液体化工码头中管道清管转换器设计

乔剑华，杜兴元

（1.中交第一航务工程勘察设计院有限公司，天津 300222；2.天津港股份有限公司，天津 300461）

0 引言

近年来，我国石油、化工、医药等行业对化工品需求大增，促使液体化工码头的建设。液体化工码头具有装卸货种种类繁多、单次装卸量相对较少、质保要求高等特点，为保证物料的数量和质量，多采用清管扫线的方式对工艺管道进行清空作业[1]；同时，投资方往往希望所建码头具有公用性，满足多个库区服务或多个码头均可服务于一个库区，以提高码头的利用率，实现利润最大化[2]。管道清管转换器能实现4根管道间互换连通、转换且满足清管球通过，近年来在液体化工码头得到使用。鉴于目前国内使用管道清管转换器的工程较少，对其设计进行交流研究具有一定意义。

1 常用的清管方式及其限制

因液体化工码头装卸作业的不连续性，决定了码头工艺管道的间歇运行。当管内物料易自聚、易变质、保量要求高或需更换管内物料的种类时，需将管内的物料进行清空。常用的管道清空方式是在管道上设置收发球设备，利用氮气或压缩空气作为动力，推动清管球将管内物料吹扫至陆域储罐或船舱[1]。

码头常用的清管球有橡胶清管球、聚氨酯泡沫清管球、碟形皮碗清管器、双向直板清管器。橡胶清管球是由橡胶制成，主要用于清除管内积液或分隔介质；聚氨酯泡沫清管球具有较好的弹性、韧性和耐磨性，通过能力强，即使发生卡堵也可依靠其高变形性克服，或提高压力使其破裂自行解堵，近年在液化码头应用较多；碟形皮碗清管器通过能力优于双向直板清管器，主要用于清除管道内积液、粉尘等污物；双向直板清管器清除能力优于碟形皮碗清管器，特别是能有效清除管道内悬浮污物，可以双向运动，清管效率较好[3]。具有清管功能的管道，常采取如下措施避免清管球卡堵：1）使用全通径阀门；2） 阀门处于全开位置；3）管道弯头半径大于清管球允许通过的最小半径；4）因清管球通过具有方向性，只能在一条管道内行走，为确保清管球顺利通过，不宜设支管，如必须设置支管时，支管的三通应设有防护挡条[3]。

当一个码头连接多个库区或多个码头服务于一个库区时，通常需将一条管道与多条管道相连接，如采取常规的焊接连接方式，就形成了一个具有多分支的管道系统。受清管球通过方向性的限制，此种多分支管道只能在其最长管段间利用清管球进行清空，其余支管只能采用放空方式清空，因此这种多分支管道的清管作业非常困难。

2 管道清管转换器的设计

鉴于多分支管道清管作业困难的情况，管道清管转换器作为一种新型管道连接设备开始得到应用。管道清管转换器使原本为多分支的管道系统，变成了只用1个弯管接头连接2条管道的系统，它的使用既可实现4根管道间互相连通转换，又可满足清管球的顺利通过，还可避免管道转换时残液四处滴溅，其连接方便安全，有利于作业安全、环保[4]。

2.1 管道清管转换器组成及工作原理

管道清管转换器是由底座和弯管接头组成。底座由对焊法兰、无缝钢管、管道间水平支撑结构、垂直支撑结构、底板、围埝结构、残液收集管及其法兰组成；在底板上按管道布置要求开洞，将4根无缝钢管穿过开洞后与底板焊接，在无缝钢管的顶端焊接对焊法兰，无缝钢管的另一端连接需要转换的管道，在底板四周焊接围埝结构，底板一角焊接残液收集管及其法兰，最后再焊接垂直支撑结构和管道间水平支撑结构；弯管接头由对焊法兰、2个满足清管球通过的90°弯头、直管和吊板组成。

根据清管球通过要求，选择合理弯曲半径的90°弯头和直管焊接成180°的弯管接头；用底板、管道间水平支撑结构抵抗管道热胀冷缩产生的推力，并将需转换的4根管道进行固定，使其法兰的位置相对固定，确保在连接弯管接头时方便省力；在底板四周焊接一定高度围埝结构，使之与底板一起构成一个封闭空间，再在底板一角焊接残液收集管及其法兰，且使底板坡向残液收集管，可方便收集拆卸弯管接头时滴落的液体。

使用弯管接头连接底座上需要转换连通的法兰，并利用螺栓、螺母等紧固件固定，在法兰间加装垫片以保证其密封性，从而实现管道转换；因管道清管转换器为钢管连接且弯管接头的弯曲半径较大，可确保清管球的顺利通过。

2.2 管道清管转换器设计要点

管道清管转换器的设计需要根据工程条件、使用条件合理确定其尺度及荷载，以确保连接安全、可靠。

应根据工程条件首先确定底座上管道的口径、材质、壁厚、法兰等级、法兰系列等；然后根据清管球通过要求、安装空间、操作空间等，确定弯管接头尺寸、底板尺寸及开洞位置；再根据码头管道布置情况计算出管道间的推力，设计管道间水平支撑结构、垂直支撑结构；最后设计围埝结构、接残液收集管及其法兰等。

