石油化工工艺装置蒸汽管道配管的设计

1 引言

石油化工工艺装置以石油为原材料，通过一系列化学反应，制成化工产品。蒸汽管道是石油化工装置中的重要公用工程管道，包括蒸汽管道和蒸汽凝液管道等。由于蒸汽管道具有高温和气液两相流等特点，因此，在对其进行配管设计时，不但要考虑经济合理性与整齐美观性，而且还要满足蒸汽管道的应力计算要求与蒸汽管架的设计要求。只有充分考虑到这些因素，才能保证蒸汽管道既经济实用、又安全可靠。

2 管廊上蒸汽管道的设计

蒸汽管道分为四种形式，分别是0.4MPa的低低压蒸汽管道、1.6MPa的低压蒸汽管道、4MPa的中压蒸汽管道和13MPa的高压蒸汽管道。根据目前我国的管廊配管设计规定，管廊的一层和二层要布置工艺物料的管道，三层布置公用工程管道，四层则要布置火炬管道以及电气和仪表电缆槽板。石油化工工艺装置中的蒸汽管道是公用工程管道，一般要设置在管廊的第三层。针对不同压力等级的蒸汽管道，也应采取不同的蒸汽管道布置方式。一般需要注意以下几点：

第一，蒸汽管道最好布置在管廊一侧，方便集中设置“π”形补偿器，如图2-1所示。由于蒸汽管道属于高温型管道，因此需要设置“π”形补偿器用于热膨胀补偿。需特别注意的是，波纹管膨胀节价格高昂又不经久耐用，因此蒸汽管道上禁止用波纹管膨胀节来吸收管道的热膨胀。通常，管廊上蒸汽管道的“π”形补偿器位置设计考虑如下：高压蒸汽（13MPa）管道应该每隔约50m设置一个；中压蒸汽（4.0MPa）管道应该每隔约80m设置一个；低压蒸汽（1.6MPa）或者低低压蒸汽（0.4MPa）管道应该每隔约100m设置一个^[1]。当然，具体项目的用汽量不同，导致蒸汽管道管径有所变化，最终根据应力计算才能准确确定，以上数据可以作为初期布置的参考。“π”形补偿器应该尽量统一和集中设置安排，管径较大、温度较高需要较大补偿量的管道宜设置在外，而管径较小、温度相对而言较低的管道则设置在内。

图2-1 “π”形补偿器的设置

在两固定点的中部设置“π”形补偿器是最佳的，如果不能满足此条件，它与固定点的间距应该尽可能的小，一般不能超过两个固定点间距的三分之一；另外，应该在“π”形补偿器的两边设置与“π”形补偿器的距离相适应的管道应力导向架。补偿器固定点的推力也应该根据管道应力的计算结果决定。在计算蒸汽管道支架的推力和应力时，蒸汽管道不应该将固定点分成几个管系进行应力计算，而是作为一个统一的、完整的管系进行应力计算。

第二，在需要装设多层管廊时，蒸汽管道应当设置在上层，比如第三层，如图2-2所示。若蒸汽管道只能布置在下层时，就要设置在管廊的外侧，需要注意的不能与液态烃管道、低温管道等相邻，保温后的最小距离也应保持在500mm以上，或者将其隔开^[2]。当蒸汽管道与公用工程管道必须布置在同一层时，保温后的最小距离不但要满足大于500mm的要求，同时还要考虑到蒸汽管道横向热位移的作用。电气和仪表电缆槽板可以布置在蒸汽管道的同层或上层（比如第四层）。若选择同层布置，则保温后的最小距离应当大于200mm，或用公用工程管道将其隔开；若选择布置在蒸汽管道上层，则保温后的最小距离应大于500mm。

图2-2 蒸汽管道的布置

3 蒸汽管道排液设施的设计

一般而言，石油化工装置蒸汽管道中除了高温蒸汽外不会产生液体，但蒸汽管道在开车或暖管阶段会产生大量凝液，所以在管廊上蒸汽管道的低点应设置排液装置。蒸汽凝液在管道内流动过程中，由于压力降低，会再次产生蒸汽，形成汽液混流，如果排液设施没有及时排液，有可能会导致管道裂缝^[3]，因此蒸汽管道内的排液设计十分重要。

不同压力等级的蒸汽管道，在低点排液设施的设置上有许多差异。高压蒸汽管道在正常生产时不会产生凝液，实际中也没有相应规格的凝液管道，因此管道低点不设排液装置，对于开车或暖管阶段所产生的凝液，可以通过管道低点的排液设施排出。其低漏设施和低点排水设施主要包括刚阀（其位置靠近主管并能够操作的地方）、开闭阀（其在地面上的位置靠近排气缸）以及排气管。

图3-1 蒸汽管道的排液

中压蒸汽（4.0MPa）、低压蒸汽（1.6MPa）以及低低压蒸汽（0.4MPa）管道在正常情况下很少产生凝液，但是与高压蒸汽管道不同的是，它们将产生特定的驱动或加热管阶段缩合物，由于相应的压力水平和冷凝液管线在同一时间的功能相同，所以它们的管道低点往往设置疏水性的设施。而疏水设施又是由分液包、设置在分液包下并且可以操作到的位置的放净阀、设置在靠近分液包且能够操作到的位置的根部阀和包括了检查阀、后切断阀、排污阀、前切断阀、疏水阀等阀的疏水阀组以及止回阀组成。此外，各种蒸汽管的排水规格、标签规格都与高压蒸汽管道的排水管不同，而且其管道直径应该是稍微小一些的，一般情况下是小于150mm。

