導(dǎo)語

　　對于化工工藝設(shè)計初學(xué)者來說，總會遇到一些基本問題，比如說管道設(shè)計溫度和設(shè)計壓力如何確定，小七發(fā)現(xiàn)一些初學(xué)者根據(jù)已知的工作溫度和工作壓力很隨意地確定設(shè)計溫度和設(shè)計壓力，過小會造成安全隱患，導(dǎo)致事故，過大則會造成材料浪費。下面就針對化工工藝設(shè)計過程中的一些常見問題分別闡述。

　　管道設(shè)計壓力和設(shè)計溫度的確定

　　管道設(shè)計壓力

　　管道設(shè)計壓力是指工作條件下，管系中可能遇到的工作壓力和工作溫度組合中最苛刻條件下的壓力。

　　1

　　管道設(shè)計壓力的確定原則

　　① 管道設(shè)計壓力不低于最大工作壓力。

　　② 裝有安全泄放裝置的管道其設(shè)計壓力不得低于安全泄放裝置的開啟壓力（或爆破壓力）。

　?、?所有與設(shè)備相連接的管道，其設(shè)計壓力應(yīng)不小于所連接設(shè)備的設(shè)計壓力。

　?、?輸送制冷劑、液化氣等沸點低的介質(zhì)的管道，應(yīng)按閥關(guān)閉或介質(zhì)不流動時介質(zhì)可能達到的最大飽和蒸汽壓力作為設(shè)計壓力。

　?、?離心泵出口管道的設(shè)計壓力應(yīng)不小于泵的關(guān)閉壓力。

　?、?往復(fù)泵出口管道的設(shè)計壓力應(yīng)不小于泵出口安全泄放裝置的設(shè)定壓力。

　?、?壓縮機排出管道的設(shè)計壓力應(yīng)不小于安全泄放裝置的設(shè)定壓力和壓縮機出口至安全泄放裝置之間最大流量下的壓降之和。

　?、?裝有安全控制裝置的真空管道設(shè)計壓力取最大壓差的 1.25 倍或 0.1 MPa 的較小值，并按外壓條件進行設(shè)計；對于沒有安全控制裝置的真空管道，設(shè)計壓力取 0.1 MPa。

　　下表是國內(nèi)某大型工程公司管道設(shè)計壓力規(guī)定，供參考學(xué)習(xí)。

表 1 一般情況下管道設(shè)計壓力規(guī)定

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　　管道設(shè)計溫度

　　管道設(shè)計溫度是指工作條件下，在相應(yīng)設(shè)計壓力下管道可能達到的材料溫度。

　　工藝專業(yè)通常按正常操作溫度加上一定裕量作為設(shè)計溫度。

　?。?）流體正常操作溫度≤ 300℃時，裕量不小于 30℃。

　?。?）流體正常操作溫度 >300℃時，裕量不小于15℃。

　?。?）流體溫度低于 0℃時，設(shè)計溫度等于流體最低溫度。

　　（4）室外管道應(yīng)按當(dāng)?shù)囟窘^對最低氣溫。下表是國內(nèi)某大型工程公司管道設(shè)計溫度規(guī)定，供參考學(xué)習(xí)。

