煤化工空分裝置氧氣管道的質量控制要點

郭 艷，武麗娜，陳睿謙，張喜春

（中薪油武漢化工工程技術有限公司，湖北武漢 430223)

煤化工空分裝置氧氣管道的質量控制要點

郭 艷，武麗娜，陳睿謙，張喜春

（中薪油武漢化工工程技術有限公司，湖北武漢 430223)

重點分析煤化工空分裝置中氧氣管道典型“撞擊場合”的材料選取、材質應用范圍、管道布置等設計要點，論證實際項目設計的合規性及優化方式；最后總結氧氣管道在安裝、運行管理中的質量控制要點，指出安裝質量控制中的采購創新。

氧氣管道；撞擊場合；設計；安裝；運行

氧氣在煤化工項目中作為氣化劑和反應原料，需求巨大；且氣質純度要求高（氧含量體積比≥99.6%），壓力高（一般在4.0～10.0MPa），危險性大。煤化工項目中，氧氣由空分裝置通過深冷分離制取，空分裝置生產的氧氣主要供煤氣化裝置使用。隨著國家對資源規模化利用要求的提高和煤化工產業化發展的強力推動，裝置設計、制造水平趨于規模化、設備大型化，空分裝置規模也在不斷加大。因此，空分裝置氧氣管道系統的質量控制不僅關系到空分裝置的安全運行，也是煤化工項目安全平穩運行的前提。

本文結合某國外總承包項目中空分裝置的氧氣外送、放空管道系統設計實例，總結典型 “撞擊場合”在設計、安裝、運行中的質量控制要點。

1 氧氣管道燃燒原因分析

在諸多參考文獻中都提到氧氣管道燃爆三要素：可燃物、助燃物、激發源。高壓氧氣管道事故主要是氧氣管道本身著火燃燒；管道局部急劇升溫導致承壓能力，管道破裂而引起二次事故。

1.1 可燃物

即氧氣管道系統本身，涉及到的可燃物有鋼管、墊片、油脂、殘留脫脂劑。

1.2 助燃物

即氧氣，實驗證明，當氧氣濃度、壓力提高，氧氣管道系統中的可燃物著火點降低。

1.3 激發源

氧氣管道系統中的激發源的產生主要因管材、管件、閥門選型不當；配管形成盲區；施工質量控制不當；生產運行操作不當等造成，具體包括以下幾個方面：

（1）閥門急速啟閉形成絕熱壓縮。例如，0℃、0.1MPa的氧氣當壓縮到15MPa時，其溫度約上升到900℃。如在此環境中存在油脂或可燃墊片，極易引發燃爆事故；

（2）高壓氧流中的高速運動固體顆粒（鐵銹、焊渣、雜質顆粒等），與管道及管件內壁摩擦產生鐵粉（鐵粉比鐵塊著火溫度低300～500℃）。兩者的混合物與管路內壁摩擦產生熱量，直接引起管路著火的可能性極小，但該混合物如若在管路某處聚集，即構成激發源；

（3）油脂引燃。油脂在氧氣中的著火點較低，約為250～300℃，危險性很大；

（4）閥門啟閉時，閥門部件之間的沖擊、擠壓、摩擦；

（5）靜電放電、雷擊；

（6）外部熱輻射。

通過對氧氣管道燃燒原因分析發現，要確保氧氣管道安全運行，需要對設計（工藝設計、材料選型、管道布置、防雷接地等）、安裝、運行管理三個維度有足夠的認識，采取切實可靠的安全措施，進行嚴格的質量控制，才能杜絕燃爆事故發生。

2 氧氣管道設計質量控制要點

2.1 氧氣管道的設計執行標準

GB 16912—2008，《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程》；GB 50030—2013，《氧氣站設計規范》；GB 50316—2000，《工業金屬管道設計規范》。

2.2 “撞擊場合”界定

歐洲工業氣體協會（EIGA）[1]對氧氣管道系統中的“撞擊場合”和“非撞擊場合”進行科學分類。并明確，能使氧氣流動方向突然改變、產生漩渦，從而引起氧氣中夾帶的顆粒及異物撞擊管道的位置，定義為“撞擊場合”；否則是“非撞擊場合”。常見“撞擊場合”如：對焊三通、承插焊三通或彎頭、短半徑彎頭、異徑管（變徑比大于3）、閥門（調節閥、安全閥等）、過濾器、孔板等。

