要實現一條壓力管道安全、長周期地運行，同時又是最經濟的，必須從設計、制造，安裝和應用四個環節進行把握，而且缺一不可。所以對壓力管道的研究也就是圍繞著這四個環節進行的研究。
由上節的介紹可知，由于壓力管道的操作條件、應用環境、應用時間、應用空間、制造和施工環節等方面的多樣性，決定了管道研究的復雜性。它不僅涉及到金屬材料學、金屬腐蝕學、理論力學、材料力學、機械振動學、流體力學等基礎學科，還涉及到了石油加工工藝學等工程學科。前者是研究問題的基礎，而后者則是研究問題和解決問題的主題。顯然，要全面、詳細的在一本書中介紹這些問題是不現實的，而現實的工程中在各個環節上也都是有分工的。本書則試圖從設計這個角度來介紹壓力管道設計、制造、安裝和應用等方面的基礎知識和技術，這不僅因為設計這一環節貫穿了整個壓力管道安全管理的全過程，而且它是實現壓力管道技術先進、經濟合理和安全可靠的基礎。
一、設計
目前，在壓力管道的工程設計中，無論是國內還是國外的工程公司或設計院，大家已普遍認同的是將壓力管道工程設計分成管道布置、管道材料設計和管道機械設計三個部分，或者說分成這三個專業來完成。三個專業即相互獨立又相互聯系，它是一個內容中的三個分支，或者說是一個過程中的三個工序，管道材料設計是基礎，管道布置是目的，而管道機械設計是保障。在過去的粗放型壓力管道設計中，這種分工是不明確的，因此造成各設計單位對管道材料和管道機械方面研究的較少，從而使壓力管道的設計表現為盲目性和經驗性，而其科學性不足。目前，仍有許多設計單位對壓力管道的管道材料和管道機械設計不夠重視，人員也不配套。為此，中石化集團公司在壓力管道設計認證中向各設計單位明確提出了應配置管道材料和管道機械專業專職或兼職技術人員的要求。作者認為這一要求是正確、及時的，因為管道材料和管道機械設計是壓力管道設計的基礎和保障，又是目前大多數設計單位的薄弱環節。
（一）管道布置
管道的布置設計一般是由管道布置（設計）工程師（以下簡稱為配管工程師）來完成的。
嚴格來講，管道布置應包括裝置布置和管道布置兩部分，有的設計單位甚至將裝置布置也單獨劃分為一個專業來完成，而更多的設計單位則是將它作為一個單獨的設計環節。
裝置布置是指將一個生產裝置所用的機械、設備、建筑物、構筑物等按一定的規則進行定位的設計過程。它涉及到工藝流程要求，生產操作和檢修要求，與四臨關系的要求，所在地形、地貌和面積大小的要求，自然環境和生活環境的要求等。裝置布置的好壞直接影響到裝置的操作、檢修、安全、美觀和經濟性，它對管道設計也起到一個宏觀控制作用。因此，裝置布置一般都是由富有管道設計經驗的資深配管工程師來完成的。
管道布置是通過圖紙來表示出管道位置、走向、支承等，并能滿足工藝流程的要求，滿足管道強度、剛度的要求，滿足操作、維護、消防的要求等，最后給出管道及其元件的用量。
管道布置（設計）過程大致可分為以下三個環節，即配管研究、管道詳細設計、設計文件編制及歸檔。
1、配管研究
配管研究首先要了解設計條件和用戶要求，然后確定設計應用標準規范，并委托管道材料專業確定管道等級，最后進行管道走向、支撐、操作平臺等方面的綜合規劃和布置，并將有關的、認為有必要的管道委托給管道機械專業進行力學分析。
a、設計條件