表 2 一般情況下管道設(shè)計溫度規(guī)定

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　　管徑選擇

　?。?）當(dāng)按預(yù)定介質(zhì)流速來確定管徑時，采用下式初選管徑：

　　式中：d — 管道內(nèi)徑；mm；

　　W — 管內(nèi)介質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/h；

　　V0 — 管內(nèi)介質(zhì)的體積流量，m3 /h；

　　ρ — 介質(zhì)在工作條件下的密度，kg/m3；

　　u — 介質(zhì)在管內(nèi)的平均流速，m/s。

　?。?） 當(dāng)按每 100m計算管長的壓降控制值（ΔPf100）來選擇管徑時，采用下式初定管徑：

　　式中：μ—介質(zhì)的動力粘度；Pa ? S；

　　ΔPf100 —100m計算管長的壓力降控制值，kPa。

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　　管道材料選擇

　　管道材料選擇要求設(shè)計人員必須靈活運用工程學(xué)、材料學(xué)、腐蝕學(xué)等方面的知識定性定量綜合判斷。管道材料選擇通常根據(jù)介質(zhì)的特性（腐蝕性、毒性、燃燒性等）和操作條件（溫度、壓力等），按照既適用又經(jīng)濟的原則來考慮。常用材料有鑄鐵（灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵）、普通碳素鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、低合金鋼、高合金鋼、特種合金鋼等。常用金屬材料的使用溫度見表 3。

表 3 常用金屬材料的使用溫度

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　　管道材料選擇的注意事項

　　（1）鑄鐵（灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵）、碳素結(jié)構(gòu)鋼不得應(yīng)用于 GC1 級壓力管道。

　?。?）GC1 級壓力管道應(yīng)使用無縫鋼管。

　?。?）輸送有毒、可燃介質(zhì)的管道優(yōu)先選用優(yōu)質(zhì)碳素鋼，即使規(guī)范允許使用碳素結(jié)構(gòu)鋼也要盡量少用，最好不用。

　?。?）碳素鋼、碳錳鋼和錳礬鋼最高工作溫度不得高于 425℃，否則碳化物有石墨化的可能性。

　?。?）金屬材料應(yīng)避免材料 - 腐蝕組合環(huán)境。

　　阻火器

　　阻火器定義

　　阻火器是一種允許流體通過，又能阻止火焰?zhèn)鞑ズ吐拥陌踩雷o設(shè)備。

　　1

　　阻火器分類

　　（1）按性能分類，分為阻爆燃型阻火器和阻爆轟型阻火器；

　?。?）按使用場所分類，分為放空阻火器和管道阻火器；

　?。?）按結(jié)構(gòu)分類，分為充填型、板型、金屬網(wǎng)型、液封型、波紋型等。

　　阻火器設(shè)置

　　以下管道系統(tǒng)的指定位置應(yīng)設(shè)置管道阻火器：

　?。?） 輸送有可能產(chǎn)生爆燃或者爆轟的混合氣體管道；

　?。?） 輸送能自行分解導(dǎo)致爆炸并且引起火焰蔓延的氣體管道；

　?。?） 與明火設(shè)備連接的可燃氣體減壓后的管道（特殊情況可設(shè)置水封裝置）；

　?。?） 進入火炬頭的排放氣管道。

　　2

　　阻火器選用

　　阻火器的選用步驟：

　?。?）根據(jù)使用場所決定采用放空阻火器還是管道阻火器。

　?。?）根據(jù)阻火器設(shè)置的位置和潛在點火源的方向，確定采用雙向型阻火器還是單向型阻火器。

　?。?）根據(jù)工藝氣體或蒸汽的爆炸分級 MESG 值選用阻火器，選用阻火元件的允許間隙應(yīng)小于工藝氣或蒸汽的 MESG 值。

　?。?）根據(jù)阻火器入口處的火焰?zhèn)鞑ニ俣却_定選用阻爆燃型還是阻爆轟型的阻火器。如果火焰蔓延以亞音速傳播，則選用阻爆燃型；如果火焰蔓延以音速或超音速傳播，則選擇阻爆轟型。

　?。?）允許壓力降的校核。

　?。?）考慮阻火器設(shè)置的位置和相關(guān)管道尺寸和布置對阻火器性能的影響。例如：阻爆燃型阻火器至著火源的距離一般不能超過 50 倍管徑，否則可能發(fā)展為爆轟，阻火器失效。

　　（7）不推薦 2 個或更多阻火器串聯(lián)安裝。

　　安全閥

　　安全閥定義

　　安全閥是由彈簧作用或由導(dǎo)閥控制的閥門，當(dāng)入口處靜壓超過設(shè)定壓力時，閥瓣上升以泄放被保護系統(tǒng)的超壓，當(dāng)壓力降至回座壓力時，可自動關(guān)閉的安全泄放裝置。

