武 宇

（華陸工程科技有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710065）

石油化工裝置設(shè)計(jì)與安全性評價(jià)

武 宇

（華陸工程科技有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710065）

針對石油化工裝置設(shè)計(jì)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(xiǎn)源入手展開研究，隨后，對裝置工藝設(shè)計(jì)和工藝管道設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說明，并分類提出了具體的設(shè)計(jì)方法以及注意事項(xiàng)，并對預(yù)防工藝設(shè)計(jì)缺陷提出了一些切實(shí)可行的建議。結(jié)論表明：在石油化工裝置設(shè)計(jì)中，認(rèn)清裝置潛在危險(xiǎn)，提高設(shè)計(jì)人員綜合素質(zhì)，合理對裝置和工藝管道進(jìn)行設(shè)計(jì)，可從根本上保障設(shè)計(jì)項(xiàng)目的安全進(jìn)行。

石油化工；裝置；管道；設(shè)計(jì)安全

石油化工廠生產(chǎn)主要是圍繞裝置進(jìn)行的。 石油化工裝置具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：裝置內(nèi)介質(zhì)大多具有毒性、易燃、易爆的特點(diǎn)，裝置設(shè)備所處地危險(xiǎn)性高，泄漏事故時(shí)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(shè)計(jì)的安全性，確保裝置設(shè)計(jì)工藝過程合理、安全、經(jīng)濟(jì)地實(shí)施，確保裝置設(shè)備可操作性強(qiáng)、維修和消防作業(yè)方便，在發(fā)生事故時(shí)便于及時(shí)實(shí)施補(bǔ)救、維修，最大限度地減少人員傷亡以及經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。

1 裝置潛在危險(xiǎn)分析

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

1.1 中毒

在石油化工日常工作中，工人在操作時(shí)會接觸到許多物質(zhì)，如原料、成品、半成品、中間體、反應(yīng)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(dǎo)致生產(chǎn)工作不能正常進(jìn)行，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失；重則造成人員死亡。

1.2 火災(zāi)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(dá)到混合物爆炸濃度，就會被引燃，發(fā)生爆炸產(chǎn)生火災(zāi)，伴隨產(chǎn)生輻射熱、沖擊波將對工作人員、裝置設(shè)備以及周圍建筑物造成嚴(yán)重的破壞。

1.3 反應(yīng)性危險(xiǎn)

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

1.4 負(fù)壓操作

負(fù)壓操作產(chǎn)生的后果是導(dǎo)致空氣和濕氣進(jìn)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(xué)反應(yīng)產(chǎn)生危險(xiǎn)［5］。

2 裝置工藝設(shè)計(jì)安全評價(jià)

2.1 塔和容器的管線設(shè)計(jì)

塔和容器的管線設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)對調(diào)節(jié)閥位置的設(shè)置要求高，將調(diào)節(jié)閥組設(shè)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(shè)置短而非袋形熱旁路，設(shè)置在回流罐的上部來調(diào)節(jié)分餾塔的塔頂壓力；當(dāng)管道中存在氣液兩相流時(shí)，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(yùn)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(shè)計(jì)

合理地設(shè)計(jì)泵吸入管道，才能保證泵正常的工作狀態(tài)。當(dāng)泵入口管線變換運(yùn)行時(shí)，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(shè)計(jì)方法。偏心異徑管安裝方式分為兩種，底平安裝和項(xiàng)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(xiàng)平安裝（圖2）。

圖2 泵的管線與儀表設(shè)計(jì)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(diǎn)排液。在對泵的入口管線進(jìn)行布置時(shí)，需要對以下幾個(gè)方面的因素進(jìn)行考慮：

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

（2）氣阻產(chǎn)生。在進(jìn)行管線設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)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(jī)械工作原理，由于管嘴受到管道推力的作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)軸發(fā)生偏移，因此，在進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)，泵嘴受力應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)。對于塔底進(jìn)泵的高溫管線，需要把熱補(bǔ)償考慮進(jìn)去。

2.3 冷換設(shè)備的管線設(shè)計(jì)

（1）以下進(jìn)上出的方式設(shè)計(jì)的冷換設(shè)備，可保證供水系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，避免出現(xiàn)排空的現(xiàn)象。當(dāng)采用蒸汽加熱時(shí)，蒸汽應(yīng)該從設(shè)備上部導(dǎo)入，待蒸汽冷卻凝結(jié)成水后從設(shè)備下部排出。

