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| 設計壓力、溫度和泵容器的典型管道儀表流程圖設計要點 發布時間：17-05-03 |
設計壓力、溫度和泵容器的典型管道儀表流程圖設計要點 管道儀表流程圖是化工工藝設計的重要組成部分。在設計過程中，應根據整個工藝流程圖的要求，詳細地表示該系統的全部設備、儀表、管道、閥門和其他有關公用工程系統。本期內容主要介紹管道儀表流程圖中壓力，溫度，泵及容器的典型設計舉例。希望為相關專業的朋友提供參考。接下來，將帶大家徹底了解塔，換熱器，空冷器等化工行業各種設備的設計方法。 一、設計壓力 設備和管道的設計壓力是設備和管道強度設計的主要依據。工藝系統專業在確定設備設計壓力時，應在滿足設備長周期安全生產的基礎上，做到既經濟又合理。不能靜止、單獨地考慮每臺設備的最高工作壓力，要將設備置于工藝系統內進行分析，考慮各種工況下可能出現的最高壓力以及系統附加條件（如系統壓力變化、安全閥在系統的相對位置，泵出口閥門的相對位置等）對最大壓力的影響。同時，應分析設備內的介質特性，如易燃、易爆，有毒有害，凝固點，飽和蒸氣壓，貴重物料等。 設備設計壓力的確定先根據一定的的原則，確定每臺設備的初步設計壓太，然后再根據系統分析方法對初步設計壓力進行調整，并得出設備的最終設計壓力。 1、術語說明 （1）壓力 分表壓和絕壓，分別在壓力單位后加G或A表示。不加說明時，通常指表壓。 （2）最大工作壓力 容器在正常工況下，容器頂部可能達到的最大壓力。此值由化工工藝專業提出。 ①對內壓容器，指容器在正常工況下，其頂部可能出現的最大壓力。 ②對真空容器，指容器在正常工況下，其頂部可能出現的最大真空度。 ③對外壓容器，指容器在正常工況下，其頂部可能出現的最大內外壓差。 （3）泵（壓縮機）的關閉壓力 泵（壓縮機）的關閉壓力系指泵（壓縮機）在出口流量受限時的最高排出壓力。 （4）安全閥開啟壓力 安全閥閥瓣開始升起，介質連續排出的瞬時，安全閥進口處的靜壓力。 （5）最高壓力 用以確定容器設計壓力的基準壓力。它是由容器最大工作壓力加上工藝流程中系統的附加條件后，在容器頂部可能達到的壓力。此值由工藝計算確定。 （6）設計壓力 系指設定的容器頂部的最高壓力（包括工藝流程的系統附加條件），與相對應的設計溫度一起作為設備設計的條件，其值不低于最高壓力。設計壓力根據設備的最高壓力和相關設計規范確定。 （7）最高（最低）工作溫度 最高（最低）工作溫度系指容器在正常工作過程中，元件金屬可能出現的最高（最低）金屬溫度。 （8）設計溫度 容器在正常工作情況下設定的元件的金屬溫度。此溫度與設計壓力一起作為容器設計條件，其值應根據設備的最高（最低）工作溫度和相應的規范計算確定。 2、設計規范 （1）符合下列條件之一的按GB150《鋼制壓力容器》確定： 1）0.1MPa（G）≤設計壓力≤35MPa（G） 2）真空度大于2kPa（200mmH2O） （2）符合下列條件之一的按GB／T4735《鋼制焊接常壓容器》確定： 1）設計壓力低于0．1MPa（G） 2）真空度小于或等于2kPa（200mmH2O） （3）設計壓力大于35MPa（G）的應按相關規范確定。 