油氣化工碼頭工藝管道設(shè)計(jì)相關(guān)問(wèn)題研究

唐一夫，趙家旺

（1.中交水運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100007；2.中交三航局第二工程有限公司，上海 200122）

工藝管道設(shè)計(jì)是油氣化工碼頭裝卸工藝設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)。本文從管徑選取、壁厚計(jì)算、管材確定、水力計(jì)算、絕熱維溫等方面對(duì)油氣化工碼頭工藝管道設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究總結(jié)，以供后續(xù)工程參考。

1 工藝管道設(shè)計(jì)條件確定及管徑計(jì)算

1.1 工藝管道設(shè)計(jì)條件確定

工藝管道設(shè)計(jì)條件主要包括輸送介質(zhì)、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)流量四個(gè)要素。主要由輸送介質(zhì)的理化性質(zhì)和運(yùn)輸條件決定。在缺乏資料時(shí)可通過(guò)參考文獻(xiàn)[1]查詢(xún)得到擬輸送介質(zhì)的理化性質(zhì)。

對(duì)于設(shè)計(jì)壓力及設(shè)計(jì)溫度的確定，應(yīng)執(zhí)行《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范（2008 年版）》（GB 50316-2000）3.1.2、3.1.3 規(guī)定。在前期階段，在缺乏明確的設(shè)計(jì)條件輸入的情況下，管道的設(shè)計(jì)壓力可進(jìn)行如下估取。

（1）管道的設(shè)計(jì)壓力可取為1.1 倍工作壓力。卸船時(shí)，管道的工作壓力由船舶船泵的揚(yáng)程決定，30 萬(wàn)噸級(jí)油船卸船泵揚(yáng)程可取為150m，10 萬(wàn)～15 萬(wàn)噸級(jí)油船可取為120m，8 萬(wàn)～5 萬(wàn)噸級(jí)油船可取為120～100m，3 萬(wàn)噸級(jí)及以下為80m～60m，化工品卸船泵揚(yáng)程一般為60m。

（2）裝卸全壓力式液化氣船可按如下規(guī)律估取管道設(shè)計(jì)壓力[2]。LPG 管道設(shè)計(jì)壓力可取為1.8MPa，丙烯管道設(shè)計(jì)壓力可取2.8MPa，丙烷管道設(shè)計(jì)壓力可取2.2MPa，丁烷管道設(shè)計(jì)壓力可取1.6MPa。

（3）全制冷式LPG 船舶卸船泵揚(yáng)程的配置與油輪相似，出口壓力為0.6～1.2MPa，氣態(tài)LPG 壓縮機(jī)出口壓力為0.03～0.06MPa。

工藝管道的設(shè)計(jì)流量由碼頭設(shè)計(jì)通過(guò)能力決定，可參考《海港總體設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTS 165-2013）表7.10.8-1取值。

1.2 管徑計(jì)算

計(jì)算管道管徑的關(guān)鍵在于合理估取輸送介質(zhì)的設(shè)計(jì)流速。規(guī)范要求油品不應(yīng)大于4.5m/s，液化烴（液相）不應(yīng)大于3m/s[3]，在此基礎(chǔ)上應(yīng)結(jié)合介質(zhì)粘度、輸送距離、儲(chǔ)罐高程確定較為經(jīng)濟(jì)的流速。參考文獻(xiàn)[4]附錄A 和參考文獻(xiàn)[5]表3.11.5-2、3 中對(duì)此有一些參考建議，可供選用。在確定設(shè)計(jì)流速的基礎(chǔ)上，可利用參考文獻(xiàn)[5]式3.11.5-1 計(jì)算得管道內(nèi)徑。

2 工藝管道管材確定及壁厚計(jì)算

2.1 工藝管道材質(zhì)確定

凡DN500 及以下的輸送油品、芳烴熔劑、液化氣、蒸氣等的管道宜選用無(wú)縫鋼管，材質(zhì)可為20 號(hào)碳素結(jié)構(gòu)鋼或合金鋼。DN＞500 者可選用焊接鋼管。參考工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)常見(jiàn)油品、液化烴及液體化工品的操作溫度、設(shè)計(jì)溫度及管材總結(jié)如表1 所示。其中對(duì)于油品的具體操作溫度，通常為介質(zhì)凝點(diǎn)以上10℃～30℃，凝點(diǎn)高粘度大的油品取大值，反之則取小值。

