化工管道的設(shè)計(jì)研究

孟 杰

（山東科達(dá)化工工程有限公司，山東濰坊 261041）

1 化工管道的設(shè)計(jì)

1.1 管道參數(shù)設(shè)計(jì)

化工行業(yè)在物料的運(yùn)輸方面，管道作為重要的載體，要用各種類型的管道，并且對于管道的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)有著嚴(yán)格的把關(guān)。為了保證管道使用中產(chǎn)生中的各種危險(xiǎn)因素不會發(fā)生，保證管道的穩(wěn)定運(yùn)行，要在設(shè)計(jì)中要進(jìn)行多方面的考慮。首先要考慮管道的受壓極限和可承受的溫度范圍來選擇合適管道材料。其次要嚴(yán)格地把控管道設(shè)計(jì)系數(shù)，如直徑、內(nèi)徑、機(jī)械強(qiáng)度等，將其各項(xiàng)示數(shù)控制到可控范圍內(nèi)，以保障工人們安全的工作環(huán)境以及化工生產(chǎn)的需要。如果選擇的材料不適合當(dāng)前化工要求或者管道設(shè)計(jì)系數(shù)并不適合，這將會在化工生產(chǎn)過程中管材運(yùn)輸和管道運(yùn)輸引起的化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)，管道破裂，化工生產(chǎn)不能正常進(jìn)行，給化工企業(yè)帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2 管道的和配件的選用

管道設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜的工作，首先要對工廠廠房進(jìn)行分析，還要考慮各方因素的影響，參考相關(guān)工業(yè)的管道設(shè)計(jì)，并且對一些不可控的因素進(jìn)行分析評價(jià)。在選擇配件方面，要選擇與管道材料適配的元件，要先對其進(jìn)行實(shí)際工業(yè)流程的實(shí)驗(yàn)分析，堅(jiān)決杜絕使用一些劣質(zhì)材料，如果選用了此類材料，將在未來的化工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生不可逆的危害?，F(xiàn)如今管道種類很多，如碳鋼20、銘鉬鋼15CrMoG、不銹鋼304SS等，要選用高質(zhì)量的管道，有利于行業(yè)的穩(wěn)定生產(chǎn)。

1.3 管道和元件的組裝

化工管道的安裝是由化工管道貫穿各類零件及設(shè)備完成的化工工藝設(shè)計(jì)，焊接在管道安裝方面有著重要的作用。在管道安裝過程中，對焊接技術(shù)的要求很高。前提必須符合本工藝的要求，要規(guī)劃和管道的設(shè)計(jì)路線，在保障完整工作的前提下，盡量地設(shè)計(jì)美觀，這需要事先設(shè)計(jì)好管道的走線以及與設(shè)備的連接，一步步優(yōu)化化工管道安裝的方案。并且還需要做好各個(gè)方面的協(xié)調(diào)工作，及時(shí)解決安裝中出現(xiàn)的問題。

1.3.1 閥門的安裝

閥門與管路或設(shè)備之間連接方式的正確選擇會直接影響到管道與閥口之間是否會產(chǎn)生氣泡等現(xiàn)象，現(xiàn)如今比較常見的管道與閥門的連接方式主要有：法蘭連接、螺紋連接、卡套連接等。其中法蘭連接方式容易日后更換被廣泛使用，其主要是由管體連接的閥體兩端帶有法蘭，并且與管道上的法蘭相互對應(yīng)，連接后再通過螺栓固定法蘭使閥體安裝到管道中。要注意在安裝時(shí)使用金屬纏繞墊片，保障管體與閥門之間的氣密性以及減輕在物料運(yùn)輸過程中的震動，減緩震動的能量，使螺栓不易脫落。在正常情況下，此類的閥門應(yīng)安裝顯眼的位置，以便發(fā)生事故后可以及時(shí)阻斷物料的輸送。

1.3.2 泵的安裝

對于管道與泵的安裝，要從工藝本身要達(dá)到的要求入手，首先要求安裝高度應(yīng)小于允許吸上真空高度減去進(jìn)水管路損失。并在連接管道泵后，其出水口法蘭處應(yīng)裝上壓力示數(shù)表，以便觀察和控制泵的運(yùn)行工況。在設(shè)計(jì)過程中值得注意的是管道的重量不應(yīng)該作用到泵體表面。根據(jù)安裝情況，將泵體安裝在通風(fēng)的地方，室外安裝應(yīng)加防護(hù)罩，避免太陽曝曬及雨淋。在符合上述管道安裝要求后，在安裝前還要仔細(xì)查看管道有無變性和損壞，檢查泵體管道銜接處有無異物堵塞，以免水泵運(yùn)行時(shí)損壞葉輪和泵體。有時(shí)因?yàn)楸皿w產(chǎn)生壓力來輸送物料，泵體本身的震動會影響與管道的銜接。因此要安裝減震器，在安裝時(shí)使減振器能本體水平，并能使同一機(jī)組的各減振器保持在同一標(biāo)高位置。這樣可以防止泵體的水平移動。