設計條件應包括裝置建設的環境條件（如溫度、濕度、風力、風向、雨雪、地震、地質、周邊環境等）、工藝條件（如水、電、汽、風等公用工程條件、裝置規模、介質性質、介質溫度、介質壓力、開仃工時間、操作工況等）、建設周期（如設計計劃表、采購計劃表、施工計劃表和開工時間等）等。用戶有時也常提出一些要求，如操作要求、安全消防要求、環保要求、器材標準要求、設計文件編制內容要求等。設計條件和用戶要求都是設計的基礎條件。合理的設計在于把這些條件中提出的要求賦以運用，既要十分重視這些要求，又要對某些要求進行適當的平衡，最終做到在技術、經濟、安全等方面均為最佳。
b、管道等級
管道等級的確定屬于管道材料研究的范圍，將在下面介紹。
c、管道走向
管道的走向設計就是確定管道以怎樣的一個空間、路徑和形狀把相關的設備連起來。良好的管道走向應該規則整齊，建設費用最低，運行起來安全可靠。具體設計過程中應考慮下面一些原則：管道的走向應滿足工藝要求，距離最短，不妨礙操作和檢查，不妨礙設備的檢修，能夠排凝排氣，支架容易設置，熱脹補償容易進行等；多根管道在一起時應排列整齊，交錯層次分明，并盡可能共用支撐。并排的法蘭和閥門應相互錯開以便于操作，并減少間距以節省占用空間。操作點應集中設置；多路管道的布置應對稱布置，不能使各路介質相互干擾，或發生偏流。等等。
d、力學分析
管道柔性、支撐、防振等力學分析屬于管道機械研究的范圍，它也將在下面介紹。
2、管道詳細設計
管道詳細設計是在配管研究方案獲得各方均認可的基礎上所做的設計。從時間上來講它分為委托資料階段和施工圖完成階段。從內容上來講它包括管道定位、閥門定位、操作平臺設置、放空排凝設置、隔熱設計、防腐設計、支撐設計、儀表元件定位、采樣設計、圖例標識及圖幅安排等內容，并根據不同的進展階段向相關專業提交有關資料。
a、管道定位
管道的定位就是在管道走向確定的情況下詳細計算并確定管道的定位尺寸。在確定管道的定位尺寸時應充分考慮隔熱及防腐等施工的影響，熱脹位移的影響，法蘭及閥門操作檢修的影響，儀表元件對管道結構尺寸的要求，管道及其元件的安裝空間要求，支承生根位置的要求等。
b、閥門定位
閥門的定位首先應滿足工藝的要求，其次尚應滿足操作、維護的要求，同時還應考慮防凍、防凝要求，大閥門的支承要求，管道振動、熱脹等對閥門強度可靠性的影響等。
c、操作平臺設置
操作平臺的設置除滿足管道的操作要求之外，尚應考慮設備上儀表、人孔、手孔、看窗等方面的操作維護要求，同時還應考慮設備部件、管件元件的檢修要求，巡回檢查要求，消防要求，照明要求等。操作平臺一般是由相應的設備、加熱爐、土建等專業設計，配管專業應向這些專業提供所需要的平臺資料。操作平臺的委托資料應包括平臺的大小、平臺荷載、梯子型式等內容。
d、放空排凝設計
放空排凝設計要滿足管道開仃工時的高點排氣、低點放凝的要求。管道在高點存氣時會造成管道的氣阻、相連泵的抽空或仃工時因燃氣的積存而產生火災危險等，而管道在低點存液時會造成介質的凝凍或仃工時因燃油的積存而產生火災危險等。因此，對于管道的高點和低點應設置相應的排氣或排凝設施。在進行管道的高點排氣或低點排凝設計時，尚應考慮對環境污染的問題。
e、隔熱設計
管道隔熱的目的是為了減少管道在運行中的熱量或冷量損失，以節約能源；避免、限制或延遲管道內介質的凝固、凍結，以維持正常生產；減少生產過程中介質的“溫升”或“溫降”，以提高相應設備的生產能力；防止管道表面的結露；降低和維持工作環境溫度，改善勞動條件，防止因熱表面導致的火災和防止操作人員燙傷。管道的隔熱設計就是通過選取適當的隔熱材料和隔熱厚度以滿足上述的要求。
f、防腐設計
