武 宇

（華陸工程科技有限責任公司， 陜西 西安 710065）

石油化工裝置設計與安全性評價

武 宇

（華陸工程科技有限責任公司， 陜西 西安 710065）

針對石油化工裝置設計不規(guī)范、不合理等而頻發(fā)安全事故等問題，首先，從分析石油化工裝置潛在危險源入手展開研究，隨后，對裝置工藝設計和工藝管道設計進行詳細說明，并分類提出了具體的設計方法以及注意事項，并對預防工藝設計缺陷提出了一些切實可行的建議。結論表明：在石油化工裝置設計中，認清裝置潛在危險，提高設計人員綜合素質(zhì)，合理對裝置和工藝管道進行設計，可從根本上保障設計項目的安全進行。

石油化工；裝置；管道；設計安全

石油化工廠生產(chǎn)主要是圍繞裝置進行的。 石油化工裝置具有如下幾個特點：裝置內(nèi)介質(zhì)大多具有毒性、易燃、易爆的特點，裝置設備所處地危險性高，泄漏事故時有發(fā)生，在人員密集處會引起極大的安全隱患［1-3］。因此，要確保裝置布置與設計的安全性，確保裝置設計工藝過程合理、安全、經(jīng)濟地實施，確保裝置設備可操作性強、維修和消防作業(yè)方便，在發(fā)生事故時便于及時實施補救、維修，最大限度地減少人員傷亡以及經(jīng)濟財產(chǎn)損失。

1 裝置潛在危險分析

石油化工裝置種類繁多，在技術路線實施過程中，以及原料、工藝差異條件下，導致潛在的危險隱患較多。主要有以下幾類危險隱患：

1.1 中毒

在石油化工日常工作中，工人在操作時會接觸到許多物質(zhì)，如原料、成品、半成品、中間體、反應副產(chǎn)物和雜質(zhì)等等，這些物質(zhì)常常會帶有毒性［4］。一旦接觸帶有毒物的裝置，輕則喪失人體正常的行為能力，使其不能在生產(chǎn)中作出正確判斷，導致生產(chǎn)工作不能正常進行，造成嚴重的經(jīng)濟損失；重則造成人員死亡。

1.2 火災與爆炸

生產(chǎn)作業(yè)現(xiàn)場可燃性氣體的產(chǎn)生，會與油氣、空氣中的氧氣混合，一旦達到混合物爆炸濃度，就會被引燃，發(fā)生爆炸產(chǎn)生火災，伴隨產(chǎn)生輻射熱、沖擊波將對工作人員、裝置設備以及周圍建筑物造成嚴重的破壞。

1.3 反應性危險

石油化工生產(chǎn)過程中有許多化學反應。這些化學反應過程主要包括放熱和吸熱兩類。一般情況下，放熱反應過程比吸熱反應過程危險性更大，尤其是氧化反應、鹵化反應和硝化反應，一旦失控，將會發(fā)生很大危險。另一方面，石油化工過程中使用的某些原料具有很強反應活性，也會造成安全隱患。

1.4 負壓操作

負壓操作產(chǎn)生的后果是導致空氣和濕氣進入化工裝置，極大增加了形成爆炸性氣體混合物的幾率，也有可能由于空氣中的氧氣和水蒸氣使某些原料發(fā)生化學反應產(chǎn)生危險［5］。

2 裝置工藝設計安全評價

2.1 塔和容器的管線設計

塔和容器的管線設計需要根據(jù)工藝原理來合理布置。分餾塔與汽提塔之間管線的設計對調(diào)節(jié)閥位置的設置要求高，將調(diào)節(jié)閥組設置在汽提塔和分餾塔之間，更靠近汽提塔的位置，可保證調(diào)節(jié)閥前有足夠距離的液柱壓力［6，7］。

分餾塔與回流罐之間設置短而非袋形熱旁路，設置在回流罐的上部來調(diào)節(jié)分餾塔的塔頂壓力；當管道中存在氣液兩相流時，將調(diào)節(jié)閥布置在盡量靠近接收介質(zhì)的容器的管道上，可起到降低管線壓力差，維持管道穩(wěn)定運行的目的（圖1）。

圖1 分餾塔與汽提塔工作原理圖Fig.1 Fractionating column and the stripper working principle diagram

2.2 泵的管線設計

合理地設計泵吸入管道，才能保證泵正常的工作狀態(tài)。當泵入口管線變換運行時，管道管徑會發(fā)生變化，為了防止變徑處氣體的積聚，可采取偏心大小頭設計方法。偏心異徑管安裝方式分為兩種，底平安裝和項平安裝［5-7］。前者適合異徑管與向上彎的彎頭直連條件，其他情況采用項平安裝（圖2）。