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

（3）熱應(yīng)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(shè)計(jì)的影響。重沸器連接的各條返回線長度應(yīng)根據(jù)實(shí)際管道運(yùn)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(shè)計(jì)安全評價(jià)

（1）選料與技術(shù)規(guī)范

管線安裝施工應(yīng)該嚴(yán)格按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范來執(zhí)行，如設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中對所選用的材料也有嚴(yán)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(yīng)具備較大的機(jī)械強(qiáng)度，且便于操作，延長管道的使用壽命。

（2）設(shè)計(jì)

管道設(shè)計(jì)過程中，管道應(yīng)具有較強(qiáng)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(yùn)行壓力，確保管道的穩(wěn)定運(yùn)行工作。

（3）其他設(shè)備的安裝

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

（4）自然災(zāi)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(shè)計(jì)工藝管道時(shí)也應(yīng)當(dāng)遵守相關(guān)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(yīng)當(dāng)配置合理的安全設(shè)施。

（6）管道布置

一方面，因管道中的危險(xiǎn)介質(zhì)，需要對管道合理布置。例如：當(dāng)管道中的介質(zhì)是甲、乙類火災(zāi)危險(xiǎn)性時(shí)或者有腐蝕性、毒性時(shí)，設(shè)置管道時(shí)應(yīng)該避開無關(guān)的構(gòu)筑物和建筑物；布置易燃液體及液化石油氣體管道時(shí)，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(shè)在同一管架而需要對他們進(jìn)行合理布置。比如，多層管架設(shè)計(jì)中，最上層應(yīng)布置熱料管道，最下面應(yīng)當(dāng)布置腐蝕性介質(zhì)管道。

（7）管材

選擇管材時(shí)，不僅需要考慮輸送介質(zhì)的性質(zhì)，還應(yīng)當(dāng)把溫度和壓力等因素考慮進(jìn)來。要量體裁衣，選用合適、優(yōu)質(zhì)管材。例如應(yīng)當(dāng)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(shè)計(jì)需要嚴(yán)格符合工藝條件。例如要選擇恰當(dāng)?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(dāng)別論了；當(dāng)管道內(nèi)介質(zhì)有毒時(shí)，不能用活接頭，以防有毒介質(zhì)泄露，產(chǎn)生危險(xiǎn)。小口徑分支管與主管的連接時(shí)，應(yīng)當(dāng)使用加強(qiáng)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(xiǎn)級別

當(dāng)管道中介質(zhì)包含危險(xiǎn)介質(zhì)或者包含足以造成危害的危險(xiǎn)介質(zhì)的物料時(shí)，在選用管道、閥門、管件、墊片等的材料和類型時(shí)，需要根據(jù)危險(xiǎn)介質(zhì)的危險(xiǎn)程度進(jìn)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(shè)計(jì)需要符合相應(yīng)的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)。

4 工藝缺陷預(yù)防措施

（1）設(shè)計(jì)安全意識

在進(jìn)行設(shè)計(jì)工作時(shí)，需要把安全意識融入設(shè)計(jì)中，這樣才能從根本上保障項(xiàng)目的安全。這要求設(shè)計(jì)人員具備強(qiáng)烈的責(zé)任感，過硬的專業(yè)知識以及嚴(yán)謹(jǐn)踏實(shí)的工作作風(fēng)，設(shè)計(jì)成品才有安全保證。

（2）設(shè)計(jì)的組織工作

在某些情況下，有些設(shè)計(jì)項(xiàng)目時(shí)間緊，為了趕工期而不顧設(shè)計(jì)質(zhì)量，可能給設(shè)計(jì)帶來風(fēng)險(xiǎn)，因此需要合理對項(xiàng)目的時(shí)間進(jìn)行安排，對項(xiàng)目的進(jìn)度進(jìn)行全局規(guī)劃，對項(xiàng)目的研究人員進(jìn)行分配以保障裝置工藝設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性，提高設(shè)計(jì)的安全性。

（3）綜合素質(zhì)培養(yǎng)

