浅谈碱厂压力管道设计

刘 岩

（中昊（大连）化工研究设计院有限公司，辽宁 大连 116023）

纯碱生产方法分为天然碱法和合成碱法。美国全部采用天然碱法、欧洲全部采用合成碱法（氨碱法），而我国则同时采用天然碱法、氨碱法和联合制碱法生产纯碱。

我国的联碱法就CO2的供应方案而言，可分为两大类：一是以合成氨的脱碳气及炉气为原料的所谓“浓气”制碱，另一类则是以合成氨的变换气为制碱原料的所谓变换气制碱。

无论采用哪种生产方法，碱厂生产中都要用到输送中低压蒸汽、二氧化碳气、氨气等介质的管道系统，这些管道绝大多数都属于压力管道。在碱厂设计中，压力管道设计占有比较大的比例。压力管道是化工生产装置重要组成部分之一，根据有关资料统计，由于压力管道设计方面的缺陷而引发的压力管道事故比例高达11%以上。因此，提高对压力管道设计的重视，规避设计方面的缺陷，无论从保护国家利益、社会公共利益和人民生命财产安全以及保证碱厂的安全运行、提高碱厂的经济效益等方面均有重要意义。

1 压力管道定义

要做好压力管道设计工作，首先必须明确压力管道的定义，按照其定义正确划分压力管道。

国务院2009年5月1日颁发实施的《特种设备安全监察条例》（国务院令第549号）中，将压力管道定义为：“利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压）的气体、液化气体、蒸汽介质或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体介质，且公称直径大于25mm的管道”。

国家质检总局于2014年10月30日发布的“质检总局关于修订《特种设备目录》的公告”（2014年第114号）所附《特种设备目录》中将压力管道的定义修改为：“压力管道，是指利用一定的压力，用于输送气体或者液体的管状设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压），介质为气体、液化气体、蒸汽或者可燃、易爆、有毒、有腐蚀性、最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体，且公称直径大于或者等于50mm的管道。公称直径小于150mm，且其最高工作压力小于1.6MPa（表压）的输送无毒、不可燃、无腐蚀性气体的管道和设备本体所属管道除外”。

从上述两个压力管道的定义可以看出，最新的压力管道定义将公称直径由“大于25mm”改为“大于或者等于50mm”，即缩小了压力管道的监管范围。虽然国家质检总局更新了特种设备目录，但是其他标准规范还没有及时更新，比如GB／T 20801－2006《压力管道规范 工业管道》等规范对压力管道的定义还未作改变。因此，在具体设计工作中如何把握尚有待进一步明确。

2 碱厂压力管道的类别和级别

2.1 碱厂压力管道的类别

特种设备安全技术规范TSG R1001－2008《压力容器压力管道设计许可规则》附录B中将压力管道按其用途划分为四类，即GA类：长输管道；GB类：公用管道；GC类：工业管道；GD类：动力管道。

GC类工业管道是指企业、事业单位所属的用于输送工艺介质的工艺管道、公用工程管道及其他辅助管道，其中包括延伸出工厂边界线，但归属企、事业单位管辖的工艺管线。

根据上述规定，碱厂的压力管道应属于工业管道即GC类。

2.2 碱厂压力管道的级别

TSG R1001－2008《压力容器压力管道设计许可规则》附录B中将GC类工业管道细分为GC1级、GC2级和GC3级，具体规定详见《压力容器压力管道设计许可规则》附录B。

根据GC类压力管道级别划分的具体规定，碱厂中变换气制碱的变换气管道为GC1（1）级，因变换气中的一氧化碳属于GB 5044—85《职业性接触毒物危害程度分级》中规定的高度危害气体介质。除变换气制碱中的变换气管道外，碱厂中的其余管道均属于GC2级或GC3级压力管道。

这里需要注意的是，HG 20660－2000《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类分类》中CO属于中度危害介质，不属于高度危害介质。而在GB 5044—85《职业性接触毒物危害程度分级》中将CO定为高度危害介质。因此，在确定压力管道的级别时不要用错了标准，否则会降低压力管道的级别，如将变换气管道定为GC2级，得出不同的结果。

3 压力管道设计程序

工程公司或设计院在接受碱厂压力管道设计任务后，按照工程公司或设计院的设计质量管理体系，由项目经理组成“工程项目组”；项目经理组织、讨论、制定设计方案，进行压力管道设计准备工作；项目经理编制“工程项目开工报告”，安排设计、校核、审核、审定等人员，按照《压力管道设计技术责任制》和《压力管道设计各级人员考核制度》明确各自职责；负责收集设计基础数据和相关资料；明确各专业设计分工范围，制定设计进度协作表；各专业设计人员按照国家有关压力管道设计的现行有效的法律、法规、标准、规范进行设计，为业主提供设计说明、设备材料表、设计图纸及压力管道设计计算书等符合《工程设计文件编制规定》的设计文件。

