化工工程中设备及管道布置的技术研究

引言

化工工程作为国民经济的重要支柱产业，其生产过程的安全性、高效性与稳定性关乎国家能源供应、材料生产及社会发展。设备及管道作为化工工程的核心组成部分，其布置技术直接影响着整个化工生产系统的运行效能。在化工生产中，设备及管道不仅承担着物料传输、化学反应等关键功能，还需应对高温、高压、腐蚀、易燃易爆等复杂且危险的工况。

一、化工工程中设备及管道布置的重要性

1.1 保障生产安全

化工生产涉及众多易燃易爆、有毒有害的危险化学品，一旦发生泄漏、爆炸等事故，将造成不可估量的人员伤亡和财产损失。合理的设备及管道布置是预防事故发生的重要防线。通过科学规划设备间距，严格遵循防火、防爆规范，可有效避免因设备过于密集导致危险蔓延。在石油化工企业中，将反应釜、储罐等危险设备分散布置，并设置足够的安全间距，同时搭配防火墙、防爆墙等设施，能够在事故发生时限制危险范围，降低连锁反应的可能性。

1.2 提高生产效率

合理工艺布置是提高生产效率的关健。工艺设备按照工艺流程的顺序进行布置，可以使物料的输送路线最短、最顺，减少物料在输送过程中所消耗的时间和能量。例如，合成氨生产过程从原料气制备净化合成分离等都按照工艺要求，将有关工艺设备连续排列起来，从而使物料通过管道能够直接地送往下一步工序，不需要物料的迂回输送，大幅度提高生产效率。设备布置合理，还可以减轻设备之间的相互干扰，保证各生产过程有条不紊地进行。方便操作和方便维护也对提高生产效率极为重要。为操作人员预留足够的操作空间和维修人员维修的空间以及相应的操作通道，方便操作人员在生产中进行日常的巡检，调整操作的工艺参数、及时消除设备的跑、冒、滴、漏和处理一些设备的简单故障。

1.3 降低成本

规范的设备和管道布置，能节约设备和管道的用料成本。合理布置设备和管道，计算和规划相结合，不随意设计，不超量用料。管径确定时，针对物料的物料流量、物料压力等，选型确定，不因管径过大，物料损耗而造成资源浪费，也能保证满足生产需求。在设备选择及布置上充分考虑到设备的互用性和互换性，减少设备使用种类和数量，减少设备采购成本。通过对施工、运营成本的节约为设备及管道布置取得的效益，规范的布置使施工操作简单，减少施工交叉作业和返工现象，缩短工期，节约了施工成本。运营中规范的布置，使设备和管道的运行稳定，减少了因设备故障产生的维修费用及停机费用的损耗。

二、化工工程中设备及管道布置技术研究

2.1 设备布置技术要点

根据化工生产的工艺流程需要决定设备布置原则，由于化工生产为连续生产，在设备布置中须做到按照物料的方向、反应顺序进行，确保化工生产的连续、稳定。必须考虑装置上下游设备能力匹配的设备布置原则，不能造成因设备能力和量不同造成生产过程的瓶颈，导致生产中断的不利局面。对于设备操作、维护的空间的预留，也是考虑设备布置时的重要内容，该空间主要考虑设备安装、拆卸、维护等操作空间需要的预留以及为设备检修配置操作平台和维修通道，便于操作人员使用和设备检修等。设备布置中要注意考虑操作空间的人体工程学等指标，对于操作中使用频次较高的操作部件等距离在布置中的设计，有利于缓解操作人员的劳动强度。根据设备功能、设备危险性、使用特点进行设备布置分区，有利于生产的平稳运行和管理的有效性，将储存危险介质设备比如储存易燃、易爆介质的设备布置在同一防护区域，使其与装置其他区域设置的安全防护措施。将需要经常操作的设备布置在人员经常观察和易于操作的位置，比如将经常需要进行观察、控制的设备和需经常检修和操作的设备靠近控制室进行布置；将危险性设备如储存易燃、易爆介质的设备和需要经常操作和监控、保养和维护的设备等分区分块布置，有利于人员对生产装置不同区域设备的管理操作。

2.2 管道布置技术要点

管道的走向以及相接管道是否合理会对物料的输送效率和管道的稳定性造成一定的影响，管道的布置力求简单和顺直，保证管道中弯头和连接管路少，可减少流体阻力的损失。管道的布置在输送高粘性物料时尽量做到大管径和少弯头的方式，能够减少物料输送的能量消耗。根据介质的类型以及物料输送操作等条件选择适宜的管道连接方式，管道中输送的是高温、高压、有毒、有害的介质，应当选择密封性好和强度足够的焊接方式连接管路，保证整个管道系统的安全性。管道的固定和支撑是保证管道运行稳定的措施之一。

