高壓氧氣管道施工技術(shù)

崔 峰 柳 姚

中國(guó)化學(xué)工程第六建設(shè)有限公司 湖北襄陽(yáng) 441100

氧氣為化工的助燃系統(tǒng)。近年來，隨著化工系統(tǒng)氧氣用量的增加和工藝的提升，氧氣管線的壓力、流速和溫度隨之提高，材質(zhì)選用偏向鎳基管。由于管路長(zhǎng)、分布廣，再加上急開、速關(guān)閥門，造成氧氣管道和閥門燃燒爆炸事故時(shí)有發(fā)生，所以高壓氧氣管道的安裝技術(shù)和質(zhì)量控制尤為重要。

1 技術(shù)特點(diǎn)

（1）優(yōu)化固定口的焊接位置：高壓氧氣管道施工難度大，設(shè)計(jì)預(yù)留空間小，主要材質(zhì)為304 不銹鋼和N06600鎳基合金，并且焊接困難，尤其是固定焊口的焊接。應(yīng)通過施工前期的統(tǒng)籌規(guī)劃及管道單線圖的深化，細(xì)化出合理的預(yù)制部分，盡量減少現(xiàn)場(chǎng)的安裝固定口，并把固定口的位置優(yōu)化留在垂直管道上，避免仰焊，降低焊接難度。

（2）所有坡口采用機(jī)械加工：引進(jìn)管道自動(dòng)焊技術(shù)，減少人工消耗和不穩(wěn)定性，提高施工效率。

（3）全面控制高壓氧氣管道施工的各個(gè)工序，包括材料驗(yàn)收、管道預(yù)制、管道脫脂、下料組對(duì)、管道焊接、焊縫無損檢測(cè)、管道試壓、整體化學(xué)清洗、系統(tǒng)氣密等，有效規(guī)避質(zhì)量和安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 工藝流程及操作要點(diǎn)

高壓氧氣管道的施工工藝流程見圖1。

圖1 高壓氧氣管道的施工工藝流程示意圖

2.1 圖紙深化

根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的施工單線圖，編制焊接數(shù)據(jù)庫(kù)，然后細(xì)化出預(yù)制的焊口，焊接考慮管道自動(dòng)焊預(yù)制場(chǎng)加工。

2.2 材料核對(duì)及保管

鎳基材質(zhì)的所有物料采購(gòu)周期較長(zhǎng)，均為國(guó)外進(jìn)口，一般在4～6 個(gè)月。若材料丟失或使用偏差會(huì)造成高壓氧氣系統(tǒng)不能按時(shí)施工，并且設(shè)計(jì)也不允許用其他材質(zhì)代用，所以材料的核對(duì)及單獨(dú)保管尤為重要。

2.3 管道脫脂

為確保系統(tǒng)無油脂施工，脫脂是高壓氧氣管道系統(tǒng)運(yùn)行最基本的保證，是氧氣管線施工的一個(gè)重要步驟，需要嚴(yán)格控制脫脂質(zhì)量。

（1）管道脫脂分兩次進(jìn)行：第一次采用槽浸式脫脂，在管道預(yù)制前將管道及組成件放入盛裝脫脂劑的槽內(nèi)進(jìn)行浸泡脫脂；第二次為系統(tǒng)循環(huán)脫脂法，管道安裝后讓脫脂劑在管內(nèi)循環(huán)，對(duì)管道進(jìn)行分段或整段脫脂。

（2）脫脂程序：水沖洗→酸洗→水沖洗→鈍化→干燥→脫脂→干燥→檢驗(yàn)→封閉。脫脂程序及要求見表1。

表1 脫脂程序及要求

（3）脫脂后檢查：因高壓氧氣管道的脫脂極其重要，管道脫脂后應(yīng)由專職檢查人員組織三方（業(yè)主單位、監(jiān)理單位、施工單位）共檢，檢查合格后簽字確認(rèn)，方可進(jìn)行下一道工序。檢驗(yàn)方法：根據(jù)HG20202 規(guī)定用波長(zhǎng)320～380nm 紫外光檢查脫脂件表面，無油脂熒光為合格。合格脫脂件的保護(hù)應(yīng)符合下列要求：檢查合格后應(yīng)由專人負(fù)責(zé)封閉，并做好標(biāo)識(shí)；采用含油量符合脫脂標(biāo)準(zhǔn)的塑料薄膜封閉管口，妥善存放防止污染；設(shè)置合格區(qū)、不合格區(qū)和待脫脂區(qū)，對(duì)不同的管道、管件分類放置。高壓氧氣管道脫脂關(guān)鍵工序：脫脂劑（丙酮）管理，脫脂劑不得受陽(yáng)光直接照射、存放分區(qū)；機(jī)具等脫脂，施工用機(jī)具和防護(hù)用品施工前也要進(jìn)行脫脂；過程保護(hù)，脫脂合格的預(yù)制件在施工過程中注意保護(hù)，避免二次污染。