4 压力管道设计的基本原则

1）管道设计要满足工艺要求，管道材料、各种组件、附件等适当组合，全面满足生产要求；

2）管道设计要保证管道间有足够的空间，方便施工、操作、维护；

3）管道设计要满足防火、防爆和安全生产的要求；

4）管道设计要做到走向合理，避免不必要的往返和转折，节省管道材料，使管道设计经济合理；

5）管道设计要做到排列规范、整齐、美观，管道横平竖直，纵横成行，除特殊情况外，不采用歪斜管道布置方式。

5 压力管道设计温度的确定

压力管道设计温度和设计压力确定的正确与否关系到一个碱厂建设项目压力管道设计的好坏，必须引起足够的重视。

B／T 20801－2006《压力管道规范 工业管道》中规定：“压力管道的设计温度应按操作中可能遇到的最苛刻的压力和温度组合工况的温度确定，同一根管道中的不同管道组成件的设计温度可以不同。”

压力管道的设计温度，考虑到环境、隔热以及操作稳定性等因素的影响，应略高于由内压（或外压）与温度构成的最苛刻条件下的最高工作温度。

5.1 多工况条件下压力管道设计温度

存在两种或两种以上工况条件下的压力管道，其设计温度应取与内压（或外压）构成的最苛刻条件下的最高工作温度，并对其它工况进行校核。

这种情况在碱厂设计中较少见，而在精细化工项目中较为多见。如一台反应釜的夹套中往往是蒸汽介质和冷冻介质交替使用。

5.2 管道中有安全阀时设计温度

有安全阀的管道的设计温度，取该管道中介质排放时，可能出现的最高或者最低温度为该管道的设计温度。如碱厂液氨管线上的安全阀，要考虑液氨泄放时产生的低温。

6 压力管道设计压力的确定

GB／T 20801－2006《压力管道规范 工业管道》中规定：“压力管道的设计压力，应不小于在操作中可能遇到的最苛刻的压力和温度组合工况的压力。”

压力管道的设计压力，考虑到管道中介质静液柱压力等因素的影响，一般应略高于由内压（或外压）与温度构成的最苛刻条件下的最高工作压力。

6.1 管道中有安全阀时设计压力

管道在运行过程中，如果存在超压的可能时就应该设置安全阀。此时该管道的设计压力应不低于安全阀的开启压力。如变换气制碱中变换气管道的操作压力为1.6MPa，管道上安全阀的开启压力如果取操作压力的1.05倍即1.68MPa时，则该管道的设计压力为P≥1.68MPa；管道上的安全阀的设定压力如果取操作压力的1.1倍即1.76MP时，则该管道的设计压力为P≥1.76MPa。

6.2 离心泵出口管道设计压力

离心泵在启动时，为减少启动电流，应关闭出口阀，这样就会在泵出口阀之前的管道和泵内产生一个较高的压力，所以泵出口管道的设计压力应取泵出口阀关闭时压力值。

6.3 与设备相连的管道设计压力

当管道与塔或容器等设备相连时，其设计压力应不低于与其所连接设备的设计压力。当管道内的液柱较高时，还应考虑该液柱静压头的影响。对于管道来说，其受力要比设备复杂，这是因为它除了受介质载荷之外，还要受到管道热胀冷缩产生的二次应力的影响。因此，管道的设计压力一般应不低于与其所连接设备的设计压力。

7 管道压力等级的确定

在确定管道压力等级时，通常把管道中由标准管件的公称压力等级和壁厚等级共同确定的能反映管道承压特性的参数，叫做管道的压力等级。为简化描述，习惯上常把管道中管件的公称压力等级，叫做管道的压力等级。

压力管道等级的确定，是整个压力管道设计的基础，也是压力管道设计的核心。压力管道等级确定的正确与否，直接影响着压力管道基建投资和压力管道的安全可靠性。

需要注意的是：管道压力等级和设计压力是不同的概念，不可等同；管道压力等级主要对管道的壁厚和管道组成件的密封性能有影响。设计压力是根据最高工作压力来定的，一般工作压力小于等于1.8MPa时，设计压力等于最高工作压力＋0.18 MPa，除此之外还要遵守《工业金属管道设计规范》中的其他规定。而管道的压力等级就要根据相关“规范”和设计压力这两个因素来定了。