　　安全閥分類

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　　GB/T 12241《安全閥一般要求》分類

　?、?直接荷載式

　　② 帶動力輔助裝置式

　?、?帶補充載荷式

　?、?先導(dǎo)式

　　2

　　按閥片開啟高度分類

　　① 全啟式

　?、?微啟式

　　3

　　按結(jié)構(gòu)不同分類

　　① 封閉和不封閉彈簧式

　?、?帶扳手和不帶扳手

　?、?帶散熱片和不帶散熱片

　　④ 平衡式和非平衡式

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　　按平衡內(nèi)壓的方式分類

　?、?彈簧式

　　② 杠桿式

　?、?先導(dǎo)式

　　安全泄放裝置（安全閥、爆破片裝置）設(shè)置場所

　?。?）設(shè)計壓力小于外部壓力源的壓力，出口可能被關(guān)斷或堵塞的設(shè)備和管道系統(tǒng)；

　　（2）出口可能被關(guān)斷的容積式泵和壓縮機的出口管道；

　?。?）因冷卻水或回流中斷，或再沸器輸入熱量過多而引起超壓的蒸餾塔頂?shù)臍庀喙艿溃?/p>

　?。?）因不凝氣體積聚產(chǎn)生超壓的設(shè)備和管道系統(tǒng)；

　?。?）加熱爐出口管道中切斷閥或調(diào)節(jié)閥的上游管道；

　　（6）因兩端切斷閥關(guān)閉，受環(huán)境溫度、陽光照射或伴熱影響面產(chǎn)生熱膨脹或汽化的管道系統(tǒng)；

　?。?）放熱反應(yīng)可能失控的反應(yīng)器出口處切斷閥上游的管道系統(tǒng)；

　?。?）凝汽式汽輪機的蒸汽管道出口；

　?。?）蒸汽發(fā)生器等產(chǎn)汽設(shè)備的出口管道；

　?。?0）低沸點液體（液化氣等）容器的出口管道；

　?。?1）管程可能破裂的熱交換器低壓側(cè)的出口管道；

　　（12）減壓閥組的低壓側(cè)管道；

　　（13）設(shè)計者認為可能產(chǎn)生超壓的其他部位。

　　安全閥型式選擇

　　在選用安全閥時，除確定公稱壓力、溫度－壓力、彈簧工作壓力等級和公稱通徑外，其次，還應(yīng)根據(jù)工況介質(zhì)選擇合適的安全閥結(jié)構(gòu)型式以及閥體和主要內(nèi)件的材質(zhì)。

　　安全閥型式選擇的基本原則：

　?、?排放氣體或蒸汽時，選用全啟式安全閥。

　?、?排放液體時，選用全啟式或微啟式安全閥。

　?、?排放水蒸汽或空氣時，可選用帶扳手的安全閥。

　?、?對于設(shè)定壓力大于 3.0 MP，溫度超過 235℃的氣體用安全閥，則應(yīng)該考慮選用帶散熱片的安全閥，以防止泄放介質(zhì)直接沖蝕彈簧。

　　⑤ 排放介質(zhì)允許泄漏至大氣時，選用開放式閥帽的安全閥，不允許泄漏至大氣的，選擇封閉式安全閥。

　　⑥ 排放有劇毒、有強腐蝕性、有極度危險的介質(zhì)，應(yīng)選用波紋管安全閥。

　?、?高背壓的場合，選用背壓平衡式安全閥或先導(dǎo)式安全閥。

　　⑧ 在某些重要的場合，有時要安裝互為備用的兩個安全閥。兩個安全閥的進口和出口切斷閥宜采用機械聯(lián)鎖裝置，以確保在任何時候（包括維修、檢修期間）都能滿足容器所要求的泄放面積。

