石油化工装置设计与安全性评价

武 宇

（华陆工程科技有限责任公司， 陕西 西安 710065）

石油化工装置设计与安全性评价

武 宇

（华陆工程科技有限责任公司， 陕西 西安 710065）

针对石油化工装置设计不规范、不合理等而频发安全事故等问题，首先，从分析石油化工装置潜在危险源入手展开研究，随后，对装置工艺设计和工艺管道设计进行详细说明，并分类提出了具体的设计方法以及注意事项，并对预防工艺设计缺陷提出了一些切实可行的建议。结论表明：在石油化工装置设计中，认清装置潜在危险，提高设计人员综合素质，合理对装置和工艺管道进行设计，可从根本上保障设计项目的安全进行。

石油化工；装置；管道；设计安全

石油化工厂生产主要是围绕装置进行的。 石油化工装置具有如下几个特点：装置内介质大多具有毒性、易燃、易爆的特点，装置设备所处地危险性高，泄漏事故时有发生，在人员密集处会引起极大的安全隐患［1-3］。因此，要确保装置布置与设计的安全性，确保装置设计工艺过程合理、安全、经济地实施，确保装置设备可操作性强、维修和消防作业方便，在发生事故时便于及时实施补救、维修，最大限度地减少人员伤亡以及经济财产损失。

1 装置潜在危险分析

石油化工装置种类繁多，在技术路线实施过程中，以及原料、工艺差异条件下，导致潜在的危险隐患较多。主要有以下几类危险隐患：

1.1 中毒

在石油化工日常工作中，工人在操作时会接触到许多物质，如原料、成品、半成品、中间体、反应副产物和杂质等等，这些物质常常会带有毒性［4］。一旦接触带有毒物的装置，轻则丧失人体正常的行为能力，使其不能在生产中作出正确判断，导致生产工作不能正常进行，造成严重的经济损失；重则造成人员死亡。

1.2 火灾与爆炸

生产作业现场可燃性气体的产生，会与油气、空气中的氧气混合，一旦达到混合物爆炸浓度，就会被引燃，发生爆炸产生火灾，伴随产生辐射热、冲击波将对工作人员、装置设备以及周围建筑物造成严重的破坏。

1.3 反应性危险

石油化工生产过程中有许多化学反应。这些化学反应过程主要包括放热和吸热两类。一般情况下，放热反应过程比吸热反应过程危险性更大，尤其是氧化反应、卤化反应和硝化反应，一旦失控，将会发生很大危险。另一方面，石油化工过程中使用的某些原料具有很强反应活性，也会造成安全隐患。

1.4 负压操作

负压操作产生的后果是导致空气和湿气进入化工装置，极大增加了形成爆炸性气体混合物的几率，也有可能由于空气中的氧气和水蒸气使某些原料发生化学反应产生危险［5］。

2 装置工艺设计安全评价

2.1 塔和容器的管线设计

塔和容器的管线设计需要根据工艺原理来合理布置。分馏塔与汽提塔之间管线的设计对调节阀位置的设置要求高，将调节阀组设置在汽提塔和分馏塔之间，更靠近汽提塔的位置，可保证调节阀前有足够距离的液柱压力［6，7］。

分馏塔与回流罐之间设置短而非袋形热旁路，设置在回流罐的上部来调节分馏塔的塔顶压力；当管道中存在气液两相流时，将调节阀布置在尽量靠近接收介质的容器的管道上，可起到降低管线压力差，维持管道稳定运行的目的（图1）。

图1 分馏塔与汽提塔工作原理图Fig.1 Fractionating column and the stripper working principle diagram

2.2 泵的管线设计

合理地设计泵吸入管道，才能保证泵正常的工作状态。当泵入口管线变换运行时，管道管径会发生变化，为了防止变径处气体的积聚，可采取偏心大小头设计方法。偏心异径管安装方式分为两种，底平安装和项平安装［5-7］。前者适合异径管与向上弯的弯头直连条件，其他情况采用项平安装（图2）。

