火炬管道的應力補償和坡度設計

王寶全

東華工程科技股份有限公司 合肥 230024

火炬系統是保證化工、石化企業安全連續運行的重要保障設施。在當今的大型化工、石化企業中，火炬管網通常具有管道數量多、口徑大、設計溫度范圍寬、路徑長等特點[1,2]。近年來,隨著規范升級，又對火炬管網的配管設計提出了更多的新要求。如何更好地進行火炬管網的配管設計，對全廠管廊的合理布置、項目總體的優化布置、以及投資控制等，都具有重大影響。結合最新的規范要求以及筆者的工作經驗和項目經歷，本文在此探討火炬管系的應力補償形式，主要對比自然補償和金屬波紋膨脹節補償兩種方式；并介紹火炬管坡度的實現方式，期望為工程設計的同行和化工石化項目建設人員提供參考。

1 火炬管系的應力補償

1.1 規范要求

在過去的火炬管系設計中，金屬波紋管膨脹節是一種重要的應力補償形式。由于波紋管膨脹節補償量大，不改變管系的走向，過去的許多應力分析計算書中都采用了這種膨脹節進行應力補償。但考慮到膨脹節會成為火炬管系的薄弱點，尤其是當管道中存在凝結液時，膨脹節容易損壞，2014年開始執行的《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》SH 3009-2013[3]中明確要求：新建工程管道(指可燃性氣體排放管道)應采用自然補償，擴建、改建工程管道宜采用自然補償，且補償器宜水平安裝。

為滿足規范要求，在進行全廠管廊的配管設計時，通常將火炬管道布置在管廊最上層的邊緣，其水平補償器伸向管廊的另一側。如果火炬管數量多，管徑大，其補償器通常會超出管廊的正常寬度范圍。

在2021年6月1日實施的新版《壓力管道規范 工業管道 第三部分：設計和計算》GB/T 20801.3-2020中[4]規定：“火炬排放總管的熱補償應采用自然補償，如因工藝和空間條件的限制，全場火炬總管公稱直徑大于或等于DN400時，宜采用金屬波紋膨脹節進行熱補償，且在管道的適當位置應采取軸線限位和導向措施。”同時規定，“應有防止凝結液在波紋膨脹節處聚集的措施”，并要求“金屬波紋膨脹節的補償量至少應是熱補償管段的全溫度范圍位移量的1.15倍”。

因此，2021年6月以后新建的化工項目，火炬管道的配管設計可以繼續考慮采用膨脹節，同時做好相應的安全措施。本文在下面的案例分析中會對自然補償和膨脹節補償進行簡單比較，具體補償方案可以在征得業主方認可后采用。

1.2 案例分析

以筆者最近參與某化工廠管廊設計為例，由于包含了煤制氣、合成氨、氫氣提純、氨肟化等多個裝置單元，全廠管廊上最終設計了8個火炬氣管系，見表1。

1.2.1 火炬管系自然補償

上述項目在設計階段火炬管系參照執行規范SH 3009-2013，采用平面的自然補償形式。在全廠管廊上進行火炬管排布時，首先要考慮的因素是應力補償量的大小，主要由溫度和管徑兩個因素控制，材質也有影響；同時也要考慮美觀，接管方便等因素。該項目的管道排布和補償設計見圖1。

表1 某大型化工企業火炬管系

由圖1可以看出：

(1)管廊頂層有多個火炬管并排時，Π型補償器的橫臂長度往往會明顯大于管廊的寬度，需要考慮在管廊的一側增加立柱支撐，在進行總圖的裝置布置、道路和管廊規劃時需要預留此寬度距離。

圖1 某大型化工企業全廠管廊火炬管排布示意圖

(2)管廊頂層有多根火炬管道需要進行應力補償時，應盡可能使補償器形成嵌套的排布形式，固定架可以生根在同一管廊軸線上。如果固定架兩側的補償器近似對稱布置，計算出固定架的推力也比較小。

(3)管廊頂層有多個火炬管并排時，應盡可能將大口徑的火炬管放在內側(在圖1中對應南側)。因為大口徑的事故火炬氣等通常考慮的工況復雜，設計溫度高，Π型補償器的橫臂最長，放在內側時，即使橫臂超過了管廊的整體寬度，通常也能滿足支撐跨距要求。

(4)固定架和Π形補償器的距離，通常由溫度最高的一根管道決定，為防止管托從梁上滑落或卡住，所在管段的膨脹量建議控制在120mm左右。如果管托偏置或者采用加長管托，此段管道的膨脹量允許更大一些，但對施工等環節也提出更多要求，Π型補償器的橫臂也會更長。

(5)管廊頂層有多根火炬管道需要進行應力補償時，小口徑和溫度較低的火炬管道的排布順序，可以在計算膨脹量和Π形補償器長度后綜合考慮確定。如果想盡可能的減小每根管道的補償器長度，火炬管的排列順序可能和管徑大小順序有所區別，但要同時考慮小口徑管道在次梁上的支撐位置等問題。