防腐設計是通過選取適當的防腐涂料和防腐結構，以達到管道及其元件免遭環境腐蝕的目的。在選擇防腐涂料時，應考慮它與被涂物的使用條件相適應，與被涂物表面的材質相適應。防腐涂料的底漆與面漆應正確配套，并且要求所選涂料應經濟合理，并具備施工條件。
g、支撐設計
支撐設計應滿足管道強度和剛度的需要，同時尚應能有效地降低管道對機械設備產生較大的附加載荷，防止管道的振動等。管道的支撐設計包括支撐型式的選用、支撐件材料的選用、支撐件強度的計算、生根點的載荷委托等方面的內容。
h、儀表元件定位
儀表元件的定位應滿足儀表元件的操作、觀查、維護等方面的要求，同時尚要考慮儀表元件對管道結構尺寸的要求（如孔板前后的直管段要求）、儀表附屬元件對操作空間的要求（如浮球液位計對空間的要求、儀表箱開啟對空間的要求等）等。
i、采樣設計
采樣設計應滿足操作方便的要求，同時尚應考慮采樣時的危險性、采樣介質的新鮮性、對環境的污染以及防凍防凝的要求等。不同的介質，其采樣位置、接頭方式和采樣設施有所不同。
j、圖例標識及圖幅安排
圖例的標識及圖幅的安排應符合繪圖規范的要求，并便于識別。圖面應清晰整潔，線條分明，表達完整，與相關設計文件的連接表達清楚等。
k、委托資料
在管道詳細設計的各階段，應陸續向相關專業提交有關的委托資料。這些資料大致包括設備開口位置、建構筑物的型式及結構尺寸、設備附加管道重量及偏心情況（有時是與有關專業一道向土建專業提供設備基礎荷重資料）、管架上的管子重量及可預見的管子推力、平臺梯子資料、建構筑物開孔埋件資料、照明資料、給排水點資料、排污點資料、儀表元件位置資料、工程實物量（給技術經濟專業）等。
3、設計文件的編制及歸檔
在完成管道的詳細設計之后，應編制相應的文件資料，使它與管道設計圖紙一起組成一個完整的管道設計文件。這些文件資料應包括資料圖紙目錄、管道設計說明書、管道表、管道等級表、管段材料表、管道材料表、管道設備規格表、管道設備規格書、管道支吊架匯總表、非標管道設備圖、非標支吊架圖等。
a、資料圖紙目錄
資料圖紙目錄分區域目錄和裝置目錄兩種。如果該裝置不分區，可只編裝置目錄。資料圖紙目錄應包括該裝置中管道設計專業編制的所有圖紙、文件資料和復用設計文件資料的目錄，并按照文字資料、圖紙、復用文件的先后順序編排。
b、設計說明書
管道設計說明書應包括管道的設計原則、設計思路、執行規范、典型配管研究、典型的管道柔性設計數據、與儀表專業的分工、識圖方法（圖例）、施工要求、采購要求、其它要說明的問題等。
c、管道表
管道表是指由工藝專業提供的帶有管道號、管道起止點、管道操作條件（介質、介質操作壓力和操作溫度、隔熱要求等）并留有供管道設計專業添加相應內容的管道明細表。管道設計專業在工藝專業提供的管道明細表基礎上確定管道的設計條件、試驗條件、管道等級、隔熱數據、施工等級、壓力管道類別等內容，并存入管道設計文件中。
d、管道等級表
管道等級表是針對一系列介質條件而編制的管道器材應用明細表。它包括等級號、設計條件（設計壓力、設計溫度和介質）、管道公稱壓力等級、管道壁厚等級、管道元件材料、管道元件型式、管道元件應用規范和材料規范等內容。一般情況下，管道等級表是由管道材料工程師完成的。
e、管段材料表
管段材料表是對應于管道平面圖的一個設計文件資料。當該裝置采用“平面圖+管段圖”的出圖方式時，該文件直接出現在管段圖上而不需要另出文件資料；當該裝置采用“平面圖+詳圖”的出圖方式時，則對應于每一張平面圖應有一組管段材料表。平面圖上的每一個具有獨立管號的管段，它所需要的所有管道器材元件（包括管子、管件、閥門、隔熱材料、防腐材料等）的數量及其屬性都應在管段材料表上一一給出。管段材料表是管道施工的重要文件之一。