表1 常見(jiàn)油氣化工品管材表

2.2 工藝管道壁厚計(jì)算

管道壁厚計(jì)算根據(jù)《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第三部分：設(shè)計(jì)和計(jì)算》（GB/T 20801.3-2006）6.1 計(jì)算取值。其中，參數(shù)P、D 由前序設(shè)計(jì)確定；參數(shù)S、Φ、Y 分別從GB/T 20801.2-2006 表A.1、表A.3 及GB/T 20801.3-2006 第6.1 查??；參數(shù)C1 根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]9.1.3取為Max{0.2t，0.5mm}；參數(shù)C2一般油品、油氣取1.5mm，酸（酸性溶液）、堿液及含硫污水取3mm；參數(shù)C3 可取為0.5mm。

計(jì)算得到的管徑、壁厚均宜按照《石油化工鋼管尺寸系列》（SH/T 3405-2017）所給出的鋼管尺寸系列取值。

3 工藝管道水力計(jì)算

管道的水力計(jì)算主要計(jì)算其壓力降，并與允許的壓力降進(jìn)行比較。若管徑壓力降過(guò)大，則應(yīng)加大管徑，以防船泵揚(yáng)程不夠或裝船泵能耗過(guò)大。

管道的壓力降為直管摩擦壓力降（又名沿程摩擦阻力）和附件的局部壓力降之和。

對(duì)于直管摩擦壓力降，參考文獻(xiàn)[4]6.2.3、6.2.4 給出了基于達(dá)西公式的計(jì)算方法，該方法準(zhǔn)確度高，但計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜。參考文獻(xiàn)[7]給出了經(jīng)重新整理后的列賓宗公式對(duì)沿程摩擦阻力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算更加簡(jiǎn)單方便。通過(guò)列賓宗公式可以看出，沿程摩擦阻力隨著流量、粘度、管道長(zhǎng)度的增大及管徑的減小而增大。且隨著雷諾數(shù)的增大，流量和管徑對(duì)摩阻的影響越大，粘度對(duì)摩阻的影響則越小。一般，當(dāng)用小管徑管道輸送低粘度介質(zhì)時(shí)流態(tài)可能進(jìn)入混合摩擦區(qū)，輸送介質(zhì)粘度及管徑較大時(shí)流態(tài)多在水力光滑區(qū)或?qū)恿鲄^(qū)[7]。

對(duì)于管道附件的局部壓力降，參考文獻(xiàn)[4]6.2.5～6.2.8 條給出了較為清晰全面的介紹。在前期階段，管道附件的局部壓力降可根據(jù)管道長(zhǎng)度暫按直管摩擦阻力降的0.1～0.3 倍估??；管道短時(shí)取大值，管道長(zhǎng)時(shí)取小值。

4 工藝管道絕熱設(shè)計(jì)

對(duì)于全冷或半冷式輸送的液化烴，需要對(duì)管道進(jìn)行保冷設(shè)計(jì)，主要工作為確定保冷層材質(zhì)并計(jì)算厚度。保冷層的厚度有三種計(jì)算方法，分別是保冷層經(jīng)濟(jì)厚度、防止表面凝露的保冷厚度和控制最大允許冷損失量的保冷厚度。通常，用控制最大允許冷損失量的方法計(jì)算得到的厚度最大，因此推薦優(yōu)先采用控制冷損失量的方法計(jì)算，然后用經(jīng)濟(jì)厚度方法進(jìn)行調(diào)整，最后用防凝露方法進(jìn)行校核[8]。在前期設(shè)計(jì)階段，當(dāng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料不全面時(shí)可暫只按控制冷損失量的計(jì)算方法確定保冷層厚度。通常改性聚氨酯硬質(zhì)泡沫和聚異氰脲酸酯（PIR）是液化烴管道中較為常用的保冷材料。為保護(hù)管道，在保冷層外還需設(shè)置防潮層和保護(hù)層，防潮層可參照參考文獻(xiàn)[5]表3.11.5-12 設(shè)置。