2.3 设备与管道布置的协同设计

设备和管道的接口相适应是设备管口协同设计的前提，在管线设计中，设备管口的尺寸、压力等级和连接方式必须和其连接的管道完全相适应，包括设备管口尺寸要和其对应的管道管径相符，管道压力等级必须符合工艺管道运行所要求的压力等级，管道连接方式需要适宜和简便地进行安装和拆卸，设备管口方向和高度要适宜，管道布置要畅顺，避免不必要的管道转向和扭曲。空间布置相协调是设备和管道高效运行的必要保证，设备和管道应尽量减少占用空间来摆放彼此的管口位置，要避免空间上的相互干扰。

三、化工工程中设备及管道布置存在的问题

3.1 设计不合理

化工工程设备与管道设计环节中的工艺流程设计考虑不全面现象比较多。部分设计师在设计化工工程过程中，对化工生产工艺的了解比较片面，缺乏结合具体的生产工艺进行设备安置，致使设备安置不合理，物料传递流线较长。在精细化工工程中，由于设计师在设备与分离容器间的反应釜安排布置不合理，致使在物料传递过程中，需要物料多次流路变换，不仅增大发酵管长度以及物料传输的成本，还拖延生产的周期，降低了生产效率。部分设计人员在设计时，没有考虑到不同生产时期设备的操作需求，当生产负荷出现变化时，生产设备之间的物料平衡会被打破，进而引起生产故障，甚至生产中断。设备与管道安全间隙设计不足属于设计环节存在的主要缺陷之一。

3.2 施工质量问题

安装偏差作为化工工程设备管道施工工作中存在的普遍现象。化工工程中的设备管道施工在设备安装过程极易发生设备发生倾斜、水平度及垂直度不够等问题，大型塔器设备安装过程中垂直度偏差较大的情况会使塔器内气液分布不均匀，影响分离效率，使生产出来的物质质量下降。化工工程设备管道施工中管道安装存在问题的是，管道的坡度不符合设计要求，就会使管道内的介质流动不顺畅，出现管道积液、积气现象，会腐蚀管道、引起安全事故。在管道的焊接过程中，如果焊接过程中焊接参数设置不合理，就会导致焊缝的焊接接头未焊接密实或出现焊接接头未焊透、焊缝中存在夹渣和气孔的情况，影响焊接接头的强度，在焊接接头受到介质压力之后会造成管道泄漏甚至引起爆管的风险。焊接质量缺陷以及连接质量缺陷对化工工程的安全运转风险非常高。有的施工单位会为了提高经济效益而选用质量不达标的焊接材料、未对相关的焊接人员进行专业技能培训，就容易致使焊接质量达不到施工要求。化工工程管道系统在输送有毒有害性介质、易燃易爆性介质时，管道系统的焊接接头微小的焊接缺陷都可能导致管道系统内物质的泄漏造成环境污染或人员中毒、爆炸等事故。

3.3 后期维护管理困难

设备管道无维修通道和空间是化工工程设备管道后期设备管理面临的主要问题，因为在建设期间，一些企业为了追求建设成本的节约而未考虑到设备、管道后期的维护的需求而没有预留出足够的维修通道和空间。一些小型的化工企业为了让空间最大化，将设备进行密集性的铺设，管道纵横交错，很容易导致维修人员在靠近设备设施进行维护的过程中，有时还需要对这些密集的设备进行拆除和管路的拆除才能进入到相应的设备维护进行维修，这样不仅增加了设备维修维护的难度，还有可能延长设备设施的停机和检修时间，从而影响生产效率。同时因为狭小的设备管道维修空间还会增加维修人员的安全隐患，提高人身事故的发生概率。未进行有效的设备管道标识、资料管理造成整个设备管道维护管理工作的难度加大。在一些化工企业中设备管道的标识未按规范进行制作，或是标识不清晰、标识不完整，会导致一些工作人员和运行维修人员无法准确识别和辨认设备管道中所含物料的类别，无法正确辨认流动方向、压力参数等，可能会造成运行操作失误或维修人员的误操作以及维修事故。设备管道的安装图纸、维护资料管理混乱。