3 工程实例

天津港大港港区（南港）泰奥石化仓储物流项目码头一期工程中的5号、6号泊位上设计了若干管道清管转换器，以此为例进行说明[5]。

3.1 工程概况

5号、6号泊位建设规模为1.0万吨级泊位，为栈桥式两侧靠船码头，设计船型为1 000～10 000 DWT油船和化工品船，装卸货种包括4种成品油和12种化工品，总运量为140万t/a，并在栈桥前端预留2个5.0万吨级液体化工码头和2个10.0万吨级油品码头。业主要求工艺系统适应性好、专管专用、工艺管道要通球、近期与远期相结合等。

3.2 工艺设计方案

清管球行程为：5号（或6号）泊位清管阀→5号（或6号）泊位管道→管道清管转换器→栈桥工艺干管→库区管道→库区收发球设施。

3.3 管道清管转换器设计

1）根据码头管道设计情况，确定转换器中选用SH/T 3406—1996《石油化工钢制管法兰》中DN200、PN2.0钢制对焊突面法兰。

2）根据清球通过要求，确定弯管接头中选用3D半径的90°弯头，根据弯管接头尺寸、法兰的螺栓孔情况，确定底板尺寸为1 290 mm×1 290 mm的正方形钢板，将4根管道分别布置在底板四角，根据管道间距离设计2种尺寸的弯管接头，用于连接4根管道中的任意2根，具体尺寸如图1、图2所示。

图1 管道清管转换器立面图Fig.1 The vertical view of pipeline pigging converter

为了工艺系统适应性好，增加其灵活性，5号、6号泊位均设4根DN350成品油管道，15根DN200化工品管道，并预留6条管道位置；为了减少工程投资，输送同一物料的管道在栈桥处共用干管，减少管道数量的同时又不影响工艺系统的灵活性；装卸设备选用软管；收发球设备选用清管阀；成品油管采用管道最远端安装清管阀清管的方案，化工品管道采用设置管道清管转换器对各管进行转接后清管的方案、并在各管端头安装清管阀。

管道清管转换器的使用实现了多管道间连通、转换，可确保清管作业顺利完成，还可实现5号、6号泊位间“船－船直取”作业。

化工品装卸船流程：库区储罐→装船泵→栈桥工艺干管→管道清管转换器→5号（或6号）泊位管道→软管→船舱；船舱→船泵→软管→5号（或6号）泊位管道→管道清管转换器→栈桥工艺干管→库区储罐。

船－船直取流程（以5号泊位卸船至6号泊位装船为例）：A船船舱→A船船泵→5号泊位软管→5号泊位管线→管道清管转换器→6号泊位管线→6号泊位软管→B船船舱。

化工品清管流程：利用氮气推动清管球清管，

图2 管道清管转换器底座、弯管接头示意图Fig.2 Sketch map of pipeline pigging converter base and bend joint

3）根据软管架、工艺管廊布置等情况确定将装卸区内的管廊增加1层用于集中安装管道清管转换器。为了管道连接方便，将化工品管道安装在栈桥管廊顶层；为了吊运弯管接头方便，在软管架间设1台电动防爆单梁起重机。现场实景如图3所示。

图3 管道清管转换器现场实景Fig.3 The site photo of pipeline pigging converter

4）根据码头管道间推力情况，设计管道间水平、垂直支撑结构，设计围埝结构、残液收集管及其法兰等。

用弯管接头连接底座上需转换的2个法兰，在法兰间加装垫片后，利用螺栓、螺母等将其固定，实现管道转换。

3.4 管道清管转换器与清管分配阀对比

清管分配阀是一种可满足清管球通过的三通球阀，近年来在石化行业中得到使用，它可实现O—A、O—B之间的管道转换且满足清管球通过要求，受阀门球体流道设计的限制，其对清管球的允许通过半径要求较严。管道清管转换器与清管分配阀对比情况（以DN200碳钢管道转换为例）见表1。清管分配阀剖视图见图4。

表1 管道清管转换器与清管分配阀对比表Table 1 The contrast table of pipeline pigging converter and pigging distribution valve

图4 清管分配阀剖视图Fig.4 The sectional view of pigging distribution valve

从投资、运营的可靠性和流程的灵活性等方面分析，管道清管转换器优于清管分配阀。

4 结语

管道清管转换器是一种新型管道转换连接设备，其连接安全、操作方便，可有效收集管道转换时的残液，避免了转换时管内残液四处滴溅而带来的安全隐患及环保问题，有利于作业安全及环境保护，解决了液体化工码头中多分支管道清管作业困难的问题。本文介绍了管道清管转换器的设计情况，可为同类工程设计提供参考。