图2 泵的管线与仪表设计流程Fig.2 The pipeline of pump and instrument design process

利用上述安装方法，可以省去低点排液。在对泵的入口管线进行布置时，需要对以下几个方面的因素进行考虑：

（1）安装入口管支架。泵的入口管支架应安装泵进口一侧的侧前方，采取的是可调式支架，便于操作。

（2）气阻产生。在进行管线设计时，进泵管线的气阻经常不被重视，往往管线产生的局部气阻，会降低泵的工作效率。

（3）柔性管道。根据同转机械工作原理，由于管嘴受到管道推力的作用，导致转轴发生偏移，因此，在进行管道设计时，泵嘴受力应控制在合理的范围内。对于塔底进泵的高温管线，需要把热补偿考虑进去。

2.3 冷换设备的管线设计

（1）以下进上出的方式设计的冷换设备，可保证供水系统发生故障时，避免出现排空的现象。当采用蒸汽加热时，蒸汽应该从设备上部导入，待蒸汽冷却凝结成水后从设备下部排出。

（2）安装净距。出于对设备检修考虑，换热器阀门法兰、进出口管线与封头盖法兰净距设置为300 mm，便于在装置设备出现故障时拆卸螺栓，进行及时地检查和维修处理。

（3）热应力。由于换热器受热膨胀产生位移，因此，换热器安装在管箱端要牢固，降低换热器移动对封头端管嘴管线的安装设计的影响。重沸器连接的各条返回线长度应根据实际管道运行情况而定，合理的管线长度可以避免管嘴受力过大造成损坏。

3 工艺管道设计安全评价

（1）选料与技术规范

管线安装施工应该严格按照行业标准和规范来执行，如设计管道、对管道试压、制造和安装管道等等，以此保障工艺管道的安全性［6-7］。设计中对所选用的材料也有严格的要求，比如对于管道、管件和阀门等的选材，选取的钢材应具备较大的机械强度，且便于操作，延长管道的使用寿命。

（2）设计

管道设计过程中，管道应具有较强的抗震性能，防止因脆性、腐蚀、泄漏造成管道破裂损坏，适宜的温度和运行压力，确保管道的稳定运行工作。

（3）其他设备的安装

工艺管道上安装的一些辅助设备应当保障其正常运行，如安装安全阀，防爆膜、报警系统来保障管道安全，安装泄压设施、自动检测仪表等来监控管道运行状态，安装卫生检测设施来保障环境卫生。

（4）自然灾害

工艺管道会经常暴露在恶劣的自然条件下，比如雷电、洪水、冰雹等等，因此设计工艺管道时也应当遵守相关方面的规定。

（5）取样及废物排放

为了保障工艺管道安全顺利排放废气、废液和正常取样，应当配置合理的安全设施。

（6）管道布置

一方面，因管道中的危险介质，需要对管道合理布置。例如：当管道中的介质是甲、乙类火灾危险性时或者有腐蚀性、毒性时，设置管道时应该避开无关的构筑物和建筑物；布置易燃液体及液化石油气体管道时，旁边不能布置蒸汽、热料管道；使用不燃物料管道把助燃介质管道和可燃介质管道隔开，或者让两者的间距不少于250 mm。另一方面，因多种介质管道敷设在同一管架而需要对他们进行合理布置。比如，多层管架设计中，最上层应布置热料管道，最下面应当布置腐蚀性介质管道。

（7）管材

选择管材时，不仅需要考虑输送介质的性质，还应当把温度和压力等因素考虑进来。要量体裁衣，选用合适、优质管材。例如应当使用优质钢材制造的压力管道来输送极度、高度危害介质及液化烃；用沸腾钢制造的管道不能输送可燃介质；焊制用的管子及管件含碳量不宜大于0.24%。

（8）工艺条件

管道设计需要严格符合工艺条件。例如要选择恰当的管道连接方式，如采用焊接的连接方式，但有些必须使用法兰连接的管道就另当别论了；当管道内介质有毒时，不能用活接头，以防有毒介质泄露，产生危险。小口径分支管与主管的连接时，应当使用加强管接头。按照苛刻条件选择连接不同压力等级管道组成件，如管道的法兰、阀门等。