設(shè)計(jì)者的素質(zhì)、能力是設(shè)計(jì)質(zhì)量的關(guān)鍵。首先，設(shè)計(jì)工作要求設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)工作中找到新的設(shè)計(jì)思路。其次，設(shè)計(jì)工作要求設(shè)計(jì)人員熟悉設(shè)計(jì)中的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，并在實(shí)際工作中能夠嚴(yán)格執(zhí)行。再次，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)做出盡可能詳細(xì)的設(shè)計(jì)方案，避免施工單位對設(shè)計(jì)的認(rèn)識不足。

（4）設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)

一方面，對于設(shè)計(jì)者而言，豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)有利于避免常規(guī)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，可以憑借經(jīng)驗(yàn)做出比較合理的判斷，但是不可以過分依賴它，同時(shí)也應(yīng)作深入的研究，以達(dá)到“溫故而知新”；另一方面，缺乏經(jīng)驗(yàn)會導(dǎo)致設(shè)計(jì)方案考慮不全，對設(shè)計(jì)上的問題缺乏預(yù)見，造成設(shè)計(jì)工藝缺陷，并留下安全隱患。

（5）管理水平

設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、技術(shù)管理程序以及設(shè)計(jì)基礎(chǔ)資料應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確、完善、齊全，為了盡可能避免邊緣錯(cuò)誤，降低差錯(cuò)率，各個(gè)專業(yè)人員需要密切合作，嚴(yán)格對設(shè)計(jì)工作進(jìn)行校核、審核。

（6）信息及時(shí)反饋

在設(shè)計(jì)工作中，需要注意及時(shí)反饋信息，并根據(jù)這些信息對設(shè)計(jì)做出調(diào)整，從而更加科學(xué)、合理、完善地完成一個(gè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目。作為設(shè)計(jì)者，一方面，需要對設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目做出詳盡的基礎(chǔ)調(diào)研工作；另一方面，借助類似設(shè)計(jì)項(xiàng)目數(shù)據(jù)資料，及時(shí)反饋到現(xiàn)有的設(shè)計(jì)項(xiàng)目工作中，以期降低設(shè)計(jì)差錯(cuò)率，保證設(shè)計(jì)工程質(zhì)量。

（7）先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法

隨著設(shè)計(jì)手段和方法的進(jìn)步，必然會帶來設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高，這其中需要設(shè)計(jì)人員引進(jìn)、學(xué)習(xí)、應(yīng)用好先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法。實(shí)際工作中，設(shè)計(jì)人員受到生理、心理因素影響，導(dǎo)致設(shè)計(jì)項(xiàng)目出現(xiàn)差錯(cuò)，采取先進(jìn)的技術(shù)手段能夠降低設(shè)計(jì)偏差。廣泛用于設(shè)計(jì)工作的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD，提高了設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量和效率，減少了許多容易出差錯(cuò)的環(huán)節(jié)。因此，現(xiàn)階段對設(shè)計(jì)工作者的基本要求就是需要熟練掌握CAD設(shè)計(jì)方法，提高設(shè)計(jì)工作者技能水平。

5 結(jié) 論

在石油化工裝置設(shè)計(jì)過程中，首先要對裝置潛在危險(xiǎn)源進(jìn)行分析，主要包括中毒、火災(zāi)與爆炸、反應(yīng)性危險(xiǎn)以及負(fù)壓操作引起的危險(xiǎn)，了解引起危險(xiǎn)的源頭，對相關(guān)危險(xiǎn)要有相應(yīng)防護(hù)預(yù)案措施。裝置工藝安全設(shè)計(jì)主要需要考慮塔和容器的管線設(shè)計(jì)，泵的管線設(shè)計(jì)以及冷換設(shè)備的管線設(shè)計(jì)。工藝管道的安全設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)方面的因素，同時(shí)應(yīng)當(dāng)符合國家制定的標(biāo)準(zhǔn)。工藝缺陷的預(yù)防主要從設(shè)計(jì)工作者高超的技能水平、良好的工作態(tài)度以及豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)等方面展開培訓(xùn)，切實(shí)保障設(shè)計(jì)工作的順利、安全進(jìn)行。

［1］張德姜.石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)器材選用規(guī)范［S］.

［3］GB 50160—2008 石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范［S］.

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

［5］王輝，梁風(fēng)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(dāng)代化工，2014，43（9）:1868-1872.

［6］孫秀敏，張敏.石油化工裝置設(shè)計(jì)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(yàn)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(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，研究方向：主要從事石油化工工程設(shè)計(jì)工作。E-mail：wuyusunny@163.com。