『海川翻译组原创』关于管道/管线设计压力的长期辩论

chaofans · 发表于 2018-1-17 16:14:38

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英文题目：The Perennial Debate On Piping / Pipeline Design Pressure
原文链接：https://www.cheresources.com/inv ... ne-design-pressure/
原文作者：ankur2061
翻译员ID：@双木_DTQO
校对员ID：@zhdw0906

   我已经数不清多少次就管道/管线设计压力的话题辩论和争论。“Cheresources”本身就有数十个以此主题相关的帖子。我现在坚信，大多数问题在流程设计中没有唯一的解决方案。你可以有多种设计方案，每种方案都有其优缺点，工艺工程师需要根据最终用户的意愿和需求采用设计方案。但是，每当过程设计工程师提出设计解决方案时，他（或她）应该知道其提出解决方案的所有优缺点，从终端用户或操作员的角度对设计方案的各个方面进行评估，如安全性、操作简洁性、设计寿命和经济性。
   我们回到管道/管道设计压力的话题。决定（或敲定）设计压力主要有两种方法。
   1. 基于离心设备的起跳压力设计问题。这种情况对于离心泵来讲更为普遍。然而对于离心式压缩机来说，这有些棘手，因为需要根据整个压缩机曲线上的喘振极限曲线来确定设计压力。简单的办法是在初步设计阶段就考虑到离心泵的最大吸入压力或压缩机额定流量下正常压差，并在此基础上留有一定余量（如1.25或者1.3倍）。这种确定离心设备出口管道设计压力的方法在许多工程公司的设计过程中经常被采用，通常也较为有效。
   那么，对于容积式设备（Positive Displacement machines，PD）该如何设计呢？对于恒定容积设备，即使出口管道堵塞，设备也会保持流量继续向连接的管道排出。使得管道蹩压，最终导致PD电机停转和/或管道损坏（破裂/变形）。因此，对于PD设备来讲，没有真正意义的起跳压头或压力的概念，因为这里的起跳压力是随着压力的不断增加直到电机停转和/或管道及法兰垫圈泄露时的压力。因此，前文关于离心设备设计压力的选用方法在PD设备中不可用。
   在PD设备出口会加设安全阀（Pressure Safety Valves， PSVs），并设置一个压力来保护整个出口系统，包括管道和系统中其他的部件，以免受到破坏性超压。PSV的压力设定有多种方法。可能安装多个PSV保护处于同一设计压力下排放系统的不同部分，并设定相同的压力。如果系统中存在较低设计压力等级的设备，则可以为该设备单独安装PSV，将其设定压力设定为设备的设计压力。另一种方法是对系统进行整体考虑，即把包括管道和连接设备的整个系统设定相同的设计压力。对系统进行全面评估，并尽量减少系统中的截止阀或隔离阀，就能得出系统所需泄压装置的最少数量。
   重点要注意，如果两个隔离阀或截止阀之间充满液体时堵塞，则必须为该部分提供用于热膨胀的压力释放装置。这句话的关键是管内空间充满了液体。而这种方法不适用于处理充满气体管道的堵塞。

   2. 基于以ASME B16.5（以前的ANSI B16.5）中规定的英制管道等级和以的力-温度等级为标准设计的情况。对于年轻的工程师，ASME B16.5是“管法兰和法兰管件”的美国标准。虽然这个是美国标准，但它在管道设计和工程中已经被普遍接受。ASME B16.5确定设计压力的基本前提，也是普遍成立的，法兰是任何管道系统中最薄弱的环节，而任何系统的可靠性都取决于系统中最弱的部件。我个人觉得这是根据给定的设计温度来确定任何管道系统设计压力值的一个更合适的方法。
   ASME B16.5有丰富的管道压力等级表（包括不同温度、压力和材质）。管道压力等级从150＃开始直到2500＃。材质通过编号分类，比如从1.10到1.18， 2.1到2.12，以及3.1到3.19。可以通过插值来寻找两个给定温度值之间温度相应的其他参数。
我们来举个例子：

管道额定等级：300#
材料类别：1.1（这个材料类一般为碳钢）
设计温度：80℃
设计压力：47.5 barg（根据ASME B16.5计算）

   B16.5中材料类别1.1的压力-温度等级是第一个表格。50℃的温度下对应的压力为50.1barg，100℃下对应的压力为46.6barg。对应80°C，差值计算对应的压力是47.6 barg。

   如果我必须在材料类别为1.1的300＃管道上选择一个PSV（通常称为“热安全阀”或“热膨胀安全阀”），用于保护系统因堵塞和管道或管线中截留液体的液压膨胀情况，我建议设定压力值为47.6 barg。

   因为可提供灵活的操作，这种确定设计压力的方法即使对于离心泵也是很好的。例如，大多数离心泵制造商会提供3种不同的叶轮对应于三种特性曲线的情况。如果由于操作灵活性的原因，更换叶轮使泵具有更高的压头，则最初基于额定叶轮的起跳压力计算出的设计压力而设定的泄压装置将是没有用的，并且要求PSV在更换泵的叶轮后（具有更高的压头）设置新的更高的压力值。

   我认为通过全面评价泵出口管线（包括管道、管件和设备）系统来确定设计压力是一个很好的工程实践，即设计压力与泵出口所有管道或管线的压力一致。对于系统完全评级的高成本可能有争论，但重要的是要记住，在人员安全，环境危害和生产损失方面，任何失败都有自己的成本，而且在大多数情况下失败成本大于评级成本。没有完全评级的系统也需要详细的故障模式和影响分析研究来确定需要额外的保护措施来保护系统的完整性。

   尽管我已经明确地提到了我对于全部评价管路系统的倾向，在井口油/气的流线的工业实践中是不评价节流阀的下游。基于上游节流阀的长距离流量管线的全面评估成本将是天文数字。采用SIL等级的“高完整性压力保护系统”（HIPPS）来保护井口节流阀下游的流量管道，以防由于阻塞阀故障而遇到高压。 API 14C提供了在上游油气装置（包括井口流动管线）中安全系统的建议。