四、解决化工工程中设备及管道布置问题的策略

4.1 优化设计流程

在设计过程中加强前期设计调研，做好设备和管道的合理布置前提基础。设计人员需在设计阶段深入化工生产现场，做好与工艺技术人员、岗位操作人员沟通交流，全面掌握工艺生产的具体要求、生产物料的性质、生产工艺条件等要求。对于生产中包含腐蚀性物质的工序，设计人员需对介质的具体浓度、温度和压力等具体参数有所掌握，以便针对性地开展设备及管道材料选择、防腐设计以及布置方式等方面的合理设计。同时要对项目区域进行踏勘调研，熟悉生产场地的地形、地貌、气候和周围情况等场地情况，并对设备和管道的布置进行综合分析考虑，使设计方案既满足生产实际要求，又有利于项目场地地形的合理利用。先进设计软件和设计方法的引入，能有效提升设计质量和设计进度。借助三维设计软件如PDMS，AutoCADPlant3D 等进行设备和管道的可视化、参数化设计，可直观模拟布置效果，提前发现和解决设备和管道布置过程中存在的矛盾和冲突问题。借助仿真模拟软件可对物料输送、热量传递、应力分布等进行仿真模拟，对设备和管道设计的布置方法进行进一步优化，使其真正符合实际使用要求和运行。模块化设计理念的应用，能够将庞大的化工装置进行解构后，采用多个功能模块进行设计布置，提高设计的规范化和通用化水平，更有利于装置后期安装、调试、维护。

4.2 强化施工质量控制

提高施工人员专业技术水平。施工单位要定期开展以化工工程设备及管道安装专业知识、规范焊接标准、安装工艺技巧为主要内容的学习。请业内专家现场讲授针对化工设备、管道安装的注意事项和一些常见问题处理等；组织施工人员到较先进的项目上观摩学习，交流先进的施工经验和施工技巧。要建立施工人员的考核制度，对施工人员进行操作技能培训和考核，考核成绩合格者才上岗施工，确保施工队伍的专业技术水平过关，施工人员具有较高的施工质量和效率意识。三是严格施工过程监督检验工作。在施工过程中，要建立健全的监督、检验制度，明确指定专门的施工质量管理人员对施工全过程进行监督。要加强对一些重要工序和隐蔽工序的检验，比如对一些设备基础的验收、管道焊接质量检测、压力试验等要严格按照相关标准、规范进行认真验收，确保施工过程中每道工序都符合工艺设计的标准、要求。要加强先进检测方法、检测仪器等设备的引入，如对设备或管道质量进行无损检验的X、Y 射线照相技术，超声波探伤，利用超声波测厚仪对设备管道各部分厚度进行测量等检测方法，对一些施工完成的设备或管道的质量进行准确、快速的检测，及时查找出施工中存在的质量隐患。

4.3 完善后期维护管理机制

布置设备与管道设置通道与空间，要在设备与管道布置设计时遵循规定与规范，并在规划设备与管路的空间与通道，为后期的维护设置通道，在设备周围环形通道安排检修空间，便于检修设备与车辆通过，将多层的管路布置在不同高度层中，并合理安排两层管道之间的空间，便于维修人员的检査与维护，在管道布置尽量减少交叉与设备交叉，在进行设备布置时尽量减少设备的交叉；另外可以在检修空间较大的环境下再设置移动式的或者可拆卸式的障碍物，使得后期遇到大型检修维护情况时，空间调整灵活，便于后期的维护；统一标识与资料整理在后期设备维护管理中的另一个重要措施就是统一标识与整理相关资料，规范设备与管道的标识在后期使用时要使用不易磨损、不易腐蚀与不易褪色的材料进行标记，并要体现设备与管道的位置、名称、型号与流体介质名称及流向等，规范标识统一化。对于后期操作的设备与管道，设备与管道的资料进行合理的信息统计，利用信息化手段完成设备与管道的统一归档，后期形成电子档案或纸制资料，对所有的安装图纸、维护记录与检测试验报告等进行电子化存储，便于后期信息数据的查询；对后期的设备及管道资料标识、整体信息标识要经常更新，以此来保证信息资料的准确性，在后期的检修维护工作中能够提供较为全面的参考，更为科学、严谨。

五、化工工程中设备及管道布置技术的未来发展趋势

化工工程设备管线安装技术向智能性、绿色化与模块化的趋势演变，智能化方面可以利用传感技术、物联技术、大数据技术和故障预警等技术对设备和管路进行实时运行参数监控和故障预测以及自动运行参数优化布置，从而避免设备和管路的出现事故。可以根据物料流量与温度自动调节管线阀门开闭，优化物料输送效率，通过智能数学算法对设备进行自动化优化。绿色化方面，为落实绿色化工理念，实现环境和谐、可持续发展的目标，在未来工程中设备管线安装技术将更加注重设备管线安装过程中使用的材质与设计。在保障化工装置运行需求下尽量采用更加优良保温隔温材料来减少化工装置运行中产生的热量散逸、热量散逸损失从而减少不必要的能源消耗，利用合理的设备管线布置来缩短物料输送路程从而减少物料输送能耗、降低对周围环境的污染。模块化方面，化工装置可以按照标准化模块来拆分设备管线安装技术，可以将设备管线安装分组装于化工装置每一个标准化模块内，从而通过模块组装的化工装置方便快捷地加快施工速度，减少现场施工时间和成本，容易实现装置后续维护、升级换代和维修，即对于故障模块可以迅速更换，在避免化工企业停工损失的同时方便了化工装置后期生产和加工，提升了化工工