圖2 泵的管線與儀表設計流程Fig.2 The pipeline of pump and instrument design process

利用上述安裝方法，可以省去低點排液。在對泵的入口管線進行布置時，需要對以下幾個方面的因素進行考慮：

（1）安裝入口管支架。泵的入口管支架應安裝泵進口一側的側前方，采取的是可調(diào)式支架，便于操作。

（2）氣阻產(chǎn)生。在進行管線設計時，進泵管線的氣阻經(jīng)常不被重視，往往管線產(chǎn)生的局部氣阻，會降低泵的工作效率。

（3）柔性管道。根據(jù)同轉(zhuǎn)機械工作原理，由于管嘴受到管道推力的作用，導致轉(zhuǎn)軸發(fā)生偏移，因此，在進行管道設計時，泵嘴受力應控制在合理的范圍內(nèi)。對于塔底進泵的高溫管線，需要把熱補償考慮進去。

2.3 冷換設備的管線設計

（1）以下進上出的方式設計的冷換設備，可保證供水系統(tǒng)發(fā)生故障時，避免出現(xiàn)排空的現(xiàn)象。當采用蒸汽加熱時，蒸汽應該從設備上部導入，待蒸汽冷卻凝結成水后從設備下部排出。

（2）安裝凈距。出于對設備檢修考慮，換熱器閥門法蘭、進出口管線與封頭蓋法蘭凈距設置為300 mm，便于在裝置設備出現(xiàn)故障時拆卸螺栓，進行及時地檢查和維修處理。

（3）熱應力。由于換熱器受熱膨脹產(chǎn)生位移，因此，換熱器安裝在管箱端要牢固，降低換熱器移動對封頭端管嘴管線的安裝設計的影響。重沸器連接的各條返回線長度應根據(jù)實際管道運行情況而定，合理的管線長度可以避免管嘴受力過大造成損壞。

3 工藝管道設計安全評價

（1）選料與技術規(guī)范

管線安裝施工應該嚴格按照行業(yè)標準和規(guī)范來執(zhí)行，如設計管道、對管道試壓、制造和安裝管道等等，以此保障工藝管道的安全性［6-7］。設計中對所選用的材料也有嚴格的要求，比如對于管道、管件和閥門等的選材，選取的鋼材應具備較大的機械強度，且便于操作，延長管道的使用壽命。

（2）設計

管道設計過程中，管道應具有較強的抗震性能，防止因脆性、腐蝕、泄漏造成管道破裂損壞，適宜的溫度和運行壓力，確保管道的穩(wěn)定運行工作。

（3）其他設備的安裝

工藝管道上安裝的一些輔助設備應當保障其正常運行，如安裝安全閥，防爆膜、報警系統(tǒng)來保障管道安全，安裝泄壓設施、自動檢測儀表等來監(jiān)控管道運行狀態(tài)，安裝衛(wèi)生檢測設施來保障環(huán)境衛(wèi)生。

（4）自然災害

工藝管道會經(jīng)常暴露在惡劣的自然條件下，比如雷電、洪水、冰雹等等，因此設計工藝管道時也應當遵守相關方面的規(guī)定。

（5）取樣及廢物排放

為了保障工藝管道安全順利排放廢氣、廢液和正常取樣，應當配置合理的安全設施。

（6）管道布置

一方面，因管道中的危險介質(zhì)，需要對管道合理布置。例如：當管道中的介質(zhì)是甲、乙類火災危險性時或者有腐蝕性、毒性時，設置管道時應該避開無關的構筑物和建筑物；布置易燃液體及液化石油氣體管道時，旁邊不能布置蒸汽、熱料管道；使用不燃物料管道把助燃介質(zhì)管道和可燃介質(zhì)管道隔開，或者讓兩者的間距不少于250 mm。另一方面，因多種介質(zhì)管道敷設在同一管架而需要對他們進行合理布置。比如，多層管架設計中，最上層應布置熱料管道，最下面應當布置腐蝕性介質(zhì)管道。

（7）管材

選擇管材時，不僅需要考慮輸送介質(zhì)的性質(zhì)，還應當把溫度和壓力等因素考慮進來。要量體裁衣，選用合適、優(yōu)質(zhì)管材。例如應當使用優(yōu)質(zhì)鋼材制造的壓力管道來輸送極度、高度危害介質(zhì)及液化烴；用沸騰鋼制造的管道不能輸送可燃介質(zhì)；焊制用的管子及管件含碳量不宜大于0.24%。

（8）工藝條件

管道設計需要嚴格符合工藝條件。例如要選擇恰當?shù)墓艿肋B接方式，如采用焊接的連接方式，但有些必須使用法蘭連接的管道就另當別論了；當管道內(nèi)介質(zhì)有毒時，不能用活接頭，以防有毒介質(zhì)泄露，產(chǎn)生危險。小口徑分支管與主管的連接時，應當使用加強管接頭。按照苛刻條件選擇連接不同壓力等級管道組成件，如管道的法蘭、閥門等。

（9）危險級別

當管道中介質(zhì)包含危險介質(zhì)或者包含足以造成危害的危險介質(zhì)的物料時，在選用管道、閥門、管件、墊片等的材料和類型時，需要根據(jù)危險介質(zhì)的危險程度進行選擇。

（10）特殊管道

對于一些特殊的工藝管道如絕熱保溫、保冷管道，其設計需要符合相應的規(guī)范、標準。

4 工藝缺陷預防措施

（1）設計安全意識

在進行設計工作時，需要把安全意識融入設計中，這樣才能從根本上保障項目的安全。這要求設計人員具備強烈的責任感，過硬的專業(yè)知識以及嚴謹踏實的工作作風，設計成品才有安全保證。

