要实现一条压力管道安全、长周期地运行，同时又是最经济的，必须从设计、制造，安装和应用四个环节进行把握，而且缺一不可。所以对压力管道的研究也就是围绕着这四个环节进行的研究。
由上节的介绍可知，由于压力管道的操作条件、应用环境、应用时间、应用空间、制造和施工环节等方面的多样性，决定了管道研究的复杂性。它不仅涉及到金属材料学、金属腐蚀学、理论力学、材料力学、机械振动学、流体力学等基础学科，还涉及到了石油加工工艺学等工程学科。前者是研究问题的基础，而后者则是研究问题和解决问题的主题。显然，要全面、详细的在一本书中介绍这些问题是不现实的，而现实的工程中在各个环节上也都是有分工的。本书则试图从设计这个角度来介绍压力管道设计、制造、安装和应用等方面的基础知识和技术，这不仅因为设计这一环节贯穿了整个压力管道安全管理的全过程，而且它是实现压力管道技术先进、经济合理和安全可靠的基础。
一、设计
目前，在压力管道的工程设计中，无论是国内还是国外的工程公司或设计院，大家已普遍认同的是将压力管道工程设计分成管道布置、管道材料设计和管道机械设计三个部分，或者说分成这三个专业来完成。三个专业即相互独立又相互联系，它是一个内容中的三个分支，或者说是一个过程中的三个工序，管道材料设计是基础，管道布置是目的，而管道机械设计是保障。在过去的粗放型压力管道设计中，这种分工是不明确的，因此造成各设计单位对管道材料和管道机械方面研究的较少，从而使压力管道的设计表现为盲目性和经验性，而其科学性不足。目前，仍有许多设计单位对压力管道的管道材料和管道机械设计不够重视，人员也不配套。为此，中石化集团公司在压力管道设计认证中向各设计单位明确提出了应配置管道材料和管道机械专业专职或兼职技术人员的要求。作者认为这一要求是正确、及时的，因为管道材料和管道机械设计是压力管道设计的基础和保障，又是目前大多数设计单位的薄弱环节。
（一）管道布置
管道的布置设计一般是由管道布置（设计）工程师（以下简称为配管工程师）来完成的。
严格来讲，管道布置应包括装置布置和管道布置两部分，有的设计单位甚至将装置布置也单独划分为一个专业来完成，而更多的设计单位则是将它作为一个单独的设计环节。
装置布置是指将一个生产装置所用的机械、设备、建筑物、构筑物等按一定的规则进行定位的设计过程。它涉及到工艺流程要求，生产操作和检修要求，与四临关系的要求，所在地形、地貌和面积大小的要求，自然环境和生活环境的要求等。装置布置的好坏直接影响到装置的操作、检修、安全、美观和经济性，它对管道设计也起到一个宏观控制作用。因此，装置布置一般都是由富有管道设计经验的资深配管工程师来完成的。
管道布置是通过图纸来表示出管道位置、走向、支承等，并能满足工艺流程的要求，满足管道强度、刚度的要求，满足操作、维护、消防的要求等，最后给出管道及其元件的用量。
管道布置（设计）过程大致可分为以下三个环节，即配管研究、管道详细设计、设计文件编制及归档。
1、配管研究
配管研究首先要了解设计条件和用户要求，然后确定设计应用标准规范，并委托管道材料专业确定管道等级，最后进行管道走向、支撑、操作平台等方面的综合规划和布置，并将有关的、认为有必要的管道委托给管道机械专业进行力学分析。
a、设计条件
