空分裝置氧氣管道設計問題剖析與優(yōu)化

侯明霞

上海寰球工程有限公司 （上海 200032）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展及科學技術(shù)的進步，設備制造能力不斷提升，各行業(yè)特別是石油化工行業(yè)裝備向著集約化、大型化發(fā)展?？辗盅b置的產(chǎn)能也不斷提高，工藝流程不斷完善，流程的本質(zhì)安全得以保證；分離出的氧氣通過管道輸送被大量地運用在工程領(lǐng)域，如化工、冶金、電子、醫(yī)藥等行業(yè)。技術(shù)能力的提升使得管道中氧氣的純度也不斷提高，可超過99．96%。氧氣增壓后通過管道輸送至用戶，在此過程中，氧氣管道燃燒爆炸事故時有發(fā)生。究其原因，一是設計上的失誤，二是施工質(zhì)量不達標[3]，三是操作失誤。本文主要討論氧氣管道的事故原因、設計中采取的措施以及如何通過優(yōu)化管道布置確保氧氣管道及相關(guān)人員的安全。

1 氧氣管道的事故原理

氧氣管道發(fā)生燃燒爆炸，必然要滿足3個方面的條件，即管道內(nèi)有可燃物質(zhì)、助燃物質(zhì)、激發(fā)性的能源。氧氣本身就是助燃物質(zhì)，為氧氣管道燃燒、爆炸提供了必要條件。氧氣管道的材質(zhì)為鋼管，而在純氧環(huán)境下，任何物質(zhì)都是可燃物，包括鋼管。鋼管在純氧中被激發(fā)燃燒，放出巨大的熱量，管道的溫度急速攀升，管道很快被燒穿破裂，流體迅速噴射造成爆炸。鐵與氧的反應式為：

從反應式可以看出，1 mol的鐵在氧中燃燒將釋放出408．6 kJ熱量。分析其著火的原因，除管道內(nèi)有可燃物質(zhì)（如油脂）外，還一定有引起著火的能源，比如：管道內(nèi)氧氣與管壁之間的摩擦、與彎頭撞擊，以及氣流突然降壓產(chǎn)生的壓縮熱；氧氣管道周圍有高溫物質(zhì)及著火源；焊槍等產(chǎn)生的電火花，未能及時導走的靜電等。

（1）管內(nèi)流體與管壁的碰撞、摩擦。高速流動的氧氣中夾帶著管道中殘留的鐵粉、焊渣等，這些物質(zhì)與氧氣管道內(nèi)壁產(chǎn)生碰撞、摩擦，生成的摩擦熱逐漸升高。管道有凹槽或凸起，常與流體產(chǎn)生摩擦、碰撞，或使流體積聚，使得管道溫度升高。這些鐵粉所需的點火能較低，極易發(fā)生自燃。自燃的赤熱鐵粉與閥門內(nèi)件、彎頭高速撞擊，消除大部分動能后沿管壁沉積，黏附在管道內(nèi)壁上，在高溫作用下，氧氣與鐵素體發(fā)生反應，燒穿管道甚至發(fā)生爆炸。

（2） 絕熱壓縮。氧氣管道的減壓閥或調(diào)壓閥在閥門的前后有一定的壓差，當調(diào)壓閥或減壓閥開啟時，壓差迫使管道中的氧氣高速流動，使其動能瞬間增加，所增加的動能轉(zhuǎn)化為壓縮熱，使得管道的溫度驟然升高，導致管道內(nèi)殘留物著火。口徑相差較大的大小頭，也會使得氧氣管道的溫度升高。氣體被絕熱壓縮時，其溫度升高與壓力升高的關(guān)系為：

式中：k為氣體的比熱，氧氣的比熱為1．4。

可以看出，假如初溫T1為300 K，p2/p1=20，則壓縮后的溫度T2可達704 K。因此，當氧氣管道內(nèi)殘留油脂、鐵粉（著火溫度為300～400℃）等可燃物質(zhì)時，氧氣管道極易燃燒爆炸。

（3）靜電積聚。高壓氧氣管道中一丁點的火星就會引燃整個管道。如果管道中的靜電不能被及時導走，累積到一定程度后就會產(chǎn)生電火花，為氧氣管道的燃燒創(chuàng)造必要條件?？辗盅b置中，除氧氣管道外，在冷箱和后備儲罐系統(tǒng)中布置有許多液氧管道。液氧管道相比氧氣管道，更容易產(chǎn)生靜電積聚。液氧在不接地的管道中，有可能產(chǎn)生電位為數(shù)千伏的靜電[2]。如果冷箱內(nèi)的液氧管道由于靜電引起爆炸，其后果不堪設想。