8 管道布置设计时应特别注意的事项

1）碱厂中有毒介质管道的连接，应采用焊接连接。除非有特殊需要，不得采用螺纹或法兰连接。有毒介质管道应架空敷设，不应埋地敷设，并应设置有明显标志，以区别于其他管道。如变换气制碱中的变换气管道、液氨管道等。

2）管道布置时，为了减少气袋或液袋，宜做到“步步高”或“步步低”。当不可避免时，应根据操作和检修要求设置必要的放空、放净管道。

3）需要热补偿的管道应确定合理的热补偿方案，如碱厂中煅烧工段中的中压蒸汽管道，因为温度和压力均比较高，由热胀冷缩会产生较大的轴向位移，所以应对整个管道系统进行应力计算，以确定合理的热补偿方案和管道支撑点位置。

4）碱厂中与转动机械设备连接的管道，如煅烧工序中与回转式蒸汽煅烧炉连接的管道，应保证管系有足够的柔性，通常采取以下措施：①采取改变管道走向的方法，增强自然补偿能力；②采用金属波纹管补偿器；③采用弹簧支吊架；④在适当位置设置固定支架。

5）碱厂的管道，当穿过厂房的楼板、墙面或者屋顶时，应加套管，管道与套管间应密封。当管道有保温层时，套管的直径应大于管道保温层的外径。套管应高出屋面或者楼板面50mm。穿过屋面的管道应设置防雨罩。

6）布置有毒和腐蚀性介质的管道，如碱厂中的母液管道、液氨管道等，这些管道易泄漏部位如法兰和螺纹连接处，不应布置在人行通道或机泵上方，以免对人身和设备造成危害。

7）对于有保温层的管道，应在管架处设置管托。没有保温层的管道，可不设置管托。当保温层厚度小于或等于80mm时，可选用100mm高的管托；当保温层厚度大于80mm时，可选用150mm高的管托；当保温层厚度大于130mm时，可选用200 mm高的管托；保冷管道应设置保冷型管托。如碱厂中氯化铵工序的液氨管道，应采用保冷管托。

8）对于变换气制碱中的变换气、加压碳化塔出气管和放空管均需静电接地。

9）在设计说明中要对压力管道焊缝射线照相检验要求、抽检比例、压力管道的水压试验要求、水压试验压力以及压力管道的泄露性试验要求等等，都要做出详细的规定。

9 有关问题的探讨

9.1 有关三维配管软件

目前在管道布置设计中，大多数设计单位配备了三维配管软件。国内大型工程公司引进美国的PDS或英国的PDMS三维配管软件，价格昂贵。一般设计单位选用国内开发的PDSOFT三维配管软件，都取得不错的效果。目前在碱厂设计中，有不少腐蚀介质管道选用了非金属管材，如联碱厂中的母Ⅰ、母Ⅱ、氨Ⅰ、氨Ⅱ等管线；氨碱厂中的氨盐水等管线，部分采用了钢塑管或尼龙管，这些非金属管材有的只有企业标准。PDSOFT三维配管软件自带的物理数据库中缺少这些管材的数据，这时候就需要设计人员自己建立此部分管材的数据库。在建立数据库时一定要认真、细致，反复核对，确认无误后再进行三维管道模型的建立。否则，如果数据库不准确，会对后面的自动生成管道布置图、轴测图造成影响，甚至出不了图；也会影响综合材料表的准确性。

9.2 有关管材A系列和B系列的选择

选材是否正确也是决定压力管道设计好坏的重要因素。在碱厂设计中，管材是选ⅠA系列（即美标英制系列）还是选Ⅱ系列（即国标公制系列）是困扰设计人员的一个问题。按照目前的大趋势是倾向于ⅠA系列，因为ⅠA系列是国际通用系列，Ⅱ系列已经过时了。从2013年开始中石化就全部采用美洲体系的ASME B31.3标准体系。而国内碱厂的业主往往习惯于Ⅱ系列。所以在这个问题上应尊重业主的习惯，提前与业主沟通，尊重业主的选择。一旦选错造成返工，既影响设计进度，又影响项目建设进度，后患无穷。

10 结 语

在碱厂压力管道设计中，必须严格执行国家有关压力管道设计的现行有效的法律和法规，以及压力管道安全技术规范和工程建设强制性标准的规定，按照压力管道设计程序和管理规定，通过不断实践和总结，在细节上下功夫，逐步提高压力管道设计质量和水平，以确保碱厂压力管道的安全运行。