（9）危险级别

当管道中介质包含危险介质或者包含足以造成危害的危险介质的物料时，在选用管道、阀门、管件、垫片等的材料和类型时，需要根据危险介质的危险程度进行选择。

（10）特殊管道

对于一些特殊的工艺管道如绝热保温、保冷管道，其设计需要符合相应的规范、标准。

4 工艺缺陷预防措施

（1）设计安全意识

在进行设计工作时，需要把安全意识融入设计中，这样才能从根本上保障项目的安全。这要求设计人员具备强烈的责任感，过硬的专业知识以及严谨踏实的工作作风，设计成品才有安全保证。

（2）设计的组织工作

在某些情况下，有些设计项目时间紧，为了赶工期而不顾设计质量，可能给设计带来风险，因此需要合理对项目的时间进行安排，对项目的进度进行全局规划，对项目的研究人员进行分配以保障装置工艺设计的严谨性，提高设计的安全性。

（3）综合素质培养

设计者的素质、能力是设计质量的关键。首先，设计工作要求设计人员发挥创造性思维，敢于摆脱常规解决思路，善于在设计工作中找到新的设计思路。其次，设计工作要求设计人员熟悉设计中的各项标准、规范，并在实际工作中能够严格执行。再次，设计人员应当做出尽可能详细的设计方案，避免施工单位对设计的认识不足。

（4）设计经验

一方面，对于设计者而言，丰富的设计经验有利于避免常规的设计错误，可以凭借经验做出比较合理的判断，但是不可以过分依赖它，同时也应作深入的研究，以达到“温故而知新”；另一方面，缺乏经验会导致设计方案考虑不全，对设计上的问题缺乏预见，造成设计工艺缺陷，并留下安全隐患。

（5）管理水平

设计标准、规范、技术管理程序以及设计基础资料应当准确、完善、齐全，为了尽可能避免边缘错误，降低差错率，各个专业人员需要密切合作，严格对设计工作进行校核、审核。

（6）信息及时反馈

在设计工作中，需要注意及时反馈信息，并根据这些信息对设计做出调整，从而更加科学、合理、完善地完成一个设计项目。作为设计者，一方面，需要对设计工程项目做出详尽的基础调研工作；另一方面，借助类似设计项目数据资料，及时反馈到现有的设计项目工作中，以期降低设计差错率，保证设计工程质量。

（7）先进的设计方法

随着设计手段和方法的进步，必然会带来设计质量的提高，这其中需要设计人员引进、学习、应用好先进的设计方法。实际工作中，设计人员受到生理、心理因素影响，导致设计项目出现差错，采取先进的技术手段能够降低设计偏差。广泛用于设计工作的计算机辅助设计CAD，提高了设计工作的质量和效率，减少了许多容易出差错的环节。因此，现阶段对设计工作者的基本要求就是需要熟练掌握CAD设计方法，提高设计工作者技能水平。

5 结 论

在石油化工装置设计过程中，首先要对装置潜在危险源进行分析，主要包括中毒、火灾与爆炸、反应性危险以及负压操作引起的危险，了解引起危险的源头，对相关危险要有相应防护预案措施。装置工艺安全设计主要需要考虑塔和容器的管线设计，泵的管线设计以及冷换设备的管线设计。工艺管道的安全设计需要考虑多个方面的因素，同时应当符合国家制定的标准。工艺缺陷的预防主要从设计工作者高超的技能水平、良好的工作态度以及丰富的设计经验等方面展开培训，切实保障设计工作的顺利、安全进行。

［1］张德姜.石油化工装置工艺管道安装设计手册［M］.北京:中国石化出版社，1994:104-112.

［2］SH/T 3059—2012石油化工管道设计器材选用规范［S］.

［3］GB 50160—2008 石油化工企业设计防火规范［S］.

［4］张志威.石油化工装置工艺管道设计的合理性探讨［J］.当代化工，2014，43（4）:611-613.

［5］王辉，梁风来，辛全礼.我国石油化工装置中工业金属管道的分类分级［J］.当代化工，2014，43（9）:1868-1872.

［6］孙秀敏，张敏.石油化工装置设计与安全［J］.甘肃科技，2009，25（3）:37-40.

［7］GB 50517—2010石油化工金属管道工程施工质量验收规范［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，陕西西安人，工程师，2005年毕业于北京化工大学化学工程与工艺专业，研究方向：主要从事石油化工工程设计工作。E-mail：wuyusunny@163.com。