液氧管道布置及保冷設(shè)計(jì)探討

孔曉軍 甄崇汀 中石化寧波工程有限公司 寧波 315103

液氧在石油化工裝置中廣泛運(yùn)用。工業(yè)上制造液氧的方法是對(duì)低溫液態(tài)空氣進(jìn)行分餾，液氧是空分裝置的主要產(chǎn)品，儲(chǔ)存時(shí)以液氧形態(tài)儲(chǔ)存。

1 液氧管道布置

1.1 液氧的特點(diǎn)

氧氣在溫度低于-182.980℃時(shí)液化成液體，呈天藍(lán)色，氣化時(shí)吸收大量熱量。在常溫情況下液氧極易受熱氣化，同質(zhì)量的氧氣體積是液氧的800 倍。

1.1.1 防止液氧發(fā)生物理爆炸

(1)液氧劇烈蒸發(fā)產(chǎn)生爆炸。液氧儲(chǔ)存溫度的輕微變化會(huì)帶來(lái)液氧管道內(nèi)部壓力的急劇變化。例如， - 182℃時(shí)液氧管內(nèi)飽和氣壓約為0.1041bar，- 180℃ 時(shí)液氧管內(nèi)飽和氣壓約為0.3512bar，- 177℃ 時(shí)液氧管內(nèi)飽和氣壓約為0.7979bar。管道內(nèi)液氧受熱易氣化，管內(nèi)壓力升高，導(dǎo)致安全閥起跳或者使泵氣蝕。系統(tǒng)停車排凈后，切斷閥關(guān)閉，容易導(dǎo)致切斷閥間密閉管段受熱超壓爆炸。

(2)由于液氧存在于-182.980℃下，當(dāng)液氧介質(zhì)竄入氣化后的氧氣管道中時(shí)，會(huì)造成大氣中的水分在管壁附近低溫過(guò)飽和析出，管壁掛霜、結(jié)露和凍冰、超低溫造成碳鋼管機(jī)械強(qiáng)度大幅下降，承壓能力驟減，碳鋼低溫脆性性能差，易發(fā)生低溫態(tài)爆炸。

1.1.2 防止液氧發(fā)生化學(xué)爆炸

(1)液氧中烴類、有機(jī)物等聚積發(fā)生化學(xué)爆炸，在所有已知的空氣雜質(zhì)中，與液氧接觸最危險(xiǎn)的介質(zhì)為乙炔。同時(shí)，液氧中的碳?xì)浠衔锓e聚成粒子，液氧泵運(yùn)行過(guò)程中，高速粒子沖擊液氧管道，特別是管道薄弱部分(波紋管膨脹節(jié))，由于摩擦大，液氧壓力高導(dǎo)致膨脹節(jié)破壞，液氧管道泄漏，或者進(jìn)入真空管道真空腔內(nèi)。

(2)當(dāng)液氧泄漏，與可燃物質(zhì)接觸(瀝青)，如果發(fā)生爆炸，其產(chǎn)生的破壞力與冷凝炸藥相當(dāng)(液氧炸藥)，爆炸力大。

1.1.3 防止液氧人身傷害

當(dāng)液氧發(fā)生“跑、冒、滴、漏”事故時(shí)，一旦液氧噴濺到人的皮膚，將引起嚴(yán)重的凍傷事故。

1.2 液氧管道布置要求

1.2.1 通用原則

按《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》GB 50235-2010 和《石油化工有毒、可燃介質(zhì)鋼制管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》SH 3501 -2011 規(guī)定，設(shè)計(jì)溫度低于-290℃的管道為低溫管道。因此，液氧管道屬于低溫管道。

(1)管道切斷閥之間的密閉管段必須設(shè)置安全閥。

(2)低溫管道布置應(yīng)以如何減少管道壓降和冷損為原則，管道布置時(shí)應(yīng)在滿足工藝流程和應(yīng)力的情況下，管道走向盡可能簡(jiǎn)單。

(3)管道應(yīng)有不小于3%的坡度，使汽化出的氧氣及其他氣體順管道坡度流向儲(chǔ)罐等設(shè)備。

(4)低溫閥門宜布置在水平管道上，所有低溫閥門的閥桿均應(yīng)加長(zhǎng)，并且宜豎直安裝。閥門組的配管應(yīng)注意考慮能順利卸下其中任何一個(gè)閥而不影響管道保冷結(jié)構(gòu)。

(5)靠近彎頭或三通處，一般不允許直接焊接法蘭。為了拆卸螺栓時(shí)不破壞主管道上的保冷層，需再延長(zhǎng)一段長(zhǎng)度(接一短管)后再焊接法蘭。

