導語

　　對于化工工藝設計初學者來說，總會遇到一些基本問題，比如說管道設計溫度和設計壓力如何確定，小七發現一些初學者根據已知的工作溫度和工作壓力很隨意地確定設計溫度和設計壓力，過小會造成安全隱患，導致事故，過大則會造成材料浪費。下面就針對化工工藝設計過程中的一些常見問題分別闡述。

　　管道設計壓力和設計溫度的確定

　　管道設計壓力

　　管道設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。

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　　管道設計壓力的確定原則

　　① 管道設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計壓力不得低于安全泄放裝置的開啟壓力（或爆破壓力）。

　　③ 所有與設備相連接的管道，其設計壓力應不小于所連接設備的設計壓力。

　　④ 輸送制冷劑、液化氣等沸點低的介質的管道，應按閥關閉或介質不流動時介質可能達到的最大飽和蒸汽壓力作為設計壓力。

　　⑤ 離心泵出口管道的設計壓力應不小于泵的關閉壓力。

　　⑥ 往復泵出口管道的設計壓力應不小于泵出口安全泄放裝置的設定壓力。

　　⑦ 壓縮機排出管道的設計壓力應不小于安全泄放裝置的設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。

　　⑧ 裝有安全控制裝置的真空管道設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計；對于沒有安全控制裝置的真空管道，設計壓力取 0.1 MPa。

　　下表是國內某大型工程公司管道設計壓力規定，供參考學習。

表 1 一般情況下管道設計壓力規定

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　　管道設計溫度

　　管道設計溫度是指工作條件下，在相應設計壓力下管道可能達到的材料溫度。

　　工藝專業通常按正常操作溫度加上一定裕量作為設計溫度。

　　（1）流體正常操作溫度≤ 300℃時，裕量不小于 30℃。

　　（2）流體正常操作溫度 >300℃時，裕量不小于15℃。

　　（3）流體溫度低于 0℃時，設計溫度等于流體最低溫度。

　　（4）室外管道應按當地冬季絕對最低氣溫。下表是國內某大型工程公司管道設計溫度規定，供參考學習。

表 2 一般情況下管道設計溫度規定

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　　管徑選擇

　　（1）當按預定介質流速來確定管徑時，采用下式初選管徑：

　　式中：d — 管道內徑；mm；

　　W — 管內介質的質量流量，kg/h；

　　V0 — 管內介質的體積流量，m3 /h；

　　ρ — 介質在工作條件下的密度，kg/m3；

　　u — 介質在管內的平均流速，m/s。

　　（2） 當按每 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計人員必須靈活運用工程學、材料學、腐蝕學等方面的知識定性定量綜合判斷。管道材料選擇通常根據介質的特性（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、優質碳素鋼、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）、碳素結構鋼不得應用于 GC1 級壓力管道。

　　（2）GC1 級壓力管道應使用無縫鋼管。

　　（3）輸送有毒、可燃介質的管道優先選用優質碳素鋼，即使規范允許使用碳素結構鋼也要盡量少用，最好不用。

　　（4）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。

　　（5）金屬材料應避免材料 - 腐蝕組合環境。

　　阻火器

　　阻火器定義

　　阻火器是一種允許流體通過，又能阻止火焰傳播和蔓延的安全防護設備。

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　　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；

　　（2）按使用場所分類，分為放空阻火器和管道阻火器；

　　（3）按結構分類，分為充填型、板型、金屬網型、液封型、波紋型等。

　　阻火器設置

　　以下管道系統的指定位置應設置管道阻火器：

　　（1） 輸送有可能產生爆燃或者爆轟的混合氣體管道；

　　（2） 輸送能自行分解導致爆炸并且引起火焰蔓延的氣體管道；

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

　　（4） 進入火炬頭的排放氣管道。

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　　阻火器選用

　　阻火器的選用步驟：

　　（1）根據使用場所決定采用放空阻火器還是管道阻火器。

　　（2）根據阻火器設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。

　　（3）根據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小于工藝氣或蒸汽的 MESG 值。

　　（4）根據阻火器入口處的火焰傳播速度確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。

　　（5）允許壓力降的校核。

　　（6）考慮阻火器設置的位置和相關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，否則可能發展為爆轟，阻火器失效。