　　安全閥選型計算

　　安全閥選型計算涉及到三個重要參數(shù)：安全閥設(shè)定壓力、安全泄放量、最小泄放面積，只有這三個參數(shù)確定了才能確定安全閥的型號。

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　　安全閥設(shè)定壓力

　?。?）對于獨立壓力系統(tǒng)中管道上的安全泄放裝置，相關(guān)壓力的確定應(yīng)以系統(tǒng)的設(shè)計壓力為基準(zhǔn)，且符合以下規(guī)定。

　　① 當(dāng)安裝一個安全泄放裝置時，安全閥的設(shè)定壓力 ( 或爆破片裝置最大標(biāo)定爆破壓力 ) 應(yīng)不大于系統(tǒng)設(shè)計壓力，且最大泄放壓力應(yīng)不大于系統(tǒng)設(shè)計壓力的 10% 和 20 kPa 中的較大者。

　　② 當(dāng)安裝多個安全泄放裝置時，至少有一個安全閥的設(shè)定壓力 ( 或爆破片裝置最大標(biāo)定爆破壓力 )應(yīng)不大于系統(tǒng)設(shè)計壓力，其余安全閥設(shè)定壓力 ( 或爆破片裝置最大標(biāo)定爆破壓力 ) 不得超過系統(tǒng)設(shè)計壓力的 5%，且安全閥最大泄放壓力均應(yīng)不大于系統(tǒng)設(shè)計壓力的 12% 或 30 kPa 中的較大者。

　?、?為防止火災(zāi)事故發(fā)生而安裝的安全泄放裝置，且最大泄放壓力應(yīng)不大于系統(tǒng)設(shè)計壓力的 16%。

　?。?）對于防止液體管道熱膨脹的安全泄放裝置，安全閥設(shè)定壓力 ( 或爆破片裝置最大標(biāo)定爆破壓力 )應(yīng)不大于管道設(shè)計壓力的 120% 和系統(tǒng)試驗壓力中的較小值，且最大泄放壓力應(yīng)不超過相應(yīng)溫度下管道壓力額定值的 20% 或由壓力產(chǎn)生的管道名義應(yīng)力不超過材料許用應(yīng)力值的 20%。

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　　安全泄放量

　　安全泄放量應(yīng)按以下規(guī)定確定：

　?。?）應(yīng)根據(jù)物料平衡和能量平衡，計算各種超壓工況的安全泄放量。

　?。?）若系統(tǒng)的某個部位有幾種超壓工況，則應(yīng)分別計算每種超壓工況的安全泄放量，并取其中的最大值為該部位的安全泄放量。

　?。?）安全泄放量的計算應(yīng)符合 GB/T 20801.6—2006 附錄 A 的規(guī)定，附錄 A 中未規(guī)定的其他超壓工況的安全泄放量計算，可參照 SY/T 1004：3—2002、SY/T 1004.4—2002 和 HG/T 20570.2—95 的相應(yīng)規(guī)定。

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　　最小泄放面積

　　最小泄放面積應(yīng)按以下規(guī)定確定：

　?。?）根據(jù)安全泄放量、最大泄放壓力、泄放流體溫度、額定泄放系數(shù)以及流體的物理性質(zhì)，計算最小泄放面積。

　?。?）安全閥和爆破片裝置的最小泄放面積應(yīng)按GB/T 20801.6—2006 附錄 A 的規(guī)定計算。

　?。?）選用的安全泄放裝置的實際泄放面積應(yīng)不小于最小泄放面積。

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　　安全閥型號確定

　　根據(jù)最小泄放面積可求出流道直徑 do，查表 4，可確定安全閥公稱通徑 DN，查表 5，可確定安全閥型號。

表 4 安全閥公稱通徑 DN 與流道直徑 do 對應(yīng)關(guān)系表

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表 5 某閥門廠安全閥型號一覽表

　　文章來源：化工707

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