设计条件应包括装置建设的环境条件（如温度、湿度、风力、风向、雨雪、地震、地质、周边环境等）、工艺条件（如水、电、汽、风等公用工程条件、装置规模、介质性质、介质温度、介质压力、开仃工时间、操作工况等）、建设周期（如设计计划表、采购计划表、施工计划表和开工时间等）等。用户有时也常提出一些要求，如操作要求、安全消防要求、环保要求、器材标准要求、设计文件编制内容要求等。设计条件和用户要求都是设计的基础条件。合理的设计在于把这些条件中提出的要求赋以运用，既要十分重视这些要求，又要对某些要求进行适当的平衡，最终做到在技术、经济、安全等方面均为最佳。
b、管道等级
管道等级的确定属于管道材料研究的范围，将在下面介绍。
c、管道走向
管道的走向设计就是确定管道以怎样的一个空间、路径和形状把相关的设备连起来。良好的管道走向应该规则整齐，建设费用最低，运行起来安全可靠。具体设计过程中应考虑下面一些原则：管道的走向应满足工艺要求，距离最短，不妨碍操作和检查，不妨碍设备的检修，能够排凝排气，支架容易设置，热胀补偿容易进行等；多根管道在一起时应排列整齐，交错层次分明，并尽可能共用支撑。并排的法兰和阀门应相互错开以便于操作，并减少间距以节省占用空间。操作点应集中设置；多路管道的布置应对称布置，不能使各路介质相互干扰，或发生偏流。等等。
d、力学分析
管道柔性、支撑、防振等力学分析属于管道机械研究的范围，它也将在下面介绍。
2、管道详细设计
管道详细设计是在配管研究方案获得各方均认可的基础上所做的设计。从时间上来讲它分为委托资料阶段和施工图完成阶段。从内容上来讲它包括管道定位、阀门定位、操作平台设置、放空排凝设置、隔热设计、防腐设计、支撑设计、仪表元件定位、采样设计、图例标识及图幅安排等内容，并根据不同的进展阶段向相关专业提交有关资料。
a、管道定位
管道的定位就是在管道走向确定的情况下详细计算并确定管道的定位尺寸。在确定管道的定位尺寸时应充分考虑隔热及防腐等施工的影响，热胀位移的影响，法兰及阀门操作检修的影响，仪表元件对管道结构尺寸的要求，管道及其元件的安装空间要求，支承生根位置的要求等。
b、阀门定位
阀门的定位首先应满足工艺的要求，其次尚应满足操作、维护的要求，同时还应考虑防冻、防凝要求，大阀门的支承要求，管道振动、热胀等对阀门强度可靠性的影响等。
c、操作平台设置
操作平台的设置除满足管道的操作要求之外，尚应考虑设备上仪表、人孔、手孔、看窗等方面的操作维护要求，同时还应考虑设备部件、管件元件的检修要求，巡回检查要求，消防要求，照明要求等。操作平台一般是由相应的设备、加热炉、土建等专业设计，配管专业应向这些专业提供所需要的平台资料。操作平台的委托资料应包括平台的大小、平台荷载、梯子型式等内容。
d、放空排凝设计
放空排凝设计要满足管道开仃工时的高点排气、低点放凝的要求。管道在高点存气时会造成管道的气阻、相连泵的抽空或仃工时因燃气的积存而产生火灾危险等，而管道在低点存液时会造成介质的凝冻或仃工时因燃油的积存而产生火灾危险等。因此，对于管道的高点和低点应设置相应的排气或排凝设施。在进行管道的高点排气或低点排凝设计时，尚应考虑对环境污染的问题。
e、隔热设计
管道隔热的目的是为了减少管道在运行中的热量或冷量损失，以节约能源；避免、限制或延迟管道内介质的凝固、冻结，以维持正常生产；减少生产过程中介质的“温升”或“温降”，以提高相应设备的生产能力；防止管道表面的结露；降低和维持工作环境温度，改善劳动条件，防止因热表面导致的火灾和防止操作人员烫伤。管道的隔热设计就是通过选取适当的隔热材料和隔热厚度以满足上述的要求。
f、防腐设计
