jù)工程條件、使用條件合理確定其尺度及荷載，以確保連接安全、可靠。

應(yīng)根據(jù)工程條件首先確定底座上管道的口徑、材質(zhì)、壁厚、法蘭等級(jí)、法蘭系列等；然后根據(jù)清管球通過(guò)要求、安裝空間、操作空間等，確定彎管接頭尺寸、底板尺寸及開洞位置；再根據(jù)碼頭管道布置情況計(jì)算出管道間的推力，設(shè)計(jì)管道間水平支撐結(jié)構(gòu)、垂直支撐結(jié)構(gòu)；最后設(shè)計(jì)圍埝結(jié)構(gòu)、接殘液收集管及其法蘭等。

3 工程實(shí)例

天津港大港港區(qū)（南港）泰奧石化倉(cāng)儲(chǔ)物流項(xiàng)目碼頭一期工程中的5號(hào)、6號(hào)泊位上設(shè)計(jì)了若干管道清管轉(zhuǎn)換器，以此為例進(jìn)行說(shuō)明[5]。

3.1 工程概況

5號(hào)、6號(hào)泊位建設(shè)規(guī)模為1.0萬(wàn)噸級(jí)泊位，為棧橋式兩側(cè)靠船碼頭，設(shè)計(jì)船型為1 000～10 000 DWT油船和化工品船，裝卸貨種包括4種成品油和12種化工品，總運(yùn)量為140萬(wàn)t/a，并在棧橋前端預(yù)留2個(gè)5.0萬(wàn)噸級(jí)液體化工碼頭和2個(gè)10.0萬(wàn)噸級(jí)油品碼頭。業(yè)主要求工藝系統(tǒng)適應(yīng)性好、專管專用、工藝管道要通球、近期與遠(yuǎn)期相結(jié)合等。

3.2 工藝設(shè)計(jì)方案

清管球行程為：5號(hào)（或6號(hào)）泊位清管閥→5號(hào)（或6號(hào)）泊位管道→管道清管轉(zhuǎn)換器→棧橋工藝干管→庫(kù)區(qū)管道→庫(kù)區(qū)收發(fā)球設(shè)施。

3.3 管道清管轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

1）根據(jù)碼頭管道設(shè)計(jì)情況，確定轉(zhuǎn)換器中選用SH/T 3406—1996《石油化工鋼制管法蘭》中DN200、PN2.0鋼制對(duì)焊突面法蘭。

2）根據(jù)清球通過(guò)要求，確定彎管接頭中選用3D半徑的90°彎頭，根據(jù)彎管接頭尺寸、法蘭的螺栓孔情況，確定底板尺寸為1 290 mm×1 290 mm的正方形鋼板，將4根管道分別布置在底板四角，根據(jù)管道間距離設(shè)計(jì)2種尺寸的彎管接頭，用于連接4根管道中的任意2根，具體尺寸如圖1、圖2所示。

圖1 管道清管轉(zhuǎn)換器立面圖Fig.1 The vertical view of pipeline pigging converter

為了工藝系統(tǒng)適應(yīng)性好，增加其靈活性，5號(hào)、6號(hào)泊位均設(shè)4根DN350成品油管道，15根DN200化工品管道，并預(yù)留6條管道位置；為了減少工程投資，輸送同一物料的管道在棧橋處共用干管，減少管道數(shù)量的同時(shí)又不影響工藝系統(tǒng)的靈活性；裝卸設(shè)備選用軟管；收發(fā)球設(shè)備選用清管閥；成品油管采用管道最遠(yuǎn)端安裝清管閥清管的方案，化工品管道采用設(shè)置管道清管轉(zhuǎn)換器對(duì)各管進(jìn)行轉(zhuǎn)接后清管的方案、并在各管端頭安裝清管閥。