f、管道材料表和管道設備規格表
管道材料表和管道設備規格表是管段材料表的分類匯總，是采購和備料的重要設計文件。前者主要包括了管子、彎頭、三通、大小頭、管帽、加強管嘴、加強管接頭、異徑短節、螺紋短節、管箍、儀表管嘴、漏斗、快速接頭、法蘭、墊片、螺栓/螺母、限流孔板、盲板、法蘭蓋等管道器材元件的分類匯總。后者則主要包括了閥門、過濾器、疏水器、視鏡、彈簧支吊架等管道器材元件的分類匯總。值得一提的是，在1998年石化集團公司進行的壓力管道設計認證中，發現許多設計單位在進行管道元件的屬性描述時，存在缺項描述的現象，這樣做很容易造成采購和制造上的錯誤。完整的描述應包括管道元件名稱、結構型式、規格、數量、壓力等級（或壁厚等級）、連接方式、材料、材料規范、應用標準及其它需要說明的屬性等內容。另外，作為裝置的管道材料表和管道設備規格表還應計入施工損耗附加量。
g、管道設備規格書
管道設備規格書是一個采購用的設計文件，當管道設備規格表不能完全表達管道設備的屬性時，應編制該文件。管道設備規格書除給出上述管道設備規格表所包含的內容外，尚應給出設計條件、詳細結構描述、分解零部件材料等特殊要求。有時，管道設備規格書并不納入出版的設計文件中，而是作為訂貨技術文件編入采購時的訂貨技術附件中。
h、管道支吊架匯總表
管道支吊架匯總表是將裝置中采用的支吊架進行分類匯總的一個設計文件，它為支吊架的采購和工廠預制提供了方便。
i、非標管道設備圖和非標支吊架圖
非標管道設備圖和非標支吊架圖是針對標準之外的管道設備和支吊架而繪制的制造詳圖。這一類圖紙不宜太多，換句話說，應鼓勵選用標準的管道設備和支吊架，這樣做有利于降低工程投資，加快設計、制造、施工等各階段的進度。
從上面的介紹中可以看出，管道布置是一個繁雜而細致的設計過程，它占據了整個管道設計過程中的大部分工作量。但是客觀上講，管道布置在整個管道設計過程中并不是一個難點，也不涉及太深奧的理論，而相對來說，管道材料和管道機械設計則比較難，對管道的安全性影響也比較大。因此，本書在對管道布置進行了一般的介紹之后，在下面的內容中將不再展開介紹。有關的手冊和標準都已對管道布置作出了詳細的規定，有興趣的讀者可參閱這類的書籍、手冊和標準。
（二）管道材料
管道的材料設計一般是由管道材料工程師（以下簡稱為材料工程師）來完成的。
管道材料是整個管道設計過程中的基礎部分，它直接影響到壓力管道的可靠性和經濟性。因此，許多法規性的標準如ANSI B31.1、ANSI B31.3、ANSI B31.4、SH3059等都是主要針對管道材料的設計編寫的，即將出臺的“壓力管道安全技術監察規程”也將主要圍繞著這部分內容進行規定，本書也將以煉油裝置用壓力管道為主要對象對這一部分內容進行詳細介紹。管道的材料設計涉及到管道器材標準體系的選用、材料選用、壓力等級的確定、管道及其元件型式的選用等內容。這些內容將在第二章、第三章、第四章和第五章中陸續介紹。
（三）管道機械
管道的機械設計一般是由管道機械工程師（以下簡稱為機械工程師）來完成的。
管道機械研究的核心是管道的機械強度和剛度問題，它包括管道及其元件的強度、剛度是否滿足要求，管道對相連機械設備的附加載荷是否滿足要求等。通過對管系應力、管道機械振動等內容的力學分析，適當改變管道的走向和管道的支撐條件，以達到滿足管道機械強度和剛度要求的目的。可以說，管道機械設計進行的好壞，直接影響到管系的安全可靠性。