防腐设计是通过选取适当的防腐涂料和防腐结构，以达到管道及其元件免遭环境腐蚀的目的。在选择防腐涂料时，应考虑它与被涂物的使用条件相适应，与被涂物表面的材质相适应。防腐涂料的底漆与面漆应正确配套，并且要求所选涂料应经济合理，并具备施工条件。
g、支撑设计
支撑设计应满足管道强度和刚度的需要，同时尚应能有效地降低管道对机械设备产生较大的附加载荷，防止管道的振动等。管道的支撑设计包括支撑型式的选用、支撑件材料的选用、支撑件强度的计算、生根点的载荷委托等方面的内容。
h、仪表元件定位
仪表元件的定位应满足仪表元件的操作、观查、维护等方面的要求，同时尚要考虑仪表元件对管道结构尺寸的要求（如孔板前后的直管段要求）、仪表附属元件对操作空间的要求（如浮球液位计对空间的要求、仪表箱开启对空间的要求等）等。
i、采样设计
采样设计应满足操作方便的要求，同时尚应考虑采样时的危险性、采样介质的新鲜性、对环境的污染以及防冻防凝的要求等。不同的介质，其采样位置、接头方式和采样设施有所不同。
j、图例标识及图幅安排
图例的标识及图幅的安排应符合绘图规范的要求，并便于识别。图面应清晰整洁，线条分明，表达完整，与相关设计文件的连接表达清楚等。
k、委托资料
在管道详细设计的各阶段，应陆续向相关专业提交有关的委托资料。这些资料大致包括设备开口位置、建构筑物的型式及结构尺寸、设备附加管道重量及偏心情况（有时是与有关专业一道向土建专业提供设备基础荷重资料）、管架上的管子重量及可预见的管子推力、平台梯子资料、建构筑物开孔埋件资料、照明资料、给排水点资料、排污点资料、仪表元件位置资料、工程实物量（给技术经济专业）等。
3、设计文件的编制及归档
在完成管道的详细设计之后，应编制相应的文件资料，使它与管道设计图纸一起组成一个完整的管道设计文件。这些文件资料应包括资料图纸目录、管道设计说明书、管道表、管道等级表、管段材料表、管道材料表、管道设备规格表、管道设备规格书、管道支吊架汇总表、非标管道设备图、非标支吊架图等。
a、资料图纸目录
资料图纸目录分区域目录和装置目录两种。如果该装置不分区，可只编装置目录。资料图纸目录应包括该装置中管道设计专业编制的所有图纸、文件资料和复用设计文件资料的目录，并按照文字资料、图纸、复用文件的先后顺序编排。
b、设计说明书
管道设计说明书应包括管道的设计原则、设计思路、执行规范、典型配管研究、典型的管道柔性设计数据、与仪表专业的分工、识图方法（图例）、施工要求、采购要求、其它要说明的问题等。
c、管道表
管道表是指由工艺专业提供的带有管道号、管道起止点、管道操作条件（介质、介质操作压力和操作温度、隔热要求等）并留有供管道设计专业添加相应内容的管道明细表。管道设计专业在工艺专业提供的管道明细表基础上确定管道的设计条件、试验条件、管道等级、隔热数据、施工等级、压力管道类别等内容，并存入管道设计文件中。
d、管道等级表
管道等级表是针对一系列介质条件而编制的管道器材应用明细表。它包括等级号、设计条件（设计压力、设计温度和介质）、管道公称压力等级、管道壁厚等级、管道元件材料、管道元件型式、管道元件应用规范和材料规范等内容。一般情况下，管道等级表是由管道材料工程师完成的。
e、管段材料表
管段材料表是对应于管道平面图的一个设计文件资料。当该装置采用“平面图+管段图”的出图方式时，该文件直接出现在管段图上而不需要另出文件资料；当该装置采用“平面图+详图”的出图方式时，则对应于每一张平面图应有一组管段材料表。平面图上的每一个具有独立管号的管段，它所需要的所有管道器材元件（包括管子、管件、阀门、隔热材料、防腐材料等）的数量及其属性都应在管段材料表上一一给出。管段材料表是管道施工的重要文件之一。