管道清管轉(zhuǎn)換器的使用實(shí)現(xiàn)了多管道間連通、轉(zhuǎn)換，可確保清管作業(yè)順利完成，還可實(shí)現(xiàn)5號(hào)、6號(hào)泊位間“船－船直取”作業(yè)。

化工品裝卸船流程：庫(kù)區(qū)儲(chǔ)罐→裝船泵→棧橋工藝干管→管道清管轉(zhuǎn)換器→5號(hào)（或6號(hào)）泊位管道→軟管→船艙；船艙→船泵→軟管→5號(hào)（或6號(hào)）泊位管道→管道清管轉(zhuǎn)換器→棧橋工藝干管→庫(kù)區(qū)儲(chǔ)罐。

船－船直取流程（以5號(hào)泊位卸船至6號(hào)泊位裝船為例）：A船船艙→A船船泵→5號(hào)泊位軟管→5號(hào)泊位管線→管道清管轉(zhuǎn)換器→6號(hào)泊位管線→6號(hào)泊位軟管→B船船艙。

化工品清管流程：利用氮?dú)馔苿?dòng)清管球清管，

圖2 管道清管轉(zhuǎn)換器底座、彎管接頭示意圖Fig.2 Sketch map of pipeline pigging converter base and bend joint

3）根據(jù)軟管架、工藝管廊布置等情況確定將裝卸區(qū)內(nèi)的管廊增加1層用于集中安裝管道清管轉(zhuǎn)換器。為了管道連接方便，將化工品管道安裝在棧橋管廊頂層；為了吊運(yùn)彎管接頭方便，在軟管架間設(shè)1臺(tái)電動(dòng)防爆單梁起重機(jī)。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景如圖3所示。

圖3 管道清管轉(zhuǎn)換器現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景Fig.3 The site photo of pipeline pigging converter

4）根據(jù)碼頭管道間推力情況，設(shè)計(jì)管道間水平、垂直支撐結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)圍埝結(jié)構(gòu)、殘液收集管及其法蘭等。

用彎管接頭連接底座上需轉(zhuǎn)換的2個(gè)法蘭，在法蘭間加裝墊片后，利用螺栓、螺母等將其固定，實(shí)現(xiàn)管道轉(zhuǎn)換。

3.4 管道清管轉(zhuǎn)換器與清管分配閥對(duì)比

清管分配閥是一種可滿足清管球通過(guò)的三通球閥，近年來(lái)在石化行業(yè)中得到使用，它可實(shí)現(xiàn)O—A、O—B之間的管道轉(zhuǎn)換且滿足清管球通過(guò)要求，受閥門球體流道設(shè)計(jì)的限制，其對(duì)清管球的允許通過(guò)半徑要求較嚴(yán)。管道清管轉(zhuǎn)換器與清管分配閥對(duì)比情況（以DN200碳鋼管道轉(zhuǎn)換為例）見表1。清管分配閥剖視圖見圖4。

表1 管道清管轉(zhuǎn)換器與清管分配閥對(duì)比表Table 1 The contrast table of pipeline pigging converter and pigging distribution valve

圖4 清管分配閥剖視圖Fig.4 The sectional view of pigging distribution valve

從投資、運(yùn)營(yíng)的可靠性和流程的靈活性等方面分析，管道清管轉(zhuǎn)換器優(yōu)于清管分配閥。

4 結(jié)語(yǔ)

管道清管轉(zhuǎn)換器是一種新型管道轉(zhuǎn)換連接設(shè)備，其連接安全、操作方便，可有效收集管道轉(zhuǎn)換時(shí)的殘液，避免了轉(zhuǎn)換時(shí)管內(nèi)殘液四處滴濺而帶來(lái)的安全隱患及環(huán)保問題，有利于作業(yè)安全及環(huán)境保護(hù)，解決了液體化工碼頭中多分支管道清管作業(yè)困難的問題。本文介紹了管道清管轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)情況，可為同類工程設(shè)計(jì)提供參考。