1.2.2 液氧管道布置的特殊要求

液氧管道連接儲(chǔ)罐與泵時(shí)，必須設(shè)置人為液袋，兩側(cè)配管皆做成步步高形式，液袋處設(shè)放凈。由于低溫泵常溫啟動(dòng)時(shí)需耗大量時(shí)間冷泵，一旦發(fā)生事故，系統(tǒng)供氣量減少。為保證下游裝置的正常運(yùn)行，后備系統(tǒng)需及時(shí)提供所缺氣量，所以該泵應(yīng)時(shí)刻處于冷備或者惰轉(zhuǎn)狀態(tài)。在這兩種狀態(tài)下，管內(nèi)液氧不流動(dòng)或慢速流動(dòng)，液氧氣化劇烈，碳?xì)浠衔餄饪s積聚，若儲(chǔ)罐出液口與泵吸入口之間的管道為步步低時(shí)，碳?xì)浠衔锓e聚在泵口和泵頭處，一旦泵高速運(yùn)轉(zhuǎn)極易發(fā)生燃爆。

液氧儲(chǔ)罐與泵的典型配管見(jiàn)圖1。儲(chǔ)罐與泵之間配管成“V”字形，碳?xì)浠衔锓e聚在集合管處，集合管為低點(diǎn)，此處設(shè)置放凈，每隔一段時(shí)間開(kāi)閥排液，降低碳?xì)浠衔餄舛?再者管道布置成“V”字形可以讓吸熱汽化的氧氣順管道流回儲(chǔ)罐和泵，不至于在管內(nèi)積聚大量氣體，影響液體正常流動(dòng)。

圖1 液氧儲(chǔ)罐與泵的典型配管

這種液氧典型配管，集合管處不僅可作為后備泵的液體來(lái)源，也可作為裝車液氧和自增壓器所需液氧的來(lái)源。

儲(chǔ)罐與液氧泵之間的低點(diǎn)采取導(dǎo)淋措施外，還有一種方法值得借鑒，見(jiàn)圖2。圖中液氧管道在儲(chǔ)罐與泵之間存在人為低點(diǎn)，低點(diǎn)處設(shè)置一條毛細(xì)管回流線，未設(shè)置導(dǎo)淋。通過(guò)不保溫毛細(xì)管，使管道升溫液體氣化，發(fā)生溫差環(huán)流，將低點(diǎn)碳?xì)浠衔飵雰?chǔ)罐內(nèi)。儲(chǔ)罐內(nèi)液氧需定期進(jìn)行分析化驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)碳?xì)浠衔锍瑯?biāo)時(shí)可進(jìn)行部分排液或徹底排液加溫操作。

圖2 液氧儲(chǔ)罐與泵低點(diǎn)設(shè)毛細(xì)回流線配管

1.2.3 排凈管道布置

不同供貨商對(duì)液氧放凈管道設(shè)計(jì)的做法見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 國(guó)外甲供貨商放凈及安全閥配管

圖4 國(guó)外乙供貨商放凈及安全閥配管

圖3為國(guó)外甲供貨商對(duì)放凈及安全閥配管的要求，安全閥管線與放凈管線共用同一個(gè)入口管，支管插入主管并接近主管底，且必須為在頂部接出，放凈閥前后管線均應(yīng)低于放凈閥本體，安全閥后管線低于安全閥本體，直接排放在鋪鵝軟石或碎石子的地坪上。

圖4 為國(guó)外乙供貨商對(duì)放凈及安全閥配管的要求，安全閥管線與放凈管線共用同一個(gè)入口管，且入口管應(yīng)在主管靠近底部處接出，放凈閥前后管線均應(yīng)低于放凈閥本體，安全閥后管線低于安全閥本體，排液管匯于排液總管后通向殘液排放器，排液總管為步步低。

兩家供貨商均要求在管道低點(diǎn)設(shè)置放凈，并每隔一段時(shí)間開(kāi)啟放凈閥一次，排掉積聚的碳?xì)浠衔锏扔泻橘|(zhì)，兩家單位均未在液氧管底部設(shè)置放凈，避免管道出現(xiàn)盲端。安全閥與放凈均使用同一入口管，是為了減少主管焊縫從而減少泄漏點(diǎn)。

放凈閥前后管道均低于閥體則是為了在正常運(yùn)行時(shí)隔斷閥門與液氧的接觸，減少低溫液體對(duì)閥門填料函的損壞。國(guó)外供貨商對(duì)沖車泵入口的工藝要求，詳細(xì)標(biāo)明了管線的坡向要求，見(jiàn)圖5;圖6 為國(guó)內(nèi)某供貨商沖車泵入口的PID。

2 液氧管道保冷設(shè)計(jì)

圖5 國(guó)外供貨商對(duì)沖車泵入口要求

圖6 國(guó)內(nèi)供貨商對(duì)沖車泵入口要求

液氧管道的保冷結(jié)構(gòu)從內(nèi)至外，由除銹層、保冷層、防潮層、保護(hù)層構(gòu)成。保冷層對(duì)維護(hù)介質(zhì)溫度穩(wěn)定起主要作用，因此合理選擇保冷材料很關(guān)鍵。選擇保冷材料時(shí)，應(yīng)注意材料的密度、透氣、吸水性、變形、吸濕性并應(yīng)具有良好的抗凍性，在低溫下物性穩(wěn)定，可長(zhǎng)期使用。同時(shí)，還應(yīng)考慮保冷材料的低溫收縮率，低溫狀態(tài)下是否會(huì)發(fā)生龜裂及脆化等。常見(jiàn)保冷材料基本情況見(jiàn)表1［1］。