根據作用載荷的特性以及研究方法的不同，可將管系的力學分析分為兩大類，即靜應力分析和動應力分析。靜應力分析的對象是指外力與應力不隨時間而變化的工況。動應力分析的的對象是指包括管道的機械振動、管道的疲勞等外力與應力隨時間而變化的工況。管道的支撐設計一般是隨著管道布置由配管工程師完成的，但它與管道的機械強度息息相關。當管道的力學分析不能滿足要求時，往往要通過調整支撐的數量和位置、支撐的方式等使其滿足要求，因此管道的支撐設計在此也列入管道機械研究的范疇。這些內容將在第六章、第七章和第八章中介紹。
二、制造
管道及其元件制造研究的內容包括：管道元件產品的設計、制造工藝的確定、生產設備的配置、生產體系的建立、質量控制體系的運作以及售后服務等內容。其中，產品的設計應包括強度設計和結構設計，使產品從使用性、可靠性、經濟性等方面最大限度地滿足裝置生產的需要；制造工藝的確定包括工藝流程和制造工序的安排、各工序的控制參數和控制指標的確定等內容。通過合理的制造工藝來保證獲得質量良好的產品；生產過程中應用的控制文件和管理措施是生產軟件，而生產設備的配置則是生產硬件，沒有先進、配套、完整的生產設備，是生產不出高質量的產品的。目前，我國眾多的制造廠與國外相比，比較大的差距就是設備配置較差；生產體系是指生產人員的配置和運作方式，它是生產過程中的系統軟件。生產體系不健全，生產管理跟不上，要生產出高質量的產品是不可能的。我國眾多制造廠存在的最大問題就是生產管理比較差；質量控制體系是生產過程中的執行軟件。一個完善而又可操作性好的質量控制文件是保障產品質量的前提。目前，國內和國際上比較流行的ISO9000系列質量控制標準就是一個比較好的質量控制文件；售后服務是指制造廠對其售出產品質量問題的處理、備品備件的供應、用戶使用信息或意見的反饋等所作出的響應。良好的售后服務應做到急用戶之所急，想用戶之所想，及時處理用戶提出的有關問題。
采購也是裝置建設過程中的一個重要環節。對于采購工程師來說，如何花較少的錢而買到可靠甚至是最好的產品是他考慮的主要問題。要達到這樣的目的，采購工程師就應對產品的使用條件、性能特點、制造商的生產狀況和產品等進行了解，并編制出完善的采購文件。
需要指出的是，壓力管道及其元件的制造已形成標準化、系列化，而且都有相應的制造標準或材料標準作支持。工程學的典型特點之一就是標準化、系列化，因此無論是設計還是制造等都應遵循這一原則。
三、安裝
從實物工作內容上來講，施工安裝研究的問題包括安裝前管道元件的質量抽檢、預制及組裝、焊接、檢查試驗、清洗吹掃、除銹防腐、隔熱等內容；從施工管理上來講，安裝研究的問題包括熟悉施工圖設計文件，編制施工工序和施工方案，安排施工計劃、施工機具和作業人員，操作工人的技術培訓和勞動保護等。
質量抽檢是指施工前對即將安裝的管子及其元件進行的性能和質量抽檢，它包括材料的交貨文件檢驗、材質化學成分化驗、機械性能檢驗、閥門密封性能試驗、結構尺寸檢驗、表面缺陷檢驗、內部缺陷的無損檢驗等內容。應該說，交貨產品的性能和質量應由制造商保證，而無須到現場后再進行有關目視檢驗以外的檢驗。然而，結合我國的實際情況，許多施工規范還是規定了的一些抽檢項目，以保證管道元件的可靠性。
預制及組裝是指按施工圖紙等設計文件要求，將所有參與連接的管道元件進行裝配或預制。它包括管子的切割、煨彎、分支開口、加工焊接坡口等內容。有條件的施工現場可以在車間或地面進行部分組焊，以減少高空中的焊接數量。