1.3.3 壓縮機(jī)的安裝

壓縮機(jī)的安裝需要先將壓縮機(jī)的吸氣管道設(shè)置在室外，在陰冷處放置。因?yàn)楣艿涝O(shè)置在室外，為了減少氣體的流動一般設(shè)置管壁厚度不宜小于3mm，并且再穿墻處應(yīng)置于防震擋套管內(nèi)。之后壓縮機(jī)的吸氣管道要安裝一個(gè)高效過濾器，使其緊靠主機(jī)，如果同時(shí)安裝消音器，避免設(shè)備運(yùn)作時(shí)脈沖產(chǎn)生影響，應(yīng)該把消音器安裝到過濾器之后。并且設(shè)置的管道的直徑要足夠大，路線緊湊，這樣可以減少管道中的凝液析出和壓力損失，選取的管道要能承受設(shè)備運(yùn)作時(shí)的震動。對于壓縮機(jī)的排氣口到冷卻器的管道要盡量縮短距離，再設(shè)置一個(gè)熱補(bǔ)償裝置，并且可以方便日后進(jìn)行清理此處管道。

2 化工管道影響的分析

2.1 管道穩(wěn)定性分析

化工領(lǐng)域中輸送流體的管道，常常因含氣流體的管道輸送伴隨著管道的振動作用，在某些情況下會導(dǎo)致管道的快速破壞。氣體沿管道長度的積累和不均勻分布導(dǎo)致脈動振動，并導(dǎo)致流體重心沿管道橫截面發(fā)生位移，從而使管道承受額外的動載荷，減少管道的使用壽命。面對輸送長距離的物料時(shí)，因管身過長導(dǎo)致管道的懸置，導(dǎo)致管道的彎曲應(yīng)力增大，這也使得管道的焊縫處也會產(chǎn)生向下彎曲引起的彎曲應(yīng)力，從而導(dǎo)致軸向應(yīng)力使焊接處發(fā)生形變。因此為管道的焊接接頭強(qiáng)度失效或管道自身過重使得管體破裂，可以在管體外部設(shè)置保護(hù)支架，使得管道受到的應(yīng)力減小，延長管體的使用壽命。

2.2 管道熱力學(xué)分析

關(guān)于化工領(lǐng)域中輸送流體的管道，有些管道需要鋪設(shè)在地下，對于供熱管網(wǎng)系統(tǒng)，地上管道的運(yùn)行很容易監(jiān)測，但長期暴露在地下對管道的熱損失有很大影響，與小口徑管網(wǎng)系統(tǒng)相比，大口徑管網(wǎng)系統(tǒng)會放大更多的安全隱患。對于埋地采暖管道系統(tǒng)，高溫高壓的隨著管網(wǎng)口徑的增加，在管網(wǎng)中流動的介質(zhì)，百萬噸熱水產(chǎn)生的應(yīng)力對管道的影響不容忽視，流動特性被放大，溫度邊界層和速度邊界層對流動和傳熱的影響也被放大。不同位置之間的溫差會造成很大的熱應(yīng)力。隨著時(shí)間的推移管道將會發(fā)生永久形變。其主要原因是埋設(shè)條件下管道的變形主要受流動介質(zhì)溫度的影響。隨著壓力的增加，壓力載荷的影響逐漸趨近于溫度載荷的影響，直到一定的壓力條件下，溫度和壓力載荷的影響基本相同。之后，壓力載荷主導(dǎo)了變形。

2.3 管道斷裂問題

材料會因工作的不同改變其結(jié)構(gòu)和性能，需要將材料數(shù)據(jù)與實(shí)際材料狀態(tài)聯(lián)系起來進(jìn)行分析研究?；す艿赖倪\(yùn)行條件比較復(fù)雜，對它們來說更重要的是機(jī)械和熱負(fù)荷的變化以及惡劣環(huán)境的影響。在熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷下，材料特性也會發(fā)生變化。在化工領(lǐng)域中，管道斷裂現(xiàn)象也常常來源于長期運(yùn)行導(dǎo)致，主要輸氣管道金屬的物理力學(xué)性能下降。這主要與工藝應(yīng)力影響、土壤沉降、暴露于腐蝕環(huán)境、氫脆等作用下結(jié)構(gòu)狀態(tài)發(fā)生變化有關(guān)。運(yùn)行因素的影響導(dǎo)致管道材料力學(xué)性能下降。并在不超過最大允許設(shè)計(jì)值的載荷值下增加它們的斷裂概率。