對于 “撞擊場合”如調節閥、安全閥等，閥后氧氣流速相對閥前大大增加，這些區域由于氧氣流速突變更容易產生激發源，非常危險。因此，“撞擊場合”在一定管徑范圍內，管道材質及壁厚的選取是否合適，是氧氣管道能否安全運行的質量控制重點。

2.3 材質、壁厚選用

空分裝置氧氣管道系統的選材，要考慮金屬材質及壁厚、氧氣的流速限制、系統的設計壓力。相關氧氣安全技術規范均認為，對于選定的金屬材料而言，當氧氣的設計壓力升高時，系統內允許的氧氣流速應降低。但如果管道系統選取的金屬材料在設計壓力下，無論管道流速突變到多大都不具備燃燒條件，則是對氧氣管道系統的安全運行的極大保證。因此，“撞擊場合” 材質、壁厚選用應結合各材質在豁免壓力下對應的最小厚度綜合考慮。

本項目空分裝置氧氣管道材質及壁厚的確定，在滿足GB 16912—2008第8.2、8.3條和GB 50030—2013第11.0.9條要求下，“撞擊場合”材質及壁厚重點參考歐洲工業氣體協會（EIGA）制定的IGC Doc 13/12/E 標準[1]。現將本項目中氧氣管道系統“撞擊場合”在設計壓力下實際采用的材質、壁厚與EIGA IGC Doc 13/12/E 標準進對比，見表1。

表1 “撞擊場合”材質及壁厚對比

通過對比發現，本項目設計壓力低于豁免壓力，且實際使用材質壁厚高于豁免壓力下的最小壁厚，項目中“撞擊場合”材質選用有足夠安全保證。

2.4 “撞擊場合”管道布置

前文提到“撞擊場合”的影響范圍如控制在一定倍數管徑范圍內，選用合適的管道材質及壁厚可以保證氧氣管道安全運行，“一定倍數管徑范圍”在國內外標準體系中均給予明確，總結下來是在“撞擊場合”5～10倍管徑范圍內[2]。下面重點結合GB 16912—2008[3]及GB 50030—2013[4]相關條款分析本項目中典型“撞擊場合”管道布置設計注意要點，并驗證項目對標準的執行情況。

圖1 “撞擊場合”管道布置圖

表2 “撞擊場合”材質及應用范圍分析

（1）本項目氧氣管道輸送系統設計壓力5.8MPa，放空系統設計壓力2.0MPa。基于GB 16912—2008 表10和GB 50030—2013 表11.0.9在管道材料選取上的規定，當設計壓力為5.8MPa，氧氣管道系統遇閥門、調節閥，在閥門后5倍管外徑且不少于1.5m范圍內、調節閥前和后5倍管外徑且不少于1.5m范圍內，可選銅及銅合金拉制管、銅及銅合金擠制管或鎳及鎳基合金作為管道材質；在2.0MPa設計壓力下，放散閥后管道材質除可采用前述材料外，由于系統壓力降低，材質范圍更放寬至可使用不銹鋼焊接鋼管、不銹鋼卷焊管或不銹鋼無縫鋼管。本項目在圖1典型“撞擊場合”中管道材質選取及應用范圍見表2。

（2）圖1中典型“撞擊場合”管道布置在防護墻內，手動旁通閥閥桿伸至防護墻外，通過手動操作旁通閥平衡調節閥前后壓力。故不需考慮GB 16912—2008 第8.1.3條對氧氣調節閥前后8倍調節閥公稱直徑范圍內使用銅基合金或鎳基合金材質的限定要求，依舊執行GB 16912—2008 表10和GB 50030—2013 表11.0.9關于材質應用范圍的規定。

（3）同時，GB 16912—2008 8.1.6條、8.4.1條和GB 50030—2013 11.0.18更對典型“撞擊場合”管道布置提出特別規定：調節閥組，干管閥門后，宜有1.5m長的直管段；三通、分岔頭、彎頭不得與閥門出口直接相連，宜在閥門與三通、分岔頭、彎頭間保留不小于5倍公稱直徑且不小于1.5m的直管段；宜采用壓制對焊變徑件，如焊接制作，變徑件長度宜大于或等于變徑件兩端外徑差值的3倍，且保證其內壁平滑，無銳邊、毛刺及焊熘；