表1 常見(jiàn)保冷材料基本情況

2.1 泡沫玻璃保冷

采用泡沫玻璃保冷時(shí)，保冷層較厚，大口徑管道厚度往往達(dá)到200mm 以上，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)和安裝空間狹小的裝置，配管難度增大。泡沫玻璃的安裝質(zhì)量如何直接影響管道的保冷效果，大部分裝置的液氧管道的泡沫玻璃弧形板之間的空隙都會(huì)結(jié)霜，且泡沫玻璃性脆易碎，安裝過(guò)程中難免有部分碰撞導(dǎo)致碎裂，影響保冷效果，并且冷量的損失導(dǎo)致管內(nèi)氧氣量增加，管道壓力增加引起安全閥頻繁起跳。

2.2 珠光砂保冷

珠光砂導(dǎo)熱能力小于泡沫玻璃，易填充，保冷效果明顯。珠光砂填充前應(yīng)考慮被填充設(shè)備周圍環(huán)境，留有珠光砂制造設(shè)備與運(yùn)輸車操作的空間。

空分罐區(qū)低溫泵附近低溫管線較多，閥門布置較密時(shí)，應(yīng)考慮將泵體、閥門、管道、管件等共同做一小冷箱，也稱泵箱，閥門手輪應(yīng)伸出箱體。若有條件該泵箱最好做至儲(chǔ)罐出液口處，無(wú)需再用泡沫玻璃或真空管保冷。為了避免箱體內(nèi)結(jié)霜、結(jié)凍導(dǎo)致保冷性能下降，冷箱內(nèi)應(yīng)充氣保持微正壓。

珠光砂造價(jià)低廉，保冷效果極好，但所占空間較大，若箱體內(nèi)若發(fā)生液體泄漏時(shí)，檢修難度極大，需扒砂，檢修完后回填等。

2.3 真空管保冷

由于真空的理論熱傳導(dǎo)能力為零，其冷量損失僅為熱輻射，所以其保冷能力強(qiáng)。低溫管道輸送距離較長(zhǎng)時(shí)，基于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行及安全考慮，應(yīng)盡量選擇用真空管作為保冷形式。

真空管的設(shè)計(jì)是由專門的低溫設(shè)備廠根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的單線圖來(lái)進(jìn)行二次設(shè)計(jì)，再將管道預(yù)制后分段運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)。管道的兩端與設(shè)備連接處在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)預(yù)留100 -200mm 的裸管，方便現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)整，最后將該部分管道用泡沫玻璃保冷或采用伸縮套內(nèi)充離心玻璃棉的方式保冷。液氧管道廠家設(shè)計(jì)真空管時(shí)按管道伸縮量設(shè)置軸向補(bǔ)償器，并在內(nèi)管合理位置設(shè)置導(dǎo)向支架，真空管道出廠前應(yīng)完成壓力試驗(yàn)，管內(nèi)不得有低位積液。

目前許多大型空分裝置低溫管道正逐漸采用真空管形式，相比較之前的泡沫玻璃保冷，從外觀上看由于少了臃腫的泡沫玻璃，管道外徑縮小，管夾也相應(yīng)減小，節(jié)省了更多的空間。雖然真空管有諸多優(yōu)點(diǎn)，但其價(jià)格遠(yuǎn)高于泡沫玻璃，由于存在泄漏點(diǎn)，其保冷效果會(huì)隨著時(shí)間的推移逐漸降低。所以根據(jù)裝置實(shí)際情況每隔幾年應(yīng)更換一批真空管以確保裝置正常運(yùn)行。

以上三種管道保溫形式的選擇應(yīng)根據(jù)裝置規(guī)模大小、設(shè)備的布置情況、系統(tǒng)的繁復(fù)程度及資金的情況進(jìn)行綜合考慮后確定。

表2 真空管最大冷損量

3 結(jié)語(yǔ)

由于液氧管線的特殊性，其配管及保冷要求較高，國(guó)外的成套供貨商對(duì)于這類管道的配管及保溫在其公司內(nèi)部已有明確的規(guī)定。目前的國(guó)內(nèi)成套供貨商在逐漸吸收國(guó)外幾大空分供貨商的經(jīng)驗(yàn)后也已初步掌握了該類管道的要求，但細(xì)節(jié)問(wèn)題往往被忽略，設(shè)計(jì)人員應(yīng)結(jié)合國(guó)外優(yōu)秀供貨商的流程及管道設(shè)計(jì)要求，完善流程及管道布置，并選擇合理的保冷形式，防止事故的發(fā)生。

1 SH/T 3010 -2013，石油化工設(shè)備和管道隔熱技術(shù)規(guī)范［S］.