焊接是施工過程中最重要也是勞動量最大的工作。焊接質量的好壞直接影響到管道的安全性和使用性。焊接過程常伴隨著金屬的熔化與凝固，它是一個復雜的物理、化學、冶金反應的綜合過程，對這一過程的影響因素比較多，如果控制不好會導致連接的可靠性大大下降。焊接考慮的內容包括焊接接頭坡口型式制作、焊接工藝的制定、焊接材料的選用、焊前預熱及焊后熱處理規范的選用等內容。
檢查試驗包括焊接前后的無損檢驗、管系的壓力試驗、泄漏性試驗等內容。
清洗吹掃包括管道的水洗、蒸汽吹掃、化學清洗、煮爐等內容。
除銹防腐包括管道的表面除銹、表面涂漆及地下管道的包覆防腐等內容。
隔熱包括管道的保溫、保冷、伴熱、防燙等施工內容。
熟悉施工圖設計文件對施工人員來說是必須的，這是因為施工工程量的計算、施工機具的配置、施工人員的安排、施工消耗量和施工方案的確定、施工工序及施工作業計劃的編制等都是依據施工圖設計文件而進行的。
施工方案、施工工序和施工計劃等都是施工作業中的運行軟件，一個詳細、完整、切實可行的運行軟件對于保證施工質量、施工進度都是至關重要的。
施工機具和施工人員都是保障施工質量和施工進度的硬件。先進齊全的施工機具和訓練有素的施工隊伍是保證施工質量的基本條件。
施工人員的勞動保護和人身安全也是施工中一個值得重視的問題，因為現場施工勞動條件差、高空作業多、參與人員多，從而潛伏著事故多發的危機。現場施工的管理者應研究這些問題，并采取切實可行而且有效的措施。
四、應用（運行）
從安全監察管理方面來講，壓力管道運行使用包括的內容有運行前的檢查、運行初期檢查、在線監測、未期檢查和事故的呈報及分析等。從過程上來講，它所涉及的內容包括運行前的準備、單機試運、水聯運、油聯運、正常運行和仃車等；除此之外，壓力管道的運行過程還涉及到了生產操作人員的技術培訓、操作手冊的編制、崗位操作規程的建立以及操作人員的管理等方面的內容。
開車前的檢查主要包括設計竣工文件、采購竣工文件、施工竣工文件的檢查和確認，并現場檢查設計漏項、工程質量隱患和未完成的工程。對查出的問題定任務、定人員、定措施、定時間，限期整改，以保證一次開車成功。
開車初期的檢查包括開車前對所有壓力管道登記造冊，記錄相關的原始數據（包括管道位置、壁厚、狀態等），開車后校對與溫度、壓力有關的數據變化，并判斷其安定狀態。
在線監測是指定期或不定期地檢測運行過程中有關壓力管道數據的變化，或借助于先進的檢測手段（如聲發射、紅外線等）對生產過程中的壓力管道使用狀態進行監控，判斷其安定性。
未期檢查主要是指通過對壓力管道有關數據的檢測，并依據有關數據對壓力管道在持續工作下的壽命進行評估。它主要包括管道元件在壓力、溫度和介質作用下壁厚減薄后的強度分析、材料裂紋的產生與擴展分析、材料在腐蝕介質作用下的改性分析等。
事故的呈報及分析應按《壓力管道安全管理與監察規定》的要求進行。
對于裝置的單機試運、水聯運、油聯運、正常運行和仃車等，操作人員應編制相應的開車方案，并在開車前結合開車方案對生產操作人員進行技術培訓。
思考題：
1、壓力管道設計環節中，通常分哪幾個分支進行？
2、試述裝置布置研究的內容主要有哪些？
3、試述管道布置研究的內容主要有哪些？
4、開展管道設計時應具備的條件有哪些？
5、在確定管道走向時應遵循的原則有哪些？
6、在進行詳細管道設計時，應編制的設計文件有哪些？
7、試述管道材料研究的內容主要有哪些？
8、試述管道機械研究的內容主要有哪些？
9、試述管道施工研究的內容主要有哪些？
10、試述管道運行研究的內容主要有哪些？