（2）設計的組織工作

在某些情況下，有些設計項目時間緊，為了趕工期而不顧設計質(zhì)量，可能給設計帶來風險，因此需要合理對項目的時間進行安排，對項目的進度進行全局規(guī)劃，對項目的研究人員進行分配以保障裝置工藝設計的嚴謹性，提高設計的安全性。

（3）綜合素質(zhì)培養(yǎng)

設計者的素質(zhì)、能力是設計質(zhì)量的關鍵。首先，設計工作要求設計人員發(fā)揮創(chuàng)造性思維，敢于擺脫常規(guī)解決思路，善于在設計工作中找到新的設計思路。其次，設計工作要求設計人員熟悉設計中的各項標準、規(guī)范，并在實際工作中能夠嚴格執(zhí)行。再次，設計人員應當做出盡可能詳細的設計方案，避免施工單位對設計的認識不足。

（4）設計經(jīng)驗

一方面，對于設計者而言，豐富的設計經(jīng)驗有利于避免常規(guī)的設計錯誤，可以憑借經(jīng)驗做出比較合理的判斷，但是不可以過分依賴它，同時也應作深入的研究，以達到“溫故而知新”；另一方面，缺乏經(jīng)驗會導致設計方案考慮不全，對設計上的問題缺乏預見，造成設計工藝缺陷，并留下安全隱患。

（5）管理水平

設計標準、規(guī)范、技術管理程序以及設計基礎資料應當準確、完善、齊全，為了盡可能避免邊緣錯誤，降低差錯率，各個專業(yè)人員需要密切合作，嚴格對設計工作進行校核、審核。

（6）信息及時反饋

在設計工作中，需要注意及時反饋信息，并根據(jù)這些信息對設計做出調(diào)整，從而更加科學、合理、完善地完成一個設計項目。作為設計者，一方面，需要對設計工程項目做出詳盡的基礎調(diào)研工作；另一方面，借助類似設計項目數(shù)據(jù)資料，及時反饋到現(xiàn)有的設計項目工作中，以期降低設計差錯率，保證設計工程質(zhì)量。

（7）先進的設計方法

隨著設計手段和方法的進步，必然會帶來設計質(zhì)量的提高，這其中需要設計人員引進、學習、應用好先進的設計方法。實際工作中，設計人員受到生理、心理因素影響，導致設計項目出現(xiàn)差錯，采取先進的技術手段能夠降低設計偏差。廣泛用于設計工作的計算機輔助設計CAD，提高了設計工作的質(zhì)量和效率，減少了許多容易出差錯的環(huán)節(jié)。因此，現(xiàn)階段對設計工作者的基本要求就是需要熟練掌握CAD設計方法，提高設計工作者技能水平。

5 結 論

在石油化工裝置設計過程中，首先要對裝置潛在危險源進行分析，主要包括中毒、火災與爆炸、反應性危險以及負壓操作引起的危險，了解引起危險的源頭，對相關危險要有相應防護預案措施。裝置工藝安全設計主要需要考慮塔和容器的管線設計，泵的管線設計以及冷換設備的管線設計。工藝管道的安全設計需要考慮多個方面的因素，同時應當符合國家制定的標準。工藝缺陷的預防主要從設計工作者高超的技能水平、良好的工作態(tài)度以及豐富的設計經(jīng)驗等方面展開培訓，切實保障設計工作的順利、安全進行。

［1］張德姜.石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊［M］.北京:中國石化出版社，1994:104-112.

［2］SH/T 3059—2012石油化工管道設計器材選用規(guī)范［S］.

［3］GB 50160—2008 石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范［S］.

［4］張志威.石油化工裝置工藝管道設計的合理性探討［J］.當代化工，2014，43（4）:611-613.

［5］王輝，梁風來，辛全禮.我國石油化工裝置中工業(yè)金屬管道的分類分級［J］.當代化工，2014，43（9）:1868-1872.

［6］孫秀敏，張敏.石油化工裝置設計與安全［J］.甘肅科技，2009，25（3）:37-40.

［7］GB 50517—2010石油化工金屬管道工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范［S］.

Design and Safety Evaluation of Petrochemical Equipments

WU Yu
（Hualu Engineering & Technology Co.， Ltd.， Shaanxi Xi'an 710065， China）

Aiming at unreasonable design of petrochemical plant and frequent safety accidents， potential hazards in petrochemical units were analyzed， then the process design and process piping design were discussed in detail， and the concrete design method was put forward as well as the matters needing attention， and some feasible suggestions to prevent process design defects were put forward. The results indicate that， in the petrochemical plant design， it is very important to identify potential dangers and improve the design personnel overall quality.

Petrochemical； Device； pipe； Design safety

TE 624

A

1671-0460（2015）12-2903-03

2015-08-20

武宇（1982-），男，陜西西安人，工程師，2005年畢業(yè)于北京化工大學化學工程與工藝專業(yè)，研究方向：主要從事石油化工工程設計工作。E-mail：wuyusunny@163.com。