3、設備設計壓力的確定原則 表1 設備設計壓力的確定原則 4、各類系統中設備最高壓力的確定 （1）設備 承受多種不同工況的設備化工生產中，當同一設備需承受多種不同工況時，如某些反應器要適應吹掃、試壓、升溫還原、化學反應、催化劑再生等多種化工過程的多種工作條件變化，則該類設備設計壓力的確定原則見表1，并應向設備專業說明各階段工作壓力及工作溫度相應變化的時間及介質變化情況。 （2）特殊介質的設備 ①劇毒介質的泄漏直接影響到人身和環境安全，一般都把這類設備的設計壓力定為高于表1規定值的原則，以確保安全。 ②對一些凝固點較高的介質，如瀝青、石蠟、苯酐等，由于較容易使系統堵塞或者在排放時堵塞安全裝置和排放系統，引起系統壓力的升高，故除了考慮伴熱措施外，可適當提高此類設備的設計壓力。 ③對某些貴重物料，一旦泄漏將會引起一定經濟損失，在作經濟權衡后，可提高設計壓力。 ④對某些介質，由于化學反應或物理過程可能起工作壓力的急劇變化，如化學反應或液相蒸發引起壓力急劇上升，低壓下的冷凝器冷凝過程將引起真空操作等，則應根據具體情況來確定設計壓力。 （3）離心泵系統 ①泵輸出側最后切斷閥上游設備的最高壓力 a．若吸入側容器的設計壓力按表1選取，則泵輸出側設備最高壓力應等于泵吸入側容器最高壓力加上泵出口關閉壓差再加（或減去）靜壓頭。 b．若有特殊要求，則泵輸出側最高壓力應由工藝系統專業會同有關專業共同商定。 ②泵輸出側最后切斷閥下游設備的最高壓力應是化工工藝專業給定的最大工作壓力加上系統附加條件后為其最高壓力。 （4）容積式泵系統 泵的輸出壓力主要受泵殼體的強度和驅動機的力矩限制，因此對容積式泵通常不用“關閉壓力”詞，而用“停止壓力”一詞，其值等于使驅動機停止運轉所需壓差。 停止壓力”通常比容積式泵正常工作壓力高許多，因此，容積式泵輸出管道上的設備不應按“停止壓力”設計。容積式泵輸出管道上設備最高壓力是化工工藝專業提出的設備最大工作壓力加空系統附加條件。 （5）冷凍系統 化工工藝專業通常提供冷凍系統在工作過程中預期達到的最大工作壓力。但在停車后，高壓側壓力將a，0降低而低壓側壓力將升高至系統中兩側壓力相等，此時的壓力即為“停車壓力”。 高壓側的最大工作壓力通常是工藝規定的數值，此值高于“停車壓力”。 低壓側的最大工作壓力為“停車壓力”加上一定的裕量，此裕量取決于系統停車期間輸入的熱量和冷凍劑的熱力學性質。長期停車時低壓側的最大工作壓力取最高預期環境溫度下冷凍劑的平衡壓力，或參照下述（8）的規定選取。 “停車壓力”按高壓側至低壓側等焓節流來計算最大工作壓力加上系統附加條件，即作為冷凍系統最高壓力，高壓側和低壓側分別確定。 （6）壓縮機系統 處理蒸汽和蒸汽混合物的壓縮機系統和其他多種設備串聯系統時，應按承受同一超壓源的一組設備（兩個切斷閥之間）來選取設備最高壓力；并應注意以下各點。 ①安全閥應盡可能設置在組內工作溫度最接近常溫的部位。 ②緊靠安全閥上游的設備的最大工作壓力，是確定該系統其余設備最高壓力的基準。 ③安全閥開啟壓力等于上游設備設計壓力減去該設備至安全閥最大正常流量下的壓力降。 （7）塔系統 塔系統包括塔設備、再沸器、塔頂冷凝器和回流罐。塔設備的最高壓力應根據化工工藝專業規定的塔頂最大工作壓力并加上系統附加條件來確定。 （8）盛裝液化氣體的容器 ①盛裝臨界溫度高于50℃的液化氣體的壓力容器，當設計有可靠的保冷設施，其最高壓力為所盛裝液化氣體在可能達到最高工作溫度下的飽和蒸氣壓力；如無保冷設施，其最高壓力不得低于該液化氣體在50℃時的飽和蒸氣壓力。 ②盛裝臨界溫度低于50℃的液化氣體的壓力容器，當設計有可靠的保冷設施，并能確保低溫儲存的，其最高壓力不得低下實測的最高溫度下的飽和蒸氣壓力；沒有實測數據或沒有保冷設施的壓力容器其最高壓力不得低于所裝液化氣體在規定的最大充裝量時，溫度為50℃的氣體壓力。 ③常溫下盛裝混合液化石油氣的壓力容器，應以50℃為設計溫度。當其50℃的飽和蒸氣壓力低于異丁烷50℃的飽和蒸氣壓力時，取50℃異丁烷的飽和蒸氣壓力為最高壓力；當其高于50℃異丁烷的飽和蒸氣壓力時，取50℃丙烷的飽和蒸氣壓力為最高壓力；如高于50℃丙烷的飽和蒸氣壓力時，取50℃丙烯的飽和蒸氣壓力為最高壓力。 （9）安全閥 對設有安全閥的系統，應根據設備與安全閥的相對位置來確定最終的設計壓力。 ①設有安全泄放裝置的設備的設計壓力，可按表1的原則確定。 ②安全泄放點下游設備的設計壓力，等于安全泄放裝置的開啟壓力加上安全網至下游設備可能存在的靜壓頭。如塔頂管線設置安全閥，經冷凝器后到回＝F流罐，該回流罐設計壓力應等于安全閥的開啟壓力加上冷凝器至回流罐的靜壓頭。 ③安全泄放閥上游設備的設計壓力，等于安全泄放裝置的開啟壓力加上設備至安全泄放裝置間的壓力損失和靜壓頭。如安全閥設在回流罐，則塔頂設計壓力等于安全閥開啟壓力加上塔頂至回流罐安全閥間的壓力損失和靜壓頭。 5、管道設計壓力的選取 （1）適用范圍 適用于設計壓力p在以下工作范圍的管道。 ①壓力管道0MPa（G）≤p≤35MPa（G）范圍的管道。 ②真空管道p＜0MPa（G）的管道。 ③適用于輸送包括流態化固體在內的所有流體管道。 （2）管道設計壓力的確定原則 ①管道設計壓力不得低于最大工作壓力。 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，液化氣類等沸點低的介質的管道，按閥被關閉或介質不流動時介質可能達到的最大飽和蒸氣壓力作為設計壓力。 ⑤管道或管道組成件與超壓泄放裝置間的通路可能被堵塞或隔斷時，設計壓力按不低于可能產生的最大工作壓力來確定。 ⑥工程設計規定需要計算管壁厚度的管道，其管壁厚度數據表中所列的計算壓力即為該管道的設計壓力，與計算壓力相對應的工作溫度即為該管道的設計溫度。 （2）管道設計壓力的選取 ①設有安全閥的壓力管道：p大于等于安全閥開啟壓力。 ②與未設安全閥的設備相連的壓力管道：p大于等于設備設計壓力。 ③離心泵出口管道：p大于等于泵的關閉壓力。 ④往復泵出口管道：p大于等于泵出口安全闕開啟壓力 ⑤壓縮機排出管道：P大于等干安全閥開啟壓力＋壓縮機出畫至安全沿程最大正常流量下的壓力降。 ⑥真空管道：p等于全真空。 ⑦凡不屬上述范圍管道p大于等于工作壓力變動中的最大值。 二、設計溫度 1、設備設計溫度的確定 設備的設計溫度系指正常作過程中，設備所用材料在最高設計壓力下所對應的溫度。當需要工藝系統專業提出設備的設計溫度（作為設計條件）時，可參照本條款確定。 工藝系統專業以化工工藝專業提出的正常三作過程中介質的最高（或最低）工作溫度或介質最高工作溫度下的壁溫（此璧溫由傳熱計算或實測得出）作為設計溫度。 工藝系統專業在不能進行傳熱計算或實測時，以化工工藝專業提出的正常工作過程中介質的正常工作溫度加（或減）一定裕量作為設計溫度。 ①設備器壁與介質直接接觸且有外保溫（或保冷）時，設計溫度按下表中Ⅰ或Ⅱ確定。 表2 設計溫度選取 ②設備內介質用蒸汽直接加熱或被內置加熱元件（如加熱盤管、電熱元件等）間接加熱時，設計溫度取正常工作過程中介質的最高溫度。 ③設備器壁兩側與不同溫度介質直接接觸，并有可能出現只與單一介質接觸時，應按較高介質溫度確定設計溫度；但當任一介質溫度低于－20℃時，則應按較低介質溫度確定最低設計溫度。 ④設備殼體的材料溫度僅由大氣環境氣溫條件：確定時，其最低設計溫度可按該地區氣象資料，取歷：年來“月平均最低氣溫”的最低值。 a. “月平均最低氣溫”系指當月各天的最低氣溫相加后除以當月的天數。“月平均最低氣溫”的最低值，是國家氣象局實測的逐月平均最低氣溫資料中的最小值。 b. 對低于、等于 - 20℃的地區，最低設計溫度取－20。 c. 對于低于、等于 - 10℃并高于－20℃的地區最低設計溫度取-10℃。 ⑤下列情況應通過傳熱計算，求得設備材料溫度作為設計溫度： a. 內壁有可靠的隔熱層； b. 器壁兩側與不同溫度介質直接接觸，而不會出現與單一介質接觸。 ⑥設備的不同部位在工作過程中可能出現不同溫度時，應按不同溫度選取元件相應的設計溫度。 ⑦設備的最高（或最低）工作溫度接近所選材料允許使用溫度界限時，應結合具體情況慎重選取設計溫度，以免增加投資或降低安全性。 2、管道設計溫度的確定 管道設計溫度T系指管道在正常工作過程中，相應設計壓力下可能達到的管道材料溫度。工藝系統專業人員根據化工工藝專業提供的正常工作過程中各種工況的工作溫度，按“最苛刻條件下的壓力溫度組合”來選取管道設計溫度。由工藝系統專業提出的管道設計溫度（本節系指管道中介質的最高工作溫度）可參見以下原則確定。 ①以傳熱計算或實測得出的正常工作過程中介質的最高作溫度下的管道壁溫，作為設計溫度。 ②在不便于傳熱計算或實測管壁溫度的情況下，以正E常作過程中個質的最高（或最低）工作溫度作為管道設計溫度。 a. 金屬管道 ⅰ. 介質溫度小于38℃的不保溫管道，T＝介質最高溫度。 ⅱ. 介質溫度不小于38℃的管道，T＝95％介質最高溫度。 ⅲ. 外部保溫管道，T＝介質最高溫度 ⅳ. 內保溫管道（用絕熱材料襯里），T＝傳熱計算管壁溫度或試驗實測的管壁溫度。 V：介質溫度不大于0℃，T＝介質最低溫度。 b. 非金屬管道及非金屬襯里的金屬管道 ⅰ. 無環境溫度影響的管道，T＝介質最高溫度。 ⅱ. 安裝在環境溫度高于介質最高溫度的環境中的管道（除已采取防護措施者以外），T=環境溫度。 ③以化工工藝專業提出的正常工作過程中，介質的正常溫度加（或減）一定裕量作為設計溫度，可按下式確定設計溫度： a. 介質正常工作溫度為0～300℃時，T≥介質正常工作溫度＋30℃。 b. 介質正常工作溫度大于300℃時，T≥介質正常工作溫度＋15℃。 ④當流體介質溫度接近所選材料允許使用溫度界限時，應結合具體情況慎重選取設計溫度，以免增加投資或降低安全性，如：按上述③中計算結果會引起更換高一檔的材料時，從經濟上考慮，允許按工程設計要求，將15℃附加量減小，但工藝必須有措施，使運行中不至于超溫。 ⑤當工作壓力和對應工作溫度有各種不同況或周期性的變動時，工藝系統設計人員應將化工工藝專業提出的各種工況數據列出，并向管道材料專業加以說明。 設備的管道儀表及流程圖設計 化工生產過程千變萬化，表現為管道及儀表流程圖的設計各不相同。但萬變不離其宗，所有管道及儀表流程圖均是由各種基本單元組成。不同生產過程中基本單元的管道及儀表流程圖不可能完全一致，但也不會有太大的差異，均有一定的典型設計。