f、管道材料表和管道设备规格表
管道材料表和管道设备规格表是管段材料表的分类汇总，是采购和备料的重要设计文件。前者主要包括了管子、弯头、三通、大小头、管帽、加强管嘴、加强管接头、异径短节、螺纹短节、管箍、仪表管嘴、漏斗、快速接头、法兰、垫片、螺栓/螺母、限流孔板、盲板、法兰盖等管道器材元件的分类汇总。后者则主要包括了阀门、过滤器、疏水器、视镜、弹簧支吊架等管道器材元件的分类汇总。值得一提的是，在1998年石化集团公司进行的压力管道设计认证中，发现许多设计单位在进行管道元件的属性描述时，存在缺项描述的现象，这样做很容易造成采购和制造上的错误。完整的描述应包括管道元件名称、结构型式、规格、数量、压力等级（或壁厚等级）、连接方式、材料、材料规范、应用标准及其它需要说明的属性等内容。另外，作为装置的管道材料表和管道设备规格表还应计入施工损耗附加量。
g、管道设备规格书
管道设备规格书是一个采购用的设计文件，当管道设备规格表不能完全表达管道设备的属性时，应编制该文件。管道设备规格书除给出上述管道设备规格表所包含的内容外，尚应给出设计条件、详细结构描述、分解零部件材料等特殊要求。有时，管道设备规格书并不纳入出版的设计文件中，而是作为订货技术文件编入采购时的订货技术附件中。
h、管道支吊架汇总表
管道支吊架汇总表是将装置中采用的支吊架进行分类汇总的一个设计文件，它为支吊架的采购和工厂预制提供了方便。
i、非标管道设备图和非标支吊架图
非标管道设备图和非标支吊架图是针对标准之外的管道设备和支吊架而绘制的制造详图。这一类图纸不宜太多，换句话说，应鼓励选用标准的管道设备和支吊架，这样做有利于降低工程投资，加快设计、制造、施工等各阶段的进度。
从上面的介绍中可以看出，管道布置是一个繁杂而细致的设计过程，它占据了整个管道设计过程中的大部分工作量。但是客观上讲，管道布置在整个管道设计过程中并不是一个难点，也不涉及太深奥的理论，而相对来说，管道材料和管道机械设计则比较难，对管道的安全性影响也比较大。因此，本书在对管道布置进行了一般的介绍之后，在下面的内容中将不再展开介绍。有关的手册和标准都已对管道布置作出了详细的规定，有兴趣的读者可参阅这类的书籍、手册和标准。
（二）管道材料
管道的材料设计一般是由管道材料工程师（以下简称为材料工程师）来完成的。
管道材料是整个管道设计过程中的基础部分，它直接影响到压力管道的可靠性和经济性。因此，许多法规性的标准如ANSI B31.1、ANSI B31.3、ANSI B31.4、SH3059等都是主要针对管道材料的设计编写的，即将出台的“压力管道安全技术监察规程”也将主要围绕着这部分内容进行规定，本书也将以炼油装置用压力管道为主要对象对这一部分内容进行详细介绍。管道的材料设计涉及到管道器材标准体系的选用、材料选用、压力等级的确定、管道及其元件型式的选用等内容。这些内容将在第二章、第三章、第四章和第五章中陆续介绍。
（三）管道机械
管道的机械设计一般是由管道机械工程师（以下简称为机械工程师）来完成的。
管道机械研究的核心是管道的机械强度和刚度问题，它包括管道及其元件的强度、刚度是否满足要求，管道对相连机械设备的附加载荷是否满足要求等。通过对管系应力、管道机械振动等内容的力学分析，适当改变管道的走向和管道的支撑条件，以达到满足管道机械强度和刚度要求的目的。可以说，管道机械设计进行的好坏，直接影响到管系的安全可靠性。
