氧氣站工廠設(shè)計(jì)若干問題的探討

石麗娜

氧氣站工廠設(shè)計(jì)若干問題的探討

石麗娜

（中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶401122）

根據(jù)現(xiàn)行有效規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合實(shí)際設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)施工服務(wù)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了氧氣站工廠設(shè)計(jì)過程中的若干注意事項(xiàng)。針對(duì)總圖布置與道路運(yùn)輸、閥門選型與設(shè)計(jì)、管件選用、低溫管道的保冷及支撐、工程設(shè)計(jì)中易忽視易發(fā)生的碰撞部位等問題展開探討，并提出了人性化工廠設(shè)計(jì)的建議。

氧氣站；工廠設(shè)計(jì)；注意事項(xiàng)

1 引言

隨著生產(chǎn)技術(shù)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，深度冷凍法（簡(jiǎn)稱深冷法）制氧技術(shù)在冶金和化工等行業(yè)中獲得了廣泛的應(yīng)用，采用深冷法設(shè)計(jì)氧氣站成了行業(yè)工程的焦點(diǎn)。一個(gè)制氧站工程能否順利投產(chǎn)并穩(wěn)定運(yùn)行除了與設(shè)備制造廠的設(shè)計(jì)制造水平、施工單位的安裝水平、監(jiān)理單位的監(jiān)督管理水平、用戶的運(yùn)營(yíng)操作水平有關(guān)以外，工廠設(shè)計(jì)過程中對(duì)細(xì)節(jié)問題的處理更為重要，這對(duì)設(shè)計(jì)院的設(shè)計(jì)水平提出了重大挑戰(zhàn)。本文從工廠設(shè)計(jì)者的角度出發(fā)，論述了采用深冷法設(shè)計(jì)氧氣站的工廠設(shè)計(jì)中總圖布置與道路運(yùn)輸、閥門選型與設(shè)計(jì)、管件選用、低溫管道的保冷及支撐等注意事項(xiàng)，總結(jié)了工程設(shè)計(jì)中易忽視易發(fā)生的碰撞部位，并針對(duì)人性化工程設(shè)計(jì)提出了建議。

2 總圖布置與道路運(yùn)輸

2.1 吸入空氣質(zhì)量要求

空氣是空分設(shè)備的原料，空氣質(zhì)量的好壞直接影響到空分設(shè)備能否安全運(yùn)行。在滿足總體規(guī)劃的前提下，氧氣站應(yīng)盡可能位于環(huán)境清潔地區(qū)，以保證吸入空氣的質(zhì)量。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外一系列空分爆炸事故的分析發(fā)現(xiàn)：在分離溫度下，空氣有害組分中的CO2和N2O呈現(xiàn)固態(tài)，易堵塞設(shè)備和管道，影響設(shè)備安全運(yùn)行；C2H2等碳?xì)浠锎蟛糠直环肿雍Y吸附器吸附，而未被吸附的一部分則最終進(jìn)入主冷凝器的液氧中，當(dāng)液氧中的碳?xì)浠锖砍^其溶解度時(shí)即以固體顆粒狀析出，一旦遇有沖擊摩擦等引爆源就會(huì)引起爆炸。因此，一些國(guó)家對(duì)空分設(shè)備的大氣條件都提出了相應(yīng)要求，國(guó)內(nèi)規(guī)范《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》（GB16912-2008）對(duì)吸入空氣質(zhì)量的要求詳見表1。

而對(duì)毗鄰化工廠設(shè)計(jì)的氧氣站，在必要情況下，可考慮增加吸入口空氣質(zhì)量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)裝置，以便及早發(fā)現(xiàn)問題，避免事故發(fā)生。

2.2 道路運(yùn)輸

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，現(xiàn)今工程車輛越做越大，有些氧氣站除了設(shè)有低溫液體槽車外，還設(shè)有排管拖車等大型車輛。氧氣站廠區(qū)通行道路要充分考慮上述大型車輛的通行，尤其是道路轉(zhuǎn)彎半徑的設(shè)計(jì)，一定要確認(rèn)上述大型車輛能夠安全通行。如若拐彎半徑設(shè)計(jì)偏小，即便通過增加廠區(qū)大門或調(diào)整道路路由來補(bǔ)救，既增加成本又影響整體美觀。其次，氧氣站很多管道采用架空敷設(shè)，對(duì)于跨道路敷設(shè)的架空管道，要充分考慮管道敷設(shè)標(biāo)高能夠滿足車輛通行，以免碰撞。根據(jù)實(shí)際情況，可以在跨管道兩側(cè)增加防撞護(hù)欄。