　　（7）不推薦 2 個或更多阻火器串聯安裝。

　　安全閥

　　安全閥定義

　　安全閥是由彈簧作用或由導閥控制的閥門，當入口處靜壓超過設定壓力時，閥瓣上升以泄放被保護系統的超壓，當壓力降至回座壓力時，可自動關閉的安全泄放裝置。

　　安全閥分類

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　　GB/T 12241《安全閥一般要求》分類

　　① 直接荷載式

　　② 帶動力輔助裝置式

　　③ 帶補充載荷式

　　④ 先導式

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　　按閥片開啟高度分類

　　① 全啟式

　　② 微啟式

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　　按結構不同分類

　　① 封閉和不封閉彈簧式

　　② 帶扳手和不帶扳手

　　③ 帶散熱片和不帶散熱片

　　④ 平衡式和非平衡式

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　　按平衡內壓的方式分類

　　① 彈簧式

　　② 杠桿式

　　③ 先導式

　　安全泄放裝置（安全閥、爆破片裝置）設置場所

　　（1）設計壓力小于外部壓力源的壓力，出口可能被關斷或堵塞的設備和管道系統；

　　（2）出口可能被關斷的容積式泵和壓縮機的出口管道；

　　（3）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的氣相管道；

　　（4）因不凝氣體積聚產生超壓的設備和管道系統；

　　（5）加熱爐出口管道中切斷閥或調節閥的上游管道；

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

　　（7）放熱反應可能失控的反應器出口處切斷閥上游的管道系統；

　　（8）凝汽式汽輪機的蒸汽管道出口；

　　（9）蒸汽發生器等產汽設備的出口管道；

　　（10）低沸點液體（液化氣等）容器的出口管道；

　　（11）管程可能破裂的熱交換器低壓側的出口管道；

　　（12）減壓閥組的低壓側管道；

　　（13）設計者認為可能產生超壓的其他部位。

　　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，還應根據工況介質選擇合適的安全閥結構型式以及閥體和主要內件的材質。

　　安全閥型式選擇的基本原則：

　　① 排放氣體或蒸汽時，選用全啟式安全閥。

　　② 排放液體時，選用全啟式或微啟式安全閥。

　　③ 排放水蒸汽或空氣時，可選用帶扳手的安全閥。

　　④ 對于設定壓力大于 3.0 MP，溫度超過 235℃的氣體用安全閥，則應該考慮選用帶散熱片的安全閥，以防止泄放介質直接沖蝕彈簧。

　　⑤ 排放介質允許泄漏至大氣時，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，應選用波紋管安全閥。

　　⑦ 高背壓的場合，選用背壓平衡式安全閥或先導式安全閥。

　　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：安全閥設定壓力、安全泄放量、最小泄放面積，只有這三個參數確定了才能確定安全閥的型號。

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　　安全閥設定壓力

　　（1）對于獨立壓力系統中管道上的安全泄放裝置，相關壓力的確定應以系統的設計壓力為基準，且符合以下規定。

　　① 當安裝一個安全泄放裝置時，安全閥的設定壓力 ( 或爆破片裝置最大標定爆破壓力 ) 應不大于系統設計壓力，且最大泄放壓力應不大于系統設計壓力的 10% 和 20 kPa 中的較大者。

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

　　③ 為防止火災事故發生而安裝的安全泄放裝置，且最大泄放壓力應不大于系統設計壓力的 16%。

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

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　　安全泄放量

　　安全泄放量應按以下規定確定：

　　（1）應根據物料平衡和能量平衡，計算各種超壓工況的安全泄放量。

　　（2）若系統的某個部位有幾種超壓工況，則應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。

　　（3）安全泄放量的計算應符合 GB/T 20801.6—2006 附錄 A 的規定，附錄 A 中未規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 的相應規定。

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　　最小泄放面積

　　最小泄放面積應按以下規定確定：

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

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

　　（3）選用的安全泄放裝置的實際泄放面積應不小于最小泄放面積。

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　　安全閥型號確定

　　根據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 對應關系表

　　（單位：mm)

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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