對(duì)于輸送凝點(diǎn)較高的油品及液體化工品的管道，當(dāng)符合參考文獻(xiàn)[9]3.0.1 所列情況時(shí)，需要進(jìn)行保溫設(shè)計(jì)，主要工作為確定保溫層材質(zhì)并計(jì)算厚度。類(lèi)似于上述的保冷計(jì)算，保溫層的厚度也有三種計(jì)算方法，分別是經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算方法、最大允許熱損失量的計(jì)算方法以及控制表面溫度計(jì)算方法。通常應(yīng)采用經(jīng)濟(jì)厚度法計(jì)算，并校核該厚度下的熱損失量和保溫結(jié)構(gòu)外表面溫度是否符合要求。因經(jīng)濟(jì)厚度計(jì)算方法所需資料較多，在前期設(shè)計(jì)階段，當(dāng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料不全面時(shí)可暫只計(jì)算最大允許熱損失量和控制表面溫度的兩種方法并取其結(jié)果較大者。

對(duì)于管道絕熱設(shè)計(jì)，參考文獻(xiàn)[9]給出了清晰全面的關(guān)于計(jì)算方法和參數(shù)取值的講解，本文不再贅述。

5 工藝管道伴熱維溫設(shè)計(jì)

管道常用的伴熱維溫類(lèi)型有熱水伴熱、蒸汽伴熱、電伴熱、熱油伴熱等。其中電伴熱是現(xiàn)在最常用的管道伴熱方式。一般情況下，距離短、伴熱溫度不高的管道多采用自限溫（變功率）電伴熱帶，伴熱距離長(zhǎng)或伴熱溫度高的管道多采用集膚效應(yīng)電伴熱帶[10]。如果需要精確維持管壁溫度或加熱體內(nèi)的介質(zhì)溫度，需配置溫度控制系統(tǒng)。

管道伴熱設(shè)計(jì)主要需要確定的參數(shù)為電伴熱帶的使用功率和所需長(zhǎng)度。具體計(jì)算方法和要點(diǎn)《管道和設(shè)備保溫、防結(jié)露及電伴熱》（16S401）有詳細(xì)計(jì)算，本文不再贅述。

6 工程案例

黃驊港綜合港區(qū)船舶燃料油碼頭工程擬建設(shè)1 個(gè)5000 噸級(jí)燃料油泊位，碼頭總長(zhǎng)度198m，主要用于180#及120#船用燃料油及船用重質(zhì)柴油的裝船作業(yè)，年吞吐量為75 萬(wàn)t/年。船用燃料油凝點(diǎn)不大于27°，粘度120cst～180cst；船用重質(zhì)柴油凝點(diǎn)不大于10°，粘度8cst。

本工程罐區(qū)與碼頭緊鄰，碼頭引橋標(biāo)高為6.0m（高程基準(zhǔn)為黃驊港理論最低潮面，下同），罐區(qū)場(chǎng)地豎向設(shè)計(jì)標(biāo)高為5.30m～5.45m，設(shè)計(jì)高低水位為4.05m/0.62m。罐區(qū)產(chǎn)品經(jīng)計(jì)算，共設(shè)置3 根DN250、Sch20 工藝管線分別用于180#、120#船用燃料油及船用重質(zhì)柴油輸送。設(shè)計(jì)流量均為500m3/h，設(shè)計(jì)壓力均為1.2Mpa，設(shè)計(jì)溫度為50℃、50℃、40℃。管材均為20#無(wú)縫鋼管。180#燃料油和120#燃料油的伴熱溫度為45℃，采用35W 自調(diào)控電伴熱帶，保溫材料為60mm 硅酸鹽管殼，保護(hù)層為彩鋼板。船用重質(zhì)柴油伴熱溫度為35℃，采用30W 自調(diào)控電伴熱帶，保溫材料為50mm 硅酸鹽管殼，保護(hù)層為彩鋼板。