除管廊上蒸汽管道低点应设置排液装置或经常疏水设施外，蒸汽主管进入装置界区的切断阀上游以及主管末端、蒸汽管道减压阀和调节阀前也应设排液设施或经常疏水设施。设置分液包的间隔是：

（1）在装置的内部，保证饱和蒸汽为80m以及过热蒸汽为160m；

（2）在装置的外部，顺坡的情况下为300m，逆坡的情况下为200m。

4 蒸汽支管的设计

蒸汽支管应从主管的顶部接出，若要求在支管上设置切断阀，则其应设置在靠近主管的水平管段上，同时应考虑操作的方便性。蒸汽支管绝对不能从具有灭火、消防以及吹扫等用途的蒸汽管道中接出，蒸汽管道的再沸器、“π”形补偿器上也不得引出蒸汽支管。在支管从靠近“π”形补偿器两侧的直管上引出时，主管的位移不应当受到支管的妨碍。同时需要注意避免支管承受过大应力，或因为主管热胀而产生的支管引出点产生位移^[4]。

从蒸汽主管上引出的蒸汽支管应采用二阀组或三阀组，以便随时发现是否有泄漏问题。一般而言，蒸汽支管的低点应设置排液设施或经常疏水设施，主要设置在以下位置：（1）蒸汽支管的最低点；（2）蒸汽支管减压阀和调节阀之前；（3）蒸汽分水器以及蒸汽加热设备的最低点；（4）经常处于热备用状态的设备进汽管切断阀之前的最低点；（5）蒸汽透平机、蒸汽泵以及换热器的蒸汽进汽管入口切断阀前的最低点。

5 蒸汽凝液管道的设计

一般情况下，管廊上的蒸汽凝液管道会与蒸汽管道布置在同一层。当蒸汽凝液管道上设置“π”形补偿器时，为了防止水锤的影响，可将其设计成水平方向上的“π”形补偿器，或者将立管设计成倾斜段的“π”形补偿器。在对蒸汽凝液管进行设计时，从不同压力的蒸汽疏水阀流出的凝液应分别接到各自的凝液回收管中，千万不能出错。对于那些直径大于或等于50mm的支管，应当顺着介质流向的45度角斜接在蒸汽凝液回收总管的顶部；对于那些直径50mm以下的支管可90度直接接在蒸汽凝液回收总管的顶部。

宜选用法兰连接设置凝液回收系统用的疏水阀，应注意疏水阀入口管道不能有袋形。在凝液回收总管高于疏水阀的时候，除了热动力式疏水阀之外，最好在疏水阀后采取止回阀设置。并且止回阀宜设置在靠近凝液主管的水平管道之上。考虑管道吹扫拆卸止回阀需要，适宜选用法兰连接的止回阀设备。

6 蒸汽管道设计时应该注意的要点

管道的直径需要合理的选择。优先选择的直径要满足上述的蒸汽管的需求。当直径过大时，会增加资金的投入量，增加热量的损失，同时也增加了冷凝水。当直径过小，会导致蒸汽流速偏大，从而增加了蒸汽压降，最终供汽端压力不足。最后，当发生水锤和侵蚀时，要选择安装管的直径不能过大或过小。根据应力要求安排管道，必须满足应力计算的严格要求。“π”形管补偿器的设定和推力补偿器的固定点应符合要求，将设备连接到蒸汽管道集箱，这样的操作可以提高设计工作的效率，避免水锤现象。安装装置或阀门时，管道会产生一定的振动和噪声，这就是所谓的水锤。为了避免水锤现象要注意管道疏水性的系统设置。此外，连接分支管要采用主通道的顶部蒸汽。管道不能使用太多的支管，避免发生部分管道下沉。

7 结论

石化工艺的蒸汽管道，是重要的公用工程管道，且随着规模的不断扩大，蒸汽管道的管径变大，不仅管廊相邻两层的高差比以前要高（甚至高达3m以上），管道的选择有时也超出了常规选用的典型管道。这对应力计算带来新的挑战，需要更新数据库。蒸汽管道和蒸汽冷凝液管道具有较高的温度和气液流动特性，因此在石油化工工艺装置中的安排不仅要考虑经济和整洁的外观，同时也要满足蒸汽管道的应力计算要求。只有充分考虑到这些因素，才能确保蒸汽管道设计满足工艺生产的要求。

参考文献

[1]刘尧祥. 探究石油化工工艺装置蒸汽管道配管的设计[J]. 中国石油和化工标准与质量，（5）：63-64.

[2]梁颖，张冰. 石油化工工艺装置蒸汽管道配管设计研究[J]. 中国石油和化工标准与质量，（4）：66.

[3]胡叶叶. 刍议石油化工工艺装置蒸汽管道配管设计要点[J]. 质量与安全，2016，（8）：217.

[4]宫雪，张冰. 石油化工工艺装置蒸汽管道配管设计研究[J]. 工业技术，2016，（7）：78-79.