2.4 管道的焊接受力分析

焊接管道通常用于各種工程應(yīng)用，在化工領(lǐng)域中，在焊接過程中的縱向和橫向殘余應(yīng)力對結(jié)構(gòu)耐久性都有顯著影響。焊接殘余應(yīng)力通常集中在焊道附近，這是由于圓周焊接過程中的瞬時(shí)局部加熱和隨后的快速冷卻造成的。實(shí)驗(yàn)研究表明，在有限元分析中可以利用最少數(shù)量的焊接層來提高效率，而不影響全厚度殘余應(yīng)力分布特征，并且對于補(bǔ)焊深度對補(bǔ)焊后的殘余應(yīng)力有顯著影響。隨著補(bǔ)焊深度的增加，壁厚方向的高應(yīng)力區(qū)范圍擴(kuò)大，選擇較小的補(bǔ)焊深度可以獲得更理想的補(bǔ)焊后殘余應(yīng)力分布。在焊接后焊接殘余應(yīng)力是不受負(fù)載的管道所自身具備的應(yīng)力，它將會和實(shí)際工作中的各種應(yīng)力相互疊加作用到管道本身，因此較小的焊接深度可以減少焊接殘余應(yīng)力的產(chǎn)生，增強(qiáng)管體的抗負(fù)荷性。

3 管道開發(fā)

3.1 提高管道效率的方法

用于石油和天然氣等化工行業(yè)，減少物料在管道過程中產(chǎn)生的湍流是非常重要的，因?yàn)橥牧魇沽黧w粒子以混亂的方式移動，從而將泵送能量重定向到多個(gè)方向。因此，摩擦發(fā)生并導(dǎo)致阻力，阻力是管道內(nèi)導(dǎo)致流速降低的壓頭損失。為了克服流量下降的問題，沿管道安裝了更多的泵站以提供能量并維持所需的流量，但是泵站的安裝成本高且在經(jīng)濟(jì)上不可行。為了克服這個(gè)問題，減少管道內(nèi)部的阻力是一種可行的方案。目前實(shí)驗(yàn)已開發(fā)出一種減阻劑具有高黏彈性，通常是一種碳?xì)浠衔?，因此添加這些減阻劑不會影響精煉過程或精煉產(chǎn)品的物理特性。減阻劑和溶劑的混合物將產(chǎn)生一種溶液，該溶液具有黏彈性、與時(shí)間無關(guān)、可剪切降解和非牛頓流體。減阻聚合物是長鏈高分子，分子量大，溶解速度快，降解速度慢，能夠降低泵送功率和提高管道容量。

3.2 減緩管道腐蝕的方法

腐蝕對化工等行業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的所有方面都具有巨大的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境影響，除了造成嚴(yán)重的環(huán)境破壞和對公共安全的威脅外，腐蝕還會干擾運(yùn)營，需要對故障資產(chǎn)進(jìn)行大量維修和更換。因此，減緩管道的腐蝕對于化工行業(yè)非常重要。目前對于石油管道的防泄漏處理方法，如殺菌劑、界面抑制劑、涂層和內(nèi)襯、陰極保護(hù)等，其中保護(hù)效果最好的為陰極保護(hù)法，由于內(nèi)部和外部腐蝕都會導(dǎo)致石油管道泄漏。管道由于暴露于外部環(huán)境而發(fā)生外部腐蝕。涂層已被用于保護(hù)管道免受環(huán)境因素的影響。

這些涂層容易出現(xiàn)孔洞和腐蝕，從而促進(jìn)局部腐蝕。這些假期背后有幾個(gè)原因，例如來自土壤的壓力、管道的移動、惡劣的環(huán)境。通過引入陰極保護(hù)以保護(hù)外部管道表面免受腐蝕。陰極保護(hù)系統(tǒng)依賴于犧牲陽極或外加電流的部署。在犧牲陽極系統(tǒng)中，諸如Mg或Zn之類的金屬連接到管道。這種金屬腐蝕并向受保護(hù)的管道釋放電流。犧牲陰極通常用于需要相對較小電流的地下系統(tǒng)。這種電流系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)，不需要外部電源[6]。

3.3 管道材料的選用

對于化工管道來說，輸送各種化學(xué)性質(zhì)的物料，如耐腐蝕性的聚丙烯管道材料或輸送氣體的不銹鋼或碳鋼管道等。其中管道輸送硫酸或其他有腐蝕性的物料時(shí)，應(yīng)進(jìn)行多方面的考慮，對于不同濃度酸性溶液其酸性效果是不同的，并且對于輸送管道的溫度及壓力也應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格的控制，防止管道的腐蝕。對于輸送氣體的管道更應(yīng)該注意，如管道中氧氣的運(yùn)輸，作為一種助燃?xì)怏w，與其他氣體的不同比例混合在外力的作用下將引起爆炸。因此在輸送氧氣時(shí)應(yīng)注意O2的標(biāo)準(zhǔn)壓力，另一個(gè)是O2產(chǎn)生的水量。在0.35~0.58MPa的標(biāo)準(zhǔn)壓力下，通常選擇碳鋼作為管道材料。

4 結(jié)束語

化工管道的設(shè)計(jì)是一個(gè)極其復(fù)雜的過程，因輸送材料的種類繁多，對于輸送管道的材料選擇、管道的連接、管道的放置位置、管道的保護(hù)等都需要精密的分析與計(jì)算。因此應(yīng)該做好各個(gè)環(huán)節(jié)的工作，將其完整的銜接，進(jìn)一步優(yōu)化管道的設(shè)計(jì)，從而保持管道運(yùn)行的穩(wěn)定。