本章主要討論其共性問題，介紹一些比較常見、典型的設計方案供設計參考。 一、泵的管道儀表及流程圖設計 1、泵的結構 依據泵向被送液體傳遞能量的方式，可分為葉片式泵和容積式泵，其主要結構型式如下： 本節以離心泵和往復泵為例，說明其管道及儀表流程圖的典型設計。 圖1 泵的管道及儀表流程圖 2、離心泵的典型設計 圖2所示為離心泵的管道及儀表流程圖，設計要點說明如下。 ①泵的進出口應設置切斷閥，一般采用閘閥。閥門直徑一般與管道直徑相同。 ②泵體和泵的進出口管道上需設置裝有閥門的排氣和排凈管，DN50以上的止回閥亦可考慮在閥蓋上鉆孔安裝放凈閥，排放物接至合適的排放系統。 ③泵的進出口管道尺寸一般應比泵管口大一級或更大。 ④泵吸入口應設置過濾器 ⑤泵出口應安裝止回閥。 ⑥泵出口必須至少設有壓力表。 ⑦介質在泵人口處可能發生汽化時，應在泵人口和入口切斷閥之間設置平衡管并安裝切斷閥。平衡管通向吸入側容器或就近排入相應的排氣管道，并且不能形成袋形。如圖2所示。 圖2 離心泵的平衡管道 ⑧泵如有可能在低于泵的最小流量下長期運轉時，應設最小流量管。在最小流量管上應設置限流孔板和截止閥，如圖4所示。 圖3 離心泵的最小流量管 ⑨用于輸送200℃以上介質的泵，并設有備用泵的，宜設置帶限流孔板的暖泵管道。如環境溫度低于物料的傾點或凝點時，還應設防凝管道。如圖4所示。 圖4 離心泵的暖泵管道和防凝管道 ⑩高揚程泵的出口切斷閥前后應設置旁通管道。如圖5所示。 圖5 離心泵的高揚程旁通管道 3、往復泵的典型設計 圖6所示為往復泵的管道儀表流程圖，其設計要點如下： ①與離心泵相比，往復泵出口可不設止回閥。 ②往復泵的出口管與出口切斷閥之間應設置安全閥。安全閥的排出管可接人吸入過濾器的下游或接入吸人容器。 圖6 往復泵的管道儀表流程圖 容器的管道及儀表流程圖設計 1、容器的P&ID圖設計要點 ①容器頂部與底部一般設有放空閥和放凈閥，容器底部附近應設有帶門的公用工程接口。閥門應直接與容器管口相接。 ②容器的物料人口管口處不一定設切斷閥。一般情況下只在容器的液相出口處設置切斷閥，若此管口水平距離15m內另有切斷閥，則容器出口處可不設切斷閥。與容器相接的公用工程管道靠近容器管口處應設切斷閥。容器與連接管道之間的切斷閥應盡量直接安裝在容器管口。 ③容器上的現場液位計、液位變送器、液位報警器或壓力表的接管等，可根據具體情況設置在容器iiif．的氣相與液相相連通的立管上。 ④容器需設置安全閥時，可將安全閥設置在容器頂部氣相部分或氣相管道上。 ⑤容器對安裝標高有具體要求時，應標出最低標高。 2、典型設計示例 圖7為臥式容器的管道及儀表流程圖。 圖7 臥式容器的管道及儀表流程圖 圖8 立式容器的管道及儀表流程圖 圖8為設有氮封的立式容器的管道及儀表流程圖，罐體及物料管道設有蒸汽伴熱。因為是間歌操作，故安全閥可不設旁路及上游切斷閥。 圖9 帶氮封的常壓臥式容器 圖9為設有氮封的常壓臥式容器的管道儀表流程圖。罐上部設有呼吸閥與阻火器。物料由管道引至罐體液面以下。罐底液相出口設有防渦流板，接至泵吸入口。該容器有安裝標高要求。 圖10 帶攪拌裝置的常壓立式容器 圖10為帶攪拌裝置的常壓立式容器的管道儀表流程圖。因罐內裝有攪拌裝置，故可免設防渦流板。 |
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