（4）設計缺陷。氧氣管道的布置不合理，未滿足氧氣生產(chǎn)有關(guān)的安全要求。氧氣管道比較特殊，在選材時應充分考慮氧氣的特性，若管件選用不當或設計的管道流速過高，易造成管道事故。

2 設計中采取的措施

通過以上對氧氣管道問題的分析，在設計過程中應綜合考慮這些因素，結(jié)合以往的項目經(jīng)驗，有針對性地采取措施，盡量在設計階段消除氧氣管道安全隱患，保障其安全平穩(wěn)運行。

（1）標準規(guī)范的選取。氧氣管道的設計必須滿足國家法律、法規(guī)和相關(guān)標準、規(guī)范的要求?？辗盅b置目前多采用低溫精餾法內(nèi)壓縮流程制氧氣，因此選用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》，同時可參照GB 50030—2013《氧氣站設計規(guī)范》。2個規(guī)范對氧氣管道要求不一致的地方，按照較高的要求來設計。

（2）流速的選取。氧氣的流速過快極易引發(fā)事故，在氧氣管道設計時，流速不得超過表1[1]的要求，將氧氣管道的流速限制在安全范圍之內(nèi)，管道口徑根據(jù)實際流量（最低工作壓力、最高工作溫度）計算可得。

表1 管道中氧氣最高允許流速

（3）氧氣管道材質(zhì)。氧氣管道金屬材質(zhì)依據(jù)不同的壓力和使用場所進行選擇。氧氣管道的燃燒與氧氣的純度和壓力有關(guān)：純度越高，燃燒速度越快；壓力越高，管道越易燃燒。在相同壓力下，銅的導熱率最大，易散熱，燃燒速度慢，抗腐蝕性能好，但價格較高，強度低，焊接性能不佳；不銹鋼的燃燒溫度高于碳鋼，著火較困難，著火后的燃燒速度比碳鋼快。因此，在滿足規(guī)范要求的前提下，依據(jù)各材料不同的性能，結(jié)合經(jīng)濟性和安全性綜合考慮空分裝置中各位置氧氣管道的材質(zhì)。冷箱內(nèi)的管道為低溫管道，選用不銹鋼無縫鋼管；儲罐區(qū)的氧氣管道選用不銹鋼；管徑超過現(xiàn)有的焊接鋼管、無縫鋼管產(chǎn)品的管徑，且工作壓力小于0．1 MPa的情況下，氧氣管道可選用碳鋼鋼板卷焊管。當壓力大于3 MPa時，調(diào)節(jié)閥前后不小于5倍管徑長度的管道（至少1．5 m）選用銅及銅合金管道或鎳及鎳基合金管道[1]。

（4）氧氣管道管件。氧氣管道的組成件應采買具有相關(guān)生產(chǎn)資質(zhì)廠家的標準件。氧氣管道的彎頭一律采用長半徑彎頭，嚴禁使用蝦米彎頭。氧氣管道的圓弧形異徑接頭小端口徑只能比大端口徑小一個等級，同心圓錐形異徑接頭長度和偏心圓錐形異徑接頭長度應大于3倍大小頭口徑差值。對于不銹鋼氧氣管道，當管道壁厚小于3．2 mm時，應將其管道對應的各項流程參數(shù)視為碳鋼材質(zhì)進行設計。氧氣管道的三通宜采用壓制對焊方式，氧氣管道過濾器的濾網(wǎng)材質(zhì)優(yōu)先選用鎳及鎳合金，網(wǎng)孔尺寸宜為160～250 μm。氧氣管道及組成件必須進行內(nèi)拋光處理，拋光的精度必須滿足相關(guān)規(guī)范的要求。

（5）氧氣介質(zhì)閥門。選用的氧氣介質(zhì)閥門必須為具有相關(guān)資質(zhì)廠家的合格產(chǎn)品，并且取得相關(guān)的技術(shù)認證，在填寫閥門規(guī)格書時一律注明用于氧介質(zhì)。閥門的材質(zhì)需滿足GB 16912—2008中的相關(guān)要求。

（6）管道內(nèi)可燃物的清除。氧氣是助燃氣體，空分裝置精餾系統(tǒng)后的氧氣管道中氧氣純度高達99．96%。因此，需將氧氣管道內(nèi)的毛刺、粘砂、焊渣、鐵粉等可燃物消除干凈。氧氣管道內(nèi)的油脂是易燃物質(zhì)，因此，凡是有氧介質(zhì)的管道、管道組成件、閥門等必須將油脂脫除干凈。管道的脫脂處理應嚴格按照規(guī)范HG 20202—2014《脫脂工程施工及驗收規(guī)范》的相關(guān)要求來做。脫脂后管道用不含油的干燥空氣或氮氣吹掃干凈。

