石油化工工藝裝置蒸汽管道配管設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

李禮(九江石化設(shè)計(jì)工程有限公司，江西 九江 332000)

0 引言

蒸汽管道屬于蒸汽運(yùn)輸設(shè)備，若想確保蒸汽的安全傳輸，便要保證蒸汽管道配管設(shè)計(jì)合理，除材料本身具備優(yōu)良的耐熱性能外，還需布局科學(xué)，能夠承受高壓蒸汽壓強(qiáng)及高溫帶來的形變，實(shí)現(xiàn)能源的高效運(yùn)用。為了保證后續(xù)提出的設(shè)計(jì)要點(diǎn)全面、準(zhǔn)確，故需要對(duì)石油化工工藝裝置的主要作用與特征進(jìn)行深入了解。

1 石油化工工藝裝置配管分析

石油化工工藝裝置作用是為原料的加工與生產(chǎn)提供場(chǎng)所，使原料能夠在裝置內(nèi)完成一系列化學(xué)反應(yīng)以及物理性質(zhì)的變化，促進(jìn)石油原料的提純處理，從而獲取相應(yīng)的產(chǎn)品，比如日常生活中常見的化工產(chǎn)品或者工業(yè)產(chǎn)品。

在石油化工生產(chǎn)時(shí)需要確保所有裝置配管布置合理，目前配管設(shè)計(jì)中可構(gòu)建3D模型發(fā)現(xiàn)管道設(shè)計(jì)過程中存在的不足之處，并及時(shí)調(diào)整，利用應(yīng)力核算軟件進(jìn)行高溫高壓管道的形變分析，以此保障配管的安全性和準(zhǔn)確性。

但隨著生產(chǎn)建設(shè)節(jié)奏的不斷加快，化工生產(chǎn)環(huán)節(jié)所出現(xiàn)的安全事故也愈發(fā)頻繁，為了避免此類事件反復(fù)發(fā)生，需要工作人員充分明確蒸汽管道配管設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)與要點(diǎn)，加強(qiáng)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)與技術(shù)水平提升，從而采取針對(duì)性的安全防護(hù)，保證生產(chǎn)有序進(jìn)行。

2 石油化工工藝裝置蒸汽管道配管設(shè)計(jì)要點(diǎn)

石油化工工藝裝置使用的蒸汽種類主要包括稀釋蒸汽、正壓蒸汽等工藝用蒸汽，此類蒸汽不僅可用于動(dòng)力輪機(jī)、再沸器、蒸汽分配站，還能用于消防與吹掃，能夠依照不同的操作壓力劃分為13.0 MPa、4.0 MPa、1.6 MPa、1.0 MPa以及0.4 MPa等蒸汽類型，操作溫度分布在200～500 ℃之間，管徑大小則分布在DN15～600 mm之間。

若想確保石油化工工藝裝置蒸汽管道配管設(shè)計(jì)科學(xué)、合理，便需要根據(jù)蒸汽類型以及適合管徑進(jìn)行全面考慮，為此本文將從以下4個(gè)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行深入分析[1]。

2.1 管廊管道

以石油化工行業(yè)使用頻率最高的乙烯裝置作為分析對(duì)象，在設(shè)計(jì)過程中需要確保1 000 kt/a的C2H4設(shè)備配有5條管廊，其中3條橫廊與2條縱廊都要設(shè)置4層管廊，并依照配管設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在1、2層管廊放置工藝物料管道，而在3層管廊則需設(shè)置公用管道，4層管廊則布置電氣槽板以及儀表電纜。同時(shí)要注意蒸汽管道本質(zhì)上屬于公用管道，因此需要設(shè)置在縱廊的第3層，并依照不同的蒸汽壓力等級(jí)采取適合的布置方法。

首先要將13.0 MPa、4.0 MPa、1.6 MPa、1.0 MPa 以及0.4 MPa 5種蒸汽類型管道靠近管廊一側(cè)，便于后續(xù)II形補(bǔ)償器的設(shè)置，由于管道本身溫度較高，因此在設(shè)置II形補(bǔ)償器時(shí)要確保設(shè)備具有良好的熱膨脹吸收效果，并禁止在蒸汽管道上使用波紋管完成熱膨脹的吸收，從而達(dá)到降低成本資金支出的目的。其次在II形補(bǔ)償器的實(shí)際布置方面，則要利用管道應(yīng)力分析進(jìn)行計(jì)算確定，比如13.0 MPa蒸汽管道需要每隔40 m設(shè)立一個(gè)熱膨脹吸收裝置，而4.0 MPa的蒸汽管道則要每隔60 m設(shè)置一個(gè)II形補(bǔ)償器，而1.6 MPa 或0.4 MPa的蒸汽管道則只需每隔100 m設(shè)置一個(gè)熱膨脹吸收裝置即可[2]。最后，II形裝置補(bǔ)償器在設(shè)置過程中需要依照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，盡可能采取集中設(shè)置(如圖1所示)的方法，將管徑粗大、溫度偏高的管道設(shè)置外側(cè)，滿足大補(bǔ)償量的需要。