根据作用载荷的特性以及研究方法的不同，可将管系的力学分析分为两大类，即静应力分析和动应力分析。静应力分析的对象是指外力与应力不随时间而变化的工况。动应力分析的的对象是指包括管道的机械振动、管道的疲劳等外力与应力随时间而变化的工况。管道的支撑设计一般是随着管道布置由配管工程师完成的，但它与管道的机械强度息息相关。当管道的力学分析不能满足要求时，往往要通过调整支撑的数量和位置、支撑的方式等使其满足要求，因此管道的支撑设计在此也列入管道机械研究的范畴。这些内容将在第六章、第七章和第八章中介绍。
二、制造
管道及其元件制造研究的内容包括：管道元件产品的设计、制造工艺的确定、生产设备的配置、生产体系的建立、质量控制体系的运作以及售后服务等内容。其中，产品的设计应包括强度设计和结构设计，使产品从使用性、可靠性、经济性等方面最大限度地满足装置生产的需要；制造工艺的确定包括工艺流程和制造工序的安排、各工序的控制参数和控制指标的确定等内容。通过合理的制造工艺来保证获得质量良好的产品；生产过程中应用的控制文件和管理措施是生产软件，而生产设备的配置则是生产硬件，没有先进、配套、完整的生产设备，是生产不出高质量的产品的。目前，我国众多的制造厂与国外相比，比较大的差距就是设备配置较差；生产体系是指生产人员的配置和运作方式，它是生产过程中的系统软件。生产体系不健全，生产管理跟不上，要生产出高质量的产品是不可能的。我国众多制造厂存在的最大问题就是生产管理比较差；质量控制体系是生产过程中的执行软件。一个完善而又可操作性好的质量控制文件是保障产品质量的前提。目前，国内和国际上比较流行的ISO9000系列质量控制标准就是一个比较好的质量控制文件；售后服务是指制造厂对其售出产品质量问题的处理、备品备件的供应、用户使用信息或意见的反馈等所作出的响应。良好的售后服务应做到急用户之所急，想用户之所想，及时处理用户提出的有关问题。
采购也是装置建设过程中的一个重要环节。对于采购工程师来说，如何花较少的钱而买到可靠甚至是最好的产品是他考虑的主要问题。要达到这样的目的，采购工程师就应对产品的使用条件、性能特点、制造商的生产状况和产品等进行了解，并编制出完善的采购文件。
需要指出的是，压力管道及其元件的制造已形成标准化、系列化，而且都有相应的制造标准或材料标准作支持。工程学的典型特点之一就是标准化、系列化，因此无论是设计还是制造等都应遵循这一原则。
三、安装
从实物工作内容上来讲，施工安装研究的问题包括安装前管道元件的质量抽检、预制及组装、焊接、检查试验、清洗吹扫、除锈防腐、隔热等内容；从施工管理上来讲，安装研究的问题包括熟悉施工图设计文件，编制施工工序和施工方案，安排施工计划、施工机具和作业人员，操作工人的技术培训和劳动保护等。
质量抽检是指施工前对即将安装的管子及其元件进行的性能和质量抽检，它包括材料的交货文件检验、材质化学成分化验、机械性能检验、阀门密封性能试验、结构尺寸检验、表面缺陷检验、内部缺陷的无损检验等内容。应该说，交货产品的性能和质量应由制造商保证，而无须到现场后再进行有关目视检验以外的检验。然而，结合我国的实际情况，许多施工规范还是规定了的一些抽检项目，以保证管道元件的可靠性。
预制及组装是指按施工图纸等设计文件要求，将所有参与连接的管道元件进行装配或预制。它包括管子的切割、煨弯、分支开口、加工焊接坡口等内容。有条件的施工现场可以在车间或地面进行部分组焊，以减少高空中的焊接数量。