2.4 下料組對(duì)

（1）因材質(zhì)的特殊性，所有下料尺寸必須經(jīng)過檢查確認(rèn)后方可下料。為了保證組對(duì)間隙，所有管道坡口均要機(jī)械加工，保證坡口處齊平并角度一致，機(jī)械加工高壓氧氣管道坡口見圖1。

（2）下料后即進(jìn)行脫脂保護(hù)。

圖2 機(jī)械加工高壓氧氣管道坡口

（3）所有焊口組對(duì)前必須進(jìn)行脫脂處理，且焊口不允許直接電焊組對(duì)，要外圍點(diǎn)板對(duì)口，并且焊口組對(duì)錯(cuò)邊量不大于1mm。

（4）管道開孔均要機(jī)械開孔。

2.5 焊接

（1）高壓氧氣管道焊接前必須具有合格的焊接工藝評(píng)定，根據(jù)焊接工藝評(píng)定報(bào)告編制焊接工藝規(guī)程，用于指導(dǎo)焊工施焊作業(yè)。

（2）進(jìn)行高壓氧氣管道焊接施工的焊工必須持有由國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)的作業(yè)證，并參與項(xiàng)目指定的焊工技能考核，由企業(yè)焊接技能考核評(píng)定委員會(huì)評(píng)定合格后方可施焊。

（3）在對(duì)口時(shí)，定位焊應(yīng)采用與正式焊接相同的焊接材料和焊接工藝，定位焊縫的厚度不得超過管子壁厚的2/ 3。并需特別注意定位焊縫的質(zhì)量，如發(fā)現(xiàn)裂紋、氣孔、不允許的氧化變色等缺陷，應(yīng)清除重焊。

（4）與母材焊接的工、卡具材質(zhì)及焊接材料宜與母材相同或同一類別號(hào)。拆除工、卡具時(shí)不應(yīng)損傷母材，且要將殘留的焊瘤打磨至與母材表面平齊。

（5）準(zhǔn)備焊接時(shí)不得在坡口之外的母材表面上引弧和試驗(yàn)電流，并應(yīng)防止電弧擦傷母材。

（6）焊接過程中應(yīng)保證起弧和收弧處的質(zhì)量，收弧時(shí)應(yīng)將弧坑填滿，多層多道焊接頭應(yīng)該錯(cuò)開。

（7）除工藝或檢驗(yàn)要求需分次焊接外，每條焊縫宜一次連續(xù)焊完。當(dāng)因故中斷焊接時(shí)，再次焊接前要檢查焊道表面，確認(rèn)無裂紋等缺陷后，方可按原工藝要求繼續(xù)施焊。

（8）當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，應(yīng)將焊件預(yù)熱至15～20℃以上再施焊；在風(fēng)、雨、雪天氣，特別是有風(fēng)沙和灰塵時(shí)必須搭設(shè)防護(hù)棚。

（9）焊接方法：NO6600 鎳合金材質(zhì)采用全手工氬弧焊；304 材質(zhì)不銹鋼氧氣管道因管徑較大、壁厚較厚（管道規(guī)格為Ф457mm×26mm），預(yù)制時(shí)采用人工氬弧焊打底、全位置自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行填充蓋面的方法。304 材質(zhì)不銹鋼氧氣管道自動(dòng)焊見圖3。

圖3 氧氣管道自動(dòng)焊

（10）高壓氧氣管道的現(xiàn)場(chǎng)焊接除常規(guī)要求以外，還要注意脫脂保護(hù)。

（11）所有形成氬氣池的部件要做脫脂處理，組對(duì)焊接順序應(yīng)從開端直至末端，保證每一處都能做到氬氣保護(hù)。

（12）管道焊接內(nèi)余高不大于1.5mm。為保證施工中合格率及進(jìn)度，施工現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)焊接工藝評(píng)定做了針對(duì)鎳基材料的焊接試驗(yàn)，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)及施工注意事項(xiàng)。例如，仰臉焊接難成型的注意事項(xiàng)，現(xiàn)場(chǎng)固定口盡量避免在水平管線上的注意事項(xiàng)等。

（13）焊口焊接完成后能看到的部位要用眼睛觀察，用手去觸摸，用焊縫檢驗(yàn)尺檢測(cè)，焊縫必須圓滑過渡/ 無毛刺、坑凹等不規(guī)整現(xiàn)象。在人眼無法觀察到的焊縫內(nèi)壁，采用內(nèi)窺鏡進(jìn)行觀察分析，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理。焊口完成焊接后必須標(biāo)示預(yù)制管段號(hào)、焊縫號(hào)、焊工號(hào)和焊接時(shí)間，及時(shí)進(jìn)行無損檢測(cè)。高壓氧氣管道上所有對(duