煤化工空分裝置氧氣管道的質(zhì)量控制要點(diǎn)

郭 艷，武麗娜，陳睿謙，張喜春

（中薪油武漢化工工程技術(shù)有限公司，湖北武漢 430223)

煤化工空分裝置氧氣管道的質(zhì)量控制要點(diǎn)

郭 艷，武麗娜，陳睿謙，張喜春

（中薪油武漢化工工程技術(shù)有限公司，湖北武漢 430223)

重點(diǎn)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(zhì)應(yīng)用范圍、管道布置等設(shè)計要點(diǎn)，論證實(shí)際項目設(shè)計的合規(guī)性及優(yōu)化方式；最后總結(jié)氧氣管道在安裝、運(yùn)行管理中的質(zhì)量控制要點(diǎn)，指出安裝質(zhì)量控制中的采購創(chuàng)新。

氧氣管道；撞擊場合；設(shè)計；安裝；運(yùn)行

氧氣在煤化工項目中作為氣化劑和反應(yīng)原料，需求巨大；且氣質(zhì)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(chǎn)的氧氣主要供煤氣化裝置使用。隨著國家對資源規(guī)?；靡蟮奶岣吆兔夯ぎa(chǎn)業(yè)化發(fā)展的強(qiáng)力推動，裝置設(shè)計、制造水平趨于規(guī)?；⒃O(shè)備大型化，空分裝置規(guī)模也在不斷加大。因此，空分裝置氧氣管道系統(tǒng)的質(zhì)量控制不僅關(guān)系到空分裝置的安全運(yùn)行，也是煤化工項目安全平穩(wěn)運(yùn)行的前提。

本文結(jié)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(tǒng)設(shè)計實(shí)例，總結(jié)典型 “撞擊場合”在設(shè)計、安裝、運(yùn)行中的質(zhì)量控制要點(diǎn)。

1 氧氣管道燃燒原因分析

在諸多參考文獻(xiàn)中都提到氧氣管道燃爆三要素：可燃物、助燃物、激發(fā)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(dǎo)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(tǒng)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(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)氧氣濃度、壓力提高，氧氣管道系統(tǒng)中的可燃物著火點(diǎn)降低。

1.3 激發(fā)源

氧氣管道系統(tǒng)中的激發(fā)源的產(chǎn)生主要因管材、管件、閥門選型不當(dāng)；配管形成盲區(qū)；施工質(zhì)量控制不當(dāng)；生產(chǎn)運(yùn)行操作不當(dāng)?shù)仍斐?，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(dāng)壓縮到15MPa時，其溫度約上升到900℃。如在此環(huán)境中存在油脂或可燃墊片，極易引發(fā)燃爆事故；

（2）高壓氧流中的高速運(yùn)動固體顆粒（鐵銹、焊渣、雜質(zhì)顆粒等），與管道及管件內(nèi)壁摩擦產(chǎn)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(nèi)壁摩擦產(chǎn)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(gòu)成激發(fā)源；

（3）油脂引燃。油脂在氧氣中的著火點(diǎn)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(fā)現(xiàn)，要確保氧氣管道安全運(yùn)行，需要對設(shè)計（工藝設(shè)計、材料選型、管道布置、防雷接地等）、安裝、運(yùn)行管理三個維度有足夠的認(rèn)識，采取切實(shí)可靠的安全措施，進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量控制，才能杜絕燃爆事故發(fā)生。

2 氧氣管道設(shè)計質(zhì)量控制要點(diǎn)

2.1 氧氣管道的設(shè)計執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

GB 16912—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》；GB 50030—2013，《氧氣站設(shè)計規(guī)范》；GB 50316—2000，《工業(yè)金屬管道設(shè)計規(guī)范》。

2.2 “撞擊場合”界定

歐洲工業(yè)氣體協(xié)會（EIGA）[1]對氧氣管道系統(tǒng)中的“撞擊場合”和“非撞擊場合”進(jìn)行科學(xué)分類。并明確，能使氧氣流動方向突然改變、產(chǎn)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(diào)節(jié)閥、安全閥等）、過濾器、孔板等。

對于 “撞擊場合”如調(diào)節(jié)閥、安全閥等，閥后氧氣流速相對閥前大大增加，這些區(qū)域由于氧氣流速突變更容易產(chǎn)生激發(fā)源，非常危險。因此，“撞擊場合”在一定管徑范圍內(nèi)，管道材質(zhì)及壁厚的選取是否合適，是氧氣管道能否安全運(yùn)行的質(zhì)量控制重點(diǎn)。

2.3 材質(zhì)、壁厚選用

空分裝置氧氣管道系統(tǒng)的選材，要考慮金屬材質(zhì)及壁厚、氧氣的流速限制、系統(tǒng)的設(shè)計壓力。相關(guān)氧氣安全技術(shù)規(guī)范均認(rèn)為，對于選定的金屬材料而言，當(dāng)氧氣的設(shè)計壓力升高時，系統(tǒng)內(nèi)允許的氧氣流速應(yīng)降低。但如果管道系統(tǒng)選取的金屬材料在設(shè)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(tǒng)的安全運(yùn)行的極大保證。因此，“撞擊場合” 材質(zhì)、壁厚選用應(yīng)結(jié)合各材質(zhì)在豁免壓力下對應(yīng)的最小厚度綜合考慮。

本項目空分裝置氧氣管道材質(zhì)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(zhì)及壁厚重點(diǎn)參考?xì)W洲工業(yè)氣體協(xié)會（EIGA）制定的IGC Doc 13/12/E 標(biāo)準(zhǔn)[1]?，F(xiàn)將本項目中氧氣管道系統(tǒng)“撞擊場合”在設(shè)計壓力下實(shí)際采用的材質(zhì)、壁厚與EIGA IGC Doc 13/12/E 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)對比，見表1。

表1 “撞擊場合”材質(zhì)及壁厚對比

通過對比發(fā)現(xiàn)，本項目設(shè)計壓力低于豁免壓力，且實(shí)際使用材質(zhì)壁厚高于豁免壓力下的最小壁厚，項目中“撞擊場合”材質(zhì)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(shù)管徑范圍內(nèi)，選用合適的管道材質(zhì)及壁厚可以保證氧氣管道安全運(yùn)行，“一定倍數(shù)管徑范圍”在國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)體系中均給予明確，總結(jié)下來是在“撞擊場合”5～10倍管徑范圍內(nèi)[2]。下面重點(diǎn)結(jié)合GB 16912—2008[3]及GB 50030—2013[4]相關(guān)條款分析本項目中典型“撞擊場合”管道布置設(shè)計注意要點(diǎn)，并驗(yàn)證項目對標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行情況。

圖1 “撞擊場合”管道布置圖

表2 “撞擊場合”材質(zhì)及應(yīng)用范圍分析

（1）本項目氧氣管道輸送系統(tǒng)設(shè)計壓力5.8MPa，放空系統(tǒng)設(shè)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(guī)定，當(dāng)設(shè)計壓力為5.8MPa，氧氣管道系統(tǒng)遇閥門、調(diào)節(jié)閥，在閥門后5倍管外徑且不少于1.5m范圍內(nèi)、調(diào)節(jié)閥前和后5倍管外徑且不少于1.5m范圍內(nèi)，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(zhì)；在2.0MPa設(shè)計壓力下，放散閥后管道材質(zhì)除可采用前述材料外，由于系統(tǒng)壓力降低，材質(zhì)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(zhì)選取及應(yīng)用范圍見表2。

（2）圖1中典型“撞擊場合”管道布置在防護(hù)墻內(nèi)，手動旁通閥閥桿伸至防護(hù)墻外，通過手動操作旁通閥平衡調(diào)節(jié)閥前后壓力。故不需考慮GB 16912—2008 第8.1.3條對氧氣調(diào)節(jié)閥前后8倍調(diào)節(jié)閥公稱直徑范圍內(nèi)使用銅基合金或鎳基合金材質(zhì)的限定要求，依舊執(zhí)行GB 16912—2008 表10和GB 50030—2013 表11.0.9關(guān)于材質(zhì)應(yīng)用范圍的規(guī)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(guī)定：調(diào)節(jié)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(nèi)壁平滑，無銳邊、毛刺及焊熘；