圖1 II形補(bǔ)償器集中設(shè)置示意圖

在設(shè)置過程中要注意II形補(bǔ)償器需要設(shè)定在兩側(cè)固定點(diǎn)的中間區(qū)域，若無法固定在中間部分，也要盡可能保證與固定點(diǎn)的間隔距離不高于兩固定點(diǎn)間距的2/3，而II形補(bǔ)償器兩側(cè)還要設(shè)置導(dǎo)向架，在設(shè)置兩者之間的間隔距離時(shí)還要依照管道應(yīng)力進(jìn)行確定，根據(jù)實(shí)際調(diào)查顯示最佳的間隔距離應(yīng)為33～41 DN左右。此外II型補(bǔ)償器的固定點(diǎn)推力同樣要依照管道應(yīng)力計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行確定，在計(jì)算管道應(yīng)力與支架推力的過程中要注意蒸汽管道應(yīng)作為完整體進(jìn)行應(yīng)力測(cè)算，而不是依照固定點(diǎn)進(jìn)行管道劃分依照模塊計(jì)算。再次，對(duì)于本次研究對(duì)象的C2H4裝置還要設(shè)置多層管廊，其中蒸汽管道要設(shè)置在第三層管廊，而布置在下層的蒸汽管道則要保持在管廊外側(cè)，避免與液態(tài)烴管道間隔過小，將最小凈距控制在500 mm以下。蒸汽管道還可與N2、裝置空氣等工程管道一同分布在多層管廊上部。最后，要將電氣槽板、儀表電纜設(shè)置在蒸汽管道第四層，并確保與蒸汽管道的間隔距離高于200 mm或使用公用管道進(jìn)行分隔處理[3]。

2.2 排液設(shè)施

C2H4裝置傳輸?shù)恼羝ǔ檫^熱蒸汽，一般情況下此類管道無需配備排液裝置，但蒸汽管道在保溫、暖管過程中會(huì)產(chǎn)生大量凝液，因此需要在蒸汽管道低點(diǎn)區(qū)域，即II形補(bǔ)償器上升區(qū)域設(shè)置排液設(shè)施。但要注意由于蒸汽壓力等級(jí)存在一定的差異性，因此在設(shè)置方式上要根據(jù)蒸汽壓強(qiáng)大小進(jìn)行合理選取。

對(duì)于13 MPa蒸汽管道，由于在一般情況下不會(huì)出現(xiàn)凝液，也沒有與之規(guī)格相匹配的凝液管道，因此無需在管道低點(diǎn)布置疏水設(shè)施。并且13 MPa蒸汽管道的壓力相對(duì)較大，管壁厚度較高，難以保證高效開孔，因此也無需布置分液包。此外，此類管道在暖管過程中形成的凝液可利用管道低點(diǎn)的排液設(shè)施向外排出，并為其配備根部閥、切斷閥與排氣筒[4]。

對(duì)于4.0 MPa蒸汽、1.6 MPa蒸汽、1.0 MPa蒸汽以及0.4 MPa蒸汽管道來說，雖然在使用過程中產(chǎn)生的凝液量較少，但同樣會(huì)在暖管過程中出現(xiàn)大量凝液，因此需要設(shè)置與之壓力等級(jí)對(duì)應(yīng)的排液設(shè)施，使之與凝液管道有機(jī)協(xié)調(diào)，利用管道低點(diǎn)的疏水設(shè)施以及液包、根部閥、疏水閥組等配件促進(jìn)凝液的排出[5]。

除了上述提出的在管道低點(diǎn)位置以及切斷閥上層設(shè)置疏水設(shè)施與排液裝置，還需在減壓閥以及調(diào)節(jié)閥前段設(shè)置相應(yīng)設(shè)備，并根據(jù)不同壓力等級(jí)的蒸汽管道合理選擇排水管管徑，具體內(nèi)容如表1所示。

表1 不同直徑、不同壓力等級(jí)蒸汽管道分液包以及 排水管管徑選擇

2.3 蒸汽支管

蒸汽支管應(yīng)當(dāng)接在主管頂部，需要根據(jù)工藝裝置安裝要求在支管上安裝切斷閥，并盡可能靠近主管水平管區(qū)域，保證設(shè)置方式簡(jiǎn)單、快捷。在安裝過程中要注意蒸汽支管不可直接從對(duì)用汽要求十分嚴(yán)格的蒸汽管道上接出，比如消防或滅火用的蒸汽支管都不可從再沸器等蒸汽管道上進(jìn)行牽引操作。而在II形補(bǔ)償器上同樣不可進(jìn)行支管接出，只可在補(bǔ)償器兩側(cè)引出支管，并注意避免對(duì)主管位移造成妨礙。如果出現(xiàn)主管膨脹導(dǎo)致支管引出點(diǎn)出現(xiàn)位移偏差，則不應(yīng)采取承受應(yīng)力較大的支管。