(6)管廊頂層有多根火炬管形成嵌套式平面自然補償時，補償器橫臂之間管道間距應當適當調大，因為外圍管道的膨脹量大，會壓縮橫臂之間的管道凈空。如果有低溫管道，則與鄰近管道的位移方向相反，更要注意此類問題。

1.2.2 火炬管系膨脹節補償

如果按照規范GB/T20801.3- 2020要求，DN400以上管道采用金屬波紋膨脹節進行應力補償，對上述項目的火炬管道進行重新排布，見圖2所示。

由圖2可以看出，如果采用膨脹節補償，和全部采用自然補償有幾處明顯不同：

(1)小口徑的火炬管道仍然采用自然補償，但通常不會在管廊側面伸出太遠，可以考慮在側面挑梁增加支撐，不需要從地面增加立柱。但如果附近有建構筑物，仍然需要確認是否有足夠的橫向間距。

圖2 火炬管系的膨脹節補償形式示意

(2)大口徑火炬管的排管順序更自由，相互之間沒有干擾。但要注意管道間距應調大，因為膨脹節的最大外徑會明顯大于管道外徑，容易發生碰撞。

(3)固定架和補償器的間距確定更自由，可以根據單根管道的溫度和膨脹量計算結果自行確定，而且固定架也不一定共同作用在某一根柱子上。

(4)采用膨脹節補償可以明顯減少火炬管道的總長度和土建費用，但要做好相應的安全措施。尤其是管道內可能產生液相時，會增加分液裝置的數量，投資比較時也應考慮在內。

2 火炬管系的坡度實現

2.1 規范要求

盡管規范中有明確要求，可燃性液體等介質不允許直接排入火炬氣管網，但火炬氣成分復雜，往往會有液滴產生。一旦有液滴產生，會在高速流動的氣體帶動下產生水錘等現象；如果管路上安裝了波紋管膨脹節，不平整的內壁處更容易受到沖擊而發生危險。如果火炬氣中產生了較多的液相，會對整個管網的安全運行造成較大隱患，因此火炬管道需要較大的坡度，并應有分液措施。這些措施也在規范中有明確要求。

(1)根據規范SH 3009-2013要求，可燃性氣體排放管道坡度不應小于2‰，管道應坡向分液罐、水封罐；管道沿線出現低點，應設置分液罐或集液罐。

(2)在《化工裝置管道布置設計 技術規定》HG/T 20549.5-1998[5]中，要求火炬管道應有坡度，坡向分液罐或其他設備，坡度宜不小于3‰。

大型化工、石化企業的全廠管廊上，火炬管道的總長度通常會比較長，超過1km的情況也較常見。即使以較小的2‰的坡度計算，1km的長度范圍即對應2m的連續坡度總高差，這已經不是僅靠現場施工階段調整就能解決的問題。因此，火炬管系的坡度設置必須在設計階段予以考慮。

2.2 案例分析

由于全廠管廊的頂層通常只布置火炬管道，因此將管廊頂層做成帶坡度的斜面也是實現火炬管道坡度配管的一種方法。但由于此方案給土建設計和施工帶來較大困難，采用得并不多。筆者接觸到的新建項目，基本都是將管廊頂層做成變標高的臺階式。

以筆者最近參與項目的一段全廠管廊為例，1柱頂層標高為EL11.600，取連續坡度為3‰，根據平面布置圖上的柱間距計算其他柱頂標高。考慮到管托的可變高度范圍通常在100mm至250mm之間[6]，把計算標高相差150mm范圍以內的柱頂取平，以管托調節管底標高。具體做法見表2。

由表2可以看出，將管廊頂層做成變標高的臺階式，配合管托調整高度，可以實現火炬管的坡度配管。

如果火炬管網內可能產生較多的液體，在保證主管坡度的同時，建議間隔一定距離設置火炬分液裝置，及時將管道內的液相分離出來。如果裝置內火炬支管低于全廠總管，需要上翻斜插入總管時，也應該設置類似的分液裝置；除非確定對應管網內不會產生液相，或者支管采取倒坡的方式，使液相流回裝置內的分液裝置。

表2 某大型化工企業全廠管廊的頂標高及管托高度

3 結語

作為化工和石化工廠的重要安全屏障，火炬系統的設計應安全可靠。隨著規范升級，企業規模的擴大，以及安全要求的提高，如何對火炬管系進行合理的配管成為工程設計和項目建設人員需要考慮的問題。本文結合規范要求和項目建設實例，探討了火炬管道的平面自然補償和金屬波紋膨脹節補償兩種形式的注意要點，同時介紹了以變標高的臺階式結構配合管托高度變化實現火炬管系坡度配管的方法，供工程設計的同行和化工、石化項目建設人員參考。