3 閥門選型與設(shè)計(jì)

3.1 閥門選型

整個(gè)氧氣站會(huì)使用大量閥門，且種類繁多，有截止閥、閘閥、球閥、蝶閥、止回閥、安全閥、調(diào)節(jié)閥、減壓閥等。氧氣站的閥門有部分是工藝設(shè)備成套配置的，其他則是工廠設(shè)計(jì)補(bǔ)充的。對(duì)于工藝設(shè)備成套的閥門，工廠設(shè)計(jì)不再選型，按照工藝流程及相關(guān)規(guī)范合理進(jìn)行閥門定位即可；而對(duì)于工廠設(shè)計(jì)補(bǔ)充的閥門，需工廠設(shè)計(jì)合理選型，一般情況下，循環(huán)水管道閥門多采用蝶閥，氣體管道根據(jù)情況多采用截止閥、閘閥、蝶閥等。氧氣是助燃?xì)怏w，極易引起燃燒，氧氣管道閥門是氧氣管網(wǎng)上的重要關(guān)鍵設(shè)備，也是事故多發(fā)源，其選用應(yīng)慎重考慮，在此著重闡述氧氣管道閥門選型注意問題。氧氣管道閥門應(yīng)選用專用于氧氣介質(zhì)的閥門，閥門材質(zhì)一般為硅黃銅（低壓時(shí)可考慮采用不銹鋼材質(zhì)），閥門出廠前要經(jīng)過嚴(yán)格的強(qiáng)度試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)，并進(jìn)行脫脂處理，此外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)[2]：

（1）由于閘閥關(guān)閉不嚴(yán)及維修方面的缺點(diǎn)，對(duì)于工作壓力大于0.1 MPa氧氣管道，嚴(yán)禁選用閘閥。

（2）公稱壓力大于等于1.0 MPa且公稱直徑大于等于150 mm的手動(dòng)氧氣閥門，宜選用帶旁通的閥門，以均衡壓力，方便操作，保證開閥安全。

（3）為減輕操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，避免出事故時(shí)傷人，對(duì)于經(jīng)常操作的公稱壓力大于或等于1.0 MPa且公稱直徑大于或等于150 mm的氧氣閥門，宜采用氣動(dòng)遙控閥門。

3.2 閥門工廠設(shè)計(jì)

3.2.1 對(duì)閥門尺寸的正確估計(jì)

對(duì)于工藝設(shè)備成套配置的閥門，有些閥門沒有尺寸參數(shù)，工廠設(shè)計(jì)時(shí)只能粗略估計(jì)閥門的尺寸，很難準(zhǔn)確兼顧到閥門長(zhǎng)度和高度問題，而真正施工時(shí)暴露出的問題往往做調(diào)整也難以彌補(bǔ)。對(duì)于閥門長(zhǎng)度方面問題，在預(yù)冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要高度重視，因?yàn)樵撓到y(tǒng)閥門較多較雜，盡管場(chǎng)地有限，設(shè)計(jì)時(shí)也要合理調(diào)整布局，對(duì)閥門長(zhǎng)度要有充分的估計(jì)，以免出現(xiàn)閥門安裝時(shí)空間不足，或者出現(xiàn)兩個(gè)閥門之間無直管段而直接連接的情況（盡管設(shè)計(jì)時(shí)考慮了兩個(gè)閥門之間的直管段）。如圖1所示。

對(duì)于閥門高度方面問題，主要體現(xiàn)在對(duì)閥門閥桿（閥頭）高度的估計(jì)不足，特別是氣動(dòng)閥門。而這類問題多發(fā)于兩根水平管道上下布置，閥門位于下部管道的情況。由于對(duì)閥門閥桿（閥頭）的高度估計(jì)偏小，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)導(dǎo)致閥桿（閥頭）與上面管道碰撞，對(duì)于上部管道標(biāo)高可調(diào)的情況，可通過現(xiàn)場(chǎng)施工調(diào)整解決，但是對(duì)于錯(cuò)綜復(fù)雜的管系，上部管道標(biāo)高不可調(diào)的情況，閥門無法直立安裝，只好旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度安裝，以避開上部管道，這既不美觀，也不方便操作。如圖2所示。

此外，設(shè)計(jì)時(shí)針對(duì)設(shè)備冷卻器抽芯，除了考慮給足設(shè)備抽芯的長(zhǎng)度空間外，還要注意高度方向有無障礙，特別是閥門尺寸的影響，設(shè)計(jì)時(shí)要盡可能留足閥門尺寸的余量，以保證設(shè)備冷卻器能夠正常抽芯。如圖3所示。

3.2.2 對(duì)閥門位置及安裝方向的考慮

根據(jù)工藝需要和閥門特性，氧氣站閥門的位置及安裝方向應(yīng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。具體情況如下：

（1）截止閥和閘閥：對(duì)于手動(dòng)的截止閥和閘閥，安裝角度沒有限制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，便于操作即可，而對(duì)于電動(dòng)閥門的閥桿則應(yīng)安裝在水平管道上。

（2）止回閥：氣流方向應(yīng)符合止回閥規(guī)定的流向，旋啟式和水平瓣升降式止回閥宜裝在水平管段上，垂直瓣升降式宜裝在垂直管段上。

（3）安全閥：安全閥一般垂直安裝，并宜設(shè)在氣流壓力脈動(dòng)最小的地方，安排放散口應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，朝向安全方位。

4 管件選用

4.1 彎頭、變徑管和三通

對(duì)于氧氣管道，為減少?zèng)_擊與摩擦，防止燃爆事故發(fā)生，氧氣管道上的彎頭、變徑管和三通等管件宜采用成品，并在施工圖材料表中一一列出。當(dāng)成品不能取得時(shí)，應(yīng)在工廠或者現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制，并加工到無銳角、無突出部位及焊瘤，以保證安全。特別是對(duì)于三通處，盡可能不在現(xiàn)場(chǎng)開孔、插接等，現(xiàn)場(chǎng)施工水平很難達(dá)到上述要求，對(duì)安全生產(chǎn)造成隱患。

4.2 法蘭及法蘭蓋

整個(gè)氧氣站的水管和氣管等很多地方都要用到法蘭及法蘭蓋，多位于管道盲端及設(shè)備冷卻器抽芯處。法蘭及法蘭蓋應(yīng)嚴(yán)格按照國(guó)家、行業(yè)有關(guān)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)選用，確保強(qiáng)度和加工精度達(dá)到要求。此外，法蘭和法蘭蓋的選用還要注意高溫下對(duì)壓力-溫度的矯正，這也是設(shè)計(jì)中往往容易忽略之處。例如，根據(jù)《鋼制管法蘭（PN系列）》（HGT20592-2009）規(guī)范，對(duì)于IC4類別號(hào)的碳素鋼類法蘭及法蘭蓋，在溫度為250℃時(shí)，PN6.0的法蘭及法蘭蓋僅能承受0.45 MPa的壓力，因此，如果管道的設(shè)計(jì)壓力為0.5 MPa，法蘭和法蘭蓋選型PN6.0就不能滿足設(shè)計(jì)要求，PN10才合適。在整個(gè)氧氣中，對(duì)于分子篩處法蘭及法蘭蓋的選用，此條更要引起重視。

5 低溫管道的保冷及支撐

5.1 低溫管道保冷

在正常生產(chǎn)中輸送液態(tài)產(chǎn)品的管道，如出分餾塔去液氧、液氮貯槽的管道，貯槽到加壓泵的管道，空分設(shè)備排放液體的管道等，這些管道溫度達(dá)到-196℃，低于-153℃（普冷與深冷的分界線），屬于深冷范圍。為減少外部熱量的侵入，防止氣化和低溫凍傷，需對(duì)低溫管道進(jìn)行保冷，以保證管道的液相輸送。保冷結(jié)構(gòu)（從內(nèi)到外）一般由防銹層、絕熱層、防潮層、保護(hù)層組成。

5.2 低溫管道支撐

在低溫管道絕熱保冷工程中，支撐部位是保冷工程中的薄弱環(huán)節(jié)。如果設(shè)計(jì)時(shí)低溫管道與支撐部位直接接觸，支撐部位將會(huì)產(chǎn)生冷橋，導(dǎo)致支撐周圍保冷失效。對(duì)此，工程中一般采用硬木墊塊或絕熱管托來支撐，以保證保冷效果。