通常來說，蒸汽支管中接出的管道應(yīng)當(dāng)以二閥組作為主要引出設(shè)備，而在直管引出至蒸汽管的過程中，則需在兩切斷閥之間設(shè)置檢查閥，用以檢測(cè)管道是否存在泄漏問題，進(jìn)一步保證蒸汽運(yùn)輸安全，消除潛在的風(fēng)險(xiǎn)隱患。同時(shí)蒸汽支管底層需要布置排液設(shè)施，具體設(shè)置要求可參照上述排液設(shè)施的布置方法。蒸汽支管的常用排液設(shè)施設(shè)置位置可分為以下幾種：蒸汽分配管以及擴(kuò)容器的底部；減壓閥前端；調(diào)節(jié)閥上層；蒸汽支管最低點(diǎn)；處在加熱狀態(tài)設(shè)備在進(jìn)氣管切斷閥的最低點(diǎn)；蒸汽泵蒸汽進(jìn)氣管的入口切斷閥最低點(diǎn)。

2.4 蒸汽凝液管道

凝液管道通常與蒸汽管道一同布置在管廊上，在凝液管道設(shè)置II形補(bǔ)償器的過程中，為了更好地避免水錘現(xiàn)象的產(chǎn)生，可將補(bǔ)償器安裝方向設(shè)置為水平，或者將立管作為傾斜段補(bǔ)償器。

同時(shí)要注意從不同壓力等級(jí)蒸汽疏水閥流出的凝液應(yīng)當(dāng)接至相應(yīng)的回收總管當(dāng)中，且公稱直徑高于50 mm的支管需要順應(yīng)介質(zhì)流動(dòng)的方向斜接在凝液回收總管上。如果支管的公稱直徑低于50 mm則可直接垂直接在凝液回收管頂部[6]。

此外，要注意在使用凝液回收系統(tǒng)時(shí)，疏水閥應(yīng)當(dāng)采用法蘭進(jìn)行連接，確保入口管帶不會(huì)產(chǎn)生袋形，而在凝液回收總管高于疏水閥時(shí)應(yīng)當(dāng)設(shè)置止回閥，盡可能貼近凝液主管，并充分考慮止回閥的拆卸需要。

3 優(yōu)化石油化工工藝裝置管道配管設(shè)計(jì)的相關(guān)方法

一是要確保設(shè)計(jì)方案科學(xué)、合理，能夠滿足相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，確保管道各項(xiàng)參數(shù)處在安全數(shù)值范圍內(nèi)，要求設(shè)計(jì)人員做好蒸汽支管與管道的連接工作，保證化工裝置的完整性，以此達(dá)到促進(jìn)生產(chǎn)效率提升，強(qiáng)化蒸汽傳輸穩(wěn)定性的目的。同時(shí)工作人員要加強(qiáng)信息技術(shù)的應(yīng)用力度，比如人工智能模糊邏輯能夠建立在多值邏輯基礎(chǔ)上，借助模糊集合的方法實(shí)現(xiàn)模糊性思維、語言與規(guī)律的研究，模糊邏輯可以模仿人腦的不確定性推理與概念判斷，對(duì)于不能確定的描述以及模糊規(guī)則都能保持極高的推理效率，準(zhǔn)確表達(dá)過渡性界限知識(shí)，借助隸屬度函數(shù)區(qū)分模糊關(guān)系，解決“排中律”的不確定問題。幫助技術(shù)人員更好地分析安裝過程中可能出現(xiàn)的連接問題，確保主汽閥正確安裝在支管上。

二是要引入檢測(cè)設(shè)計(jì)，要求技術(shù)人員做好日常的配管檢測(cè)工作，及時(shí)記錄相關(guān)信息數(shù)據(jù)，并針對(duì)可能出現(xiàn)的故障問題采取切實(shí)有效的優(yōu)化對(duì)策，避免后續(xù)維修工作造成大量經(jīng)濟(jì)支出，切實(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保、綠色的發(fā)展目標(biāo)。一方面工作人員要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣體流通量，準(zhǔn)確把控管壁溫度，針對(duì)高溫區(qū)域做好管道強(qiáng)化處理，若條件允許，可進(jìn)行材料更換。另一方面要針對(duì)管道直徑以及管壁厚度采取相應(yīng)調(diào)節(jié)對(duì)策，開展管材分配工作，使用耐腐蝕性強(qiáng)、氣密性優(yōu)良的材料進(jìn)行氣流流通相對(duì)頻繁區(qū)域的作業(yè)。

4 結(jié)語

綜上所述，通過對(duì)石油化工工藝裝置蒸汽管道的實(shí)際作用進(jìn)行分析討論，提出石油化工工藝裝置蒸汽管道配管設(shè)計(jì)要點(diǎn)，以此保證管道內(nèi)氣液相流，減少成本支出，確保管道應(yīng)力滿足應(yīng)用需要，管架設(shè)計(jì)科學(xué)、合理，使裝置能夠穩(wěn)定運(yùn)行。