（7）氧氣管道的靜電接地。靜電是引起氧氣管道發(fā)生安全事故的重要因素，因此，在設計的時候就要考慮氧氣管道的靜電消除，將氧氣管道的靜電引至裝置的接地干網(wǎng)上。導除靜電的接地裝置是防止引起著火的一項重要安全措施，GB 50030—2013中已將其列為強制條款，因此，在設計時應給予足夠重視并嚴格執(zhí)行規(guī)范要求。

3 管道布置優(yōu)化

氧氣管道的布置，應在滿足工藝流程要求和遵循規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，做到經(jīng)濟、安全、可靠。管道應盡量短，以減少盲腸和袋形；氧氣管道應盡可能架空敷設，當實在無法架空時采用別的敷設方式，架空敷設的氧氣管道應盡量遠離可燃介質(zhì)管道、熱力管道，可與惰性氣體管道、空氣管道等布置在一起；氧氣管道與油脂、可能泄露腐蝕性介質(zhì)的管道共架時，應設置在該類管道的上方或支架兩側(cè)。

為防止液氧管道的冷量損失，降低氣化率，在滿足應力的前提下，應減少設計彎頭，盡量做到短而直，并通過計算選擇合適的管道保溫方式。在設備布置時，空分裝置冷箱距離后備儲罐區(qū)不宜太遠，當因場地限制無法滿足條件時液氧管道可采用真空夾套管進行保溫。

（1）氧氣閥組防爆墻設計。如圖1所示，氧氣管道的調(diào)節(jié)閥組全部布置在迷宮式防爆墻內(nèi)，防爆墻的高度為3 m。閥門的閥桿伸出防爆墻外，便于操作。氧氣管道有法蘭連接的地方比較容易泄露，因此，在考慮防爆墻附近的操作人員平臺時，應以閥門或法蘭的位置為起點，以操作人員的巡檢平臺為終點作一射線，看防爆墻是否可以擋住該爆炸射線。簡而言之，當巡檢或操作人員在防爆墻附近平臺上時，站在平臺的邊緣，人的眼睛無法看到氧氣管道的閥門或法蘭。如無法滿足條件，則考慮在防爆墻的頂部加蓋板，以保護操作和巡檢人員的安全。蓋板的寬度不宜超過防爆墻寬度的1/4。

圖1 防爆墻內(nèi)氧氣閥組布置

（2）安全排放。氧氣管道的排放有令人窒息的危險，因此在室內(nèi)的含氧管道應排放至室外安全處，放空的高度不得低于4.5 m，對于含有富氧排放的設備，依據(jù)相關(guān)規(guī)則用PHAST軟件進行排放計算。根據(jù)排放方式（垂直、水平、45°）,氣象條件，排放速度，修正系數(shù)（低速排放時，需考慮排放介質(zhì)的下沉、擴散等因素）等計算出安全的間距。液氧管道還有凍傷人員的危險，管道布置時應將所有液氧管道上的放空排凈管（包括安全閥的出口管）合并之后引至安全處，遠離操作維修和人員通行的地方，并設置圍欄和警示標志，以防人員靠近發(fā)生事故。

（3）選取合適的支吊架。氧氣管道盡量采用自然補償?shù)姆绞皆黾庸艿赖娜嵝?，在應力允許的情況下盡量少用彎頭。如圖2所示，氧氣管道從汽化器頂部出來向下布置閥門，為保證管口的荷載在許用范圍之內(nèi)，在東西向設置限位支架（圖中東西向支架所示）。因管道向上膨脹，同時在該點設置彈簧支架（限位架下面為彈簧架），以免立管和頂部水平管的重量全部壓在設備管口處，超過其管口的許用荷載，使管口的法蘭拉裂或變形，進而使氧氣發(fā)生泄漏，造成重大危害。對于從冷箱到低溫儲罐的液氧管道，應充分考慮內(nèi)管的膨脹量，合理地設置膨脹節(jié)和限位支架。對于液氧介質(zhì)的設備管口，管道走向通過應力計算確定，設備管口荷載依然無法滿足要求時，可同設備廠家溝通增大管口的壓力等級，以增大管口的受力強度，滿足管口的荷載要求。

圖2 汽化器出口氧氣管道布置

4 結(jié)語

總而言之，只有從設計的根源上消除隱患，嚴格把關(guān)管道安裝施工的質(zhì)量，提高運行管理能力，嚴格按照相關(guān)規(guī)程操作維護，才能控制氧氣管道燃爆事故的發(fā)生，保障裝置的平穩(wěn)安全運行。