此外，為防止低溫管道的熱脹冷縮引起的位移損壞管道絕熱層，要求管道支架的管托與管道焊死，管托可與支架相對(duì)滑動(dòng)，以此來保護(hù)絕熱層。

6 易忽視易發(fā)生的碰撞部位

工廠設(shè)計(jì)中，除了一些常見的碰撞情況（如管道和管道、管道與閥門設(shè)備平臺(tái)梁或斜撐、管道與電纜橋架、管道與廠房柱）外，還有一些設(shè)計(jì)時(shí)容易忽視而施工現(xiàn)場(chǎng)屢次發(fā)生碰撞的部位，現(xiàn)歸納總結(jié)如下：

（1）冷卻器抽芯與廠房柱子（或支架）碰撞。

（2）出廠房管道與廠房圈梁碰撞。

（3）廠房?jī)?nèi)管溝埋地排水管與廠房地梁碰撞。

（4）管道與廠房的柱間支撐（剪刀撐）碰撞或者距離太近導(dǎo)致支架無法施工。

（5）Y型管道過濾器下部或周圍預(yù)留空間不夠，無法抽芯。

（6）出空冷塔管道與空冷塔梯子平臺(tái)碰撞，如圖4。

（7）管道自然補(bǔ)償?shù)牧Ⅲw補(bǔ)償器下彎部位與支架碰撞，如圖5。

（8）埋地管道與支架基礎(chǔ)碰撞。

7 人性化工程設(shè)計(jì)的建議

（1）上平臺(tái)梯子盡可能做成斜梯，即使斜梯角度稍大也比直爬梯方便得多，因?yàn)槎鄶?shù)情況下操作人員或者檢修人員是要帶著工具爬梯子的，直爬梯增加了操作和檢修的難度。

（2）合理布置管道，盡可能使手動(dòng)閥門低位布置，氣動(dòng)或電動(dòng)閥門高位布置，為現(xiàn)場(chǎng)操作人員提供方便。

（3）對(duì)于大管道閥門處，因管道閥門手柄較高，人站在平臺(tái)上無法操作，最好在平臺(tái)上設(shè)計(jì)支墩或踏步梯以便于人員操作閥門。

（4）廠房?jī)?nèi)的小管道盡可能貼地坪敷設(shè)或埋地敷設(shè)，以便于人員通行。

（5）電纜溝和水管溝地面有一定坡度（一般不小于0.5%），以利于排水。

8 結(jié)束語

氧氣站的工廠設(shè)計(jì)是多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)工作，各個(gè)專業(yè)在設(shè)計(jì)工作過程中的配合與協(xié)調(diào)，直接關(guān)系到現(xiàn)場(chǎng)施工的情況，因此，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)是順利施工的前提，也是安全生產(chǎn)的保障。本文對(duì)采用深冷法設(shè)計(jì)氧氣站的工廠設(shè)計(jì)中的若干細(xì)節(jié)問題展開了論述，總結(jié)了總圖布置與道路運(yùn)輸、閥門選型與設(shè)計(jì)、管件選用、低溫管道的保冷及支撐等注意事項(xiàng)和工程設(shè)計(jì)中易忽視易發(fā)生的碰撞部位，并提出了人性化工程設(shè)計(jì)的建議，對(duì)于實(shí)際的工程設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的參考價(jià)值。只有提高精心設(shè)計(jì)的意識(shí)，才能避免系列問題的發(fā)生，保證氧氣站工程順利投產(chǎn)并穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]GB16912-2008，深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程[S].

[2]杜本超.氧氣管道設(shè)計(jì)[J].制冷與空調(diào)，2013，27（1）：57-60.

A Discussion on Some Issues in the Design of Oxygen Station Plant

SHI Lina
(CISDI Engineering Co.,Ltd.,Chongqing 401122,China)

Based on current effective specifications and combining experience in practical design and construction site service,some attention points in designing of oxygen station plant are summarized.Precautions about general layout and road transportation,valve selection and design,pipe fitting selection,low-temperature insulation and supporting for low temperature pipes and the parts in the project prone to impact and collision but likely to be neglected are discussed.Proposals about human-oriented designing are also put forward.

oxygen station;plant design;attention points

TB6

B

1006-6764(2015)01-0017-04

2014－10－20

石麗娜（1984-），女，碩士研究生學(xué)歷，工程師，現(xiàn)從事鋼鐵企業(yè)燃?xì)庠O(shè)計(jì)工作。