焊接是施工过程中最重要也是劳动量最大的工作。焊接质量的好坏直接影响到管道的安全性和使用性。焊接过程常伴随着金属的熔化与凝固，它是一个复杂的物理、化学、冶金反应的综合过程，对这一过程的影响因素比较多，如果控制不好会导致连接的可靠性大大下降。焊接考虑的内容包括焊接接头坡口型式制作、焊接工艺的制定、焊接材料的选用、焊前预热及焊后热处理规范的选用等内容。
检查试验包括焊接前后的无损检验、管系的压力试验、泄漏性试验等内容。
清洗吹扫包括管道的水洗、蒸汽吹扫、化学清洗、煮炉等内容。
除锈防腐包括管道的表面除锈、表面涂漆及地下管道的包覆防腐等内容。
隔热包括管道的保温、保冷、伴热、防烫等施工内容。
熟悉施工图设计文件对施工人员来说是必须的，这是因为施工工程量的计算、施工机具的配置、施工人员的安排、施工消耗量和施工方案的确定、施工工序及施工作业计划的编制等都是依据施工图设计文件而进行的。
施工方案、施工工序和施工计划等都是施工作业中的运行软件，一个详细、完整、切实可行的运行软件对于保证施工质量、施工进度都是至关重要的。
施工机具和施工人员都是保障施工质量和施工进度的硬件。先进齐全的施工机具和训练有素的施工队伍是保证施工质量的基本条件。
施工人员的劳动保护和人身安全也是施工中一个值得重视的问题，因为现场施工劳动条件差、高空作业多、参与人员多，从而潜伏着事故多发的危机。现场施工的管理者应研究这些问题，并采取切实可行而且有效的措施。
四、应用（运行）
从安全监察管理方面来讲，压力管道运行使用包括的内容有运行前的检查、运行初期检查、在线监测、未期检查和事故的呈报及分析等。从过程上来讲，它所涉及的内容包括运行前的准备、单机试运、水联运、油联运、正常运行和仃车等；除此之外，压力管道的运行过程还涉及到了生产操作人员的技术培训、操作手册的编制、岗位操作规程的建立以及操作人员的管理等方面的内容。
开车前的检查主要包括设计竣工文件、采购竣工文件、施工竣工文件的检查和确认，并现场检查设计漏项、工程质量隐患和未完成的工程。对查出的问题定任务、定人员、定措施、定时间，限期整改，以保证一次开车成功。
开车初期的检查包括开车前对所有压力管道登记造册，记录相关的原始数据（包括管道位置、壁厚、状态等），开车后校对与温度、压力有关的数据变化，并判断其安定状态。
在线监测是指定期或不定期地检测运行过程中有关压力管道数据的变化，或借助于先进的检测手段（如声发射、红外线等）对生产过程中的压力管道使用状态进行监控，判断其安定性。
未期检查主要是指通过对压力管道有关数据的检测，并依据有关数据对压力管道在持续工作下的寿命进行评估。它主要包括管道元件在压力、温度和介质作用下壁厚减薄后的强度分析、材料裂纹的产生与扩展分析、材料在腐蚀介质作用下的改性分析等。
事故的呈报及分析应按《压力管道安全管理与监察规定》的要求进行。
对于装置的单机试运、水联运、油联运、正常运行和仃车等，操作人员应编制相应的开车方案，并在开车前结合开车方案对生产操作人员进行技术培训。
思考题：
1、压力管道设计环节中，通常分哪几个分支进行？
2、试述装置布置研究的内容主要有哪些？
3、试述管道布置研究的内容主要有哪些？
4、开展管道设计时应具备的条件有哪些？
5、在确定管道走向时应遵循的原则有哪些？
6、在进行详细管道设计时，应编制的设计文件有哪些？
7、试述管道材料研究的内容主要有哪些？
8、试述管道机械研究的内容主要有哪些？
9、试述管道施工研究的内容主要有哪些？
10、试述管道运行研究的内容主要有哪些？