通過對標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范分析發(fā)現(xiàn)，“撞擊場合”尤其是閥門出口一定范圍內(nèi)，材質(zhì)及配管要求非常嚴(yán)格。本項目在整個設(shè)計中均符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的相關(guān)條款，相應(yīng)壓力下的材質(zhì)選用及應(yīng)用范圍均滿足規(guī)范要求。但是，在條款（3）的執(zhí)行程度上，個別“撞擊場合”的管道布置還有優(yōu)化的空間。具體優(yōu)化如下：調(diào)整L3直管段上支管接頭位置，保證調(diào)節(jié)閥1后有1.5m的直管段；椎管1的長度調(diào)整為L=2 100（調(diào)整前L=1 000），椎管2的長度調(diào)整為L=1 400（調(diào)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(diào)整后，防爆墻配管區(qū)域的長度至少增加至8m，由此可見，在項目的方案設(shè)計階段，應(yīng)完成空分裝置氧氣外送、放空管道系統(tǒng)的管道布置研究圖，考慮足夠的余量，以保證施工圖設(shè)計中，氧氣管道配管的空間要求。

3 氧氣管道安裝質(zhì)量控制要點(diǎn)

氧氣管道的施工、焊接、檢驗(yàn)、試壓及驗(yàn)收執(zhí)行規(guī)范如下：

GB 50235—2010，《工業(yè)金屬管道工程施工規(guī)范》；GB 50236—2011，《現(xiàn)場設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工規(guī)范》；HG 20202—2000，《脫脂工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》。

氧氣管道在安裝前應(yīng)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(yàn)收檢驗(yàn)及脫脂等工作；在安裝時應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控焊接質(zhì)量檢查、管道系統(tǒng)耐壓及氣密性實(shí)驗(yàn)、系統(tǒng)清洗及吹掃實(shí)驗(yàn)、靜電接地等工作。

本項目氧氣管道系統(tǒng)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(guān)材料的驗(yàn)收檢驗(yàn)、焊接工藝評定、焊工考核等工作放在國外總包現(xiàn)場進(jìn)行，則不利于項目進(jìn)度的推進(jìn)。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(nèi)管道系統(tǒng)的脫脂，焊接，外觀檢查、無損檢測、分段強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)、清洗及吹掃實(shí)驗(yàn)后密封，在交貨日期前送抵現(xiàn)場，現(xiàn)場僅在已有的焊接方案內(nèi)完成304L調(diào)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(tǒng)的施工質(zhì)量。

4 氧氣管道運(yùn)行質(zhì)量控制要點(diǎn)

1）為避免閥門急速啟閉形成絕熱壓縮，氧氣管道系統(tǒng)在開車、正式通氣及大修后通氣前，應(yīng)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(nèi)，再開啟壓力調(diào)節(jié)閥；

2）加強(qiáng)氧氣管道系統(tǒng)的常規(guī)巡檢、定期維護(hù)檢修工作，重點(diǎn)注意管道系統(tǒng)內(nèi)的清理工作和閥門、儀表、安全泄放系統(tǒng)的核查整定；

3）對氧氣管道進(jìn)行重大作業(yè)和動火作業(yè)前，必須預(yù)先制定詳細(xì)作業(yè)方案，經(jīng)相關(guān)主管部門批準(zhǔn)后實(shí)施；

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

5 結(jié)論

伴隨著空分裝置大型化發(fā)展，氧氣管道質(zhì)量控制已成為空分裝置安全運(yùn)行的重點(diǎn)監(jiān)控內(nèi)容。本文圍繞氧氣管道燃爆原因，結(jié)合現(xiàn)實(shí)項目，重點(diǎn)分析氧氣管道設(shè)計在選材、布置方面的質(zhì)量控制要點(diǎn)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的合規(guī)性，指出典型“撞擊場合”5～10倍管徑范圍使用材質(zhì)得壁厚應(yīng)高于豁免壓力下的最小壁厚，才能保證氧氣管道的安全運(yùn)行；同時，簡要概述安裝、運(yùn)行方面的質(zhì)量控制要點(diǎn)，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(xù)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(shù)規(guī)范選材原則[J].化工設(shè)計，2015，25（5）：47– 50.

[3] GB 16912—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].

[4] GB 50030—2013，氧氣站設(shè)計規(guī)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(shè)計工作。