通過對標準規范分析發現，“撞擊場合”尤其是閥門出口一定范圍內，材質及配管要求非常嚴格。本項目在整個設計中均符合標準規范的相關條款，相應壓力下的材質選用及應用范圍均滿足規范要求。但是，在條款（3）的執行程度上，個別“撞擊場合”的管道布置還有優化的空間。具體優化如下：調整L3直管段上支管接頭位置，保證調節閥1后有1.5m的直管段；椎管1的長度調整為L=2 100（調整前L=1 000），椎管2的長度調整為L=1 400（調整前L=600），保證卷焊制作的變徑管長度滿足外徑差值的3倍。調整后，防爆墻配管區域的長度至少增加至8m，由此可見，在項目的方案設計階段，應完成空分裝置氧氣外送、放空管道系統的管道布置研究圖，考慮足夠的余量，以保證施工圖設計中，氧氣管道配管的空間要求。

3 氧氣管道安裝質量控制要點

氧氣管道的施工、焊接、檢驗、試壓及驗收執行規范如下：

GB 50235—2010，《工業金屬管道工程施工規范》；GB 50236—2011，《現場設備、工業管道焊接工程施工規范》；HG 20202—2000，《脫脂工程施工及驗收規范》。

氧氣管道在安裝前應注意做好施工單位焊接資格審查、焊接工藝評定、到場材料驗收檢驗及脫脂等工作；在安裝時應重點監控焊接質量檢查、管道系統耐壓及氣密性實驗、系統清洗及吹掃實驗、靜電接地等工作。

本項目氧氣管道系統材料有MONEL 400、304L兩種，安裝過程中多處涉及到MONEL 400材料焊接、MONEL 400與304L異種材料焊接。由于MONEL 400材料的采購周期長，焊接要求高，如將相關材料的驗收檢驗、焊接工藝評定、焊工考核等工作放在國外總包現場進行，則不利于項目進度的推進。于是，項目將圖1中的管道供貨及安裝工作外包，要求廠家完成圖示范圍內管道系統的脫脂，焊接，外觀檢查、無損檢測、分段強度實驗、清洗及吹掃實驗后密封，在交貨日期前送抵現場，現場僅在已有的焊接方案內完成304L調整段的焊接工作（僅4個304L/304L焊口），從而最大程度保證空分裝置的氧氣外送、放空管道系統的施工質量。

4 氧氣管道運行質量控制要點

1）為避免閥門急速啟閉形成絕熱壓縮，氧氣管道系統在開車、正式通氣及大修后通氣前，應首先緩慢打開手動隔爆閥，平衡閥前閥后壓力在一定壓差范圍內，再開啟壓力調節閥；

2）加強氧氣管道系統的常規巡檢、定期維護檢修工作，重點注意管道系統內的清理工作和閥門、儀表、安全泄放系統的核查整定；

3）對氧氣管道進行重大作業和動火作業前，必須預先制定詳細作業方案，經相關主管部門批準后實施；

4）制定完備的應急方案，確保緊急事件發生時，各相關部門能采取有效有序的應急措施。

5 結論

伴隨著空分裝置大型化發展，氧氣管道質量控制已成為空分裝置安全運行的重點監控內容。本文圍繞氧氣管道燃爆原因，結合現實項目，重點分析氧氣管道設計在選材、布置方面的質量控制要點及標準規范的合規性，指出典型“撞擊場合”5～10倍管徑范圍使用材質得壁厚應高于豁免壓力下的最小壁厚，才能保證氧氣管道的安全運行；同時，簡要概述安裝、運行方面的質量控制要點，并指出本項目在安裝、采購交貨方式上的特別處理，希望能為后續的項目管理提供一定的參考作用。

[1] IGC Doc 13/12/E，Oxygen Pipeline and Piping System.European Industrlal Gases Accoclation.2012.

[2] 唐祺.淺析國外氧氣安全技術規范選材原則[J].化工設計，2015，25（5）：47– 50.

[3] GB 16912—2008，深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程[S].

[4] GB 50030—2013，氧氣站設計規范[S].

The Quality Management Main Points of Oxygen Pipeline in Coal-chemical Air Separation Plant

Guo Yan，Wu Li-na，Chen Rui-qian，Zhang Xi-chun

Focus on analysis of the design points of how to choose the material in typical impingement sites，the material’s application range，the pipeline layout and so on in coal-chemical air separation plant oxygen pipeline；The author verified the actual project’s compliance to standards，and put the optimization method forward.At last，the author summarized the main points of construction and operation about oxygen pipeline，indicated the innovation of procurement in construction quality management.

oxygen pipeline；impingement sites；design；construction；operation

TQ116.11

B

1003–6490（2017）11–0010–03

2017–08–30

郭艷（1985—），女，湖北洪湖人，工程師，主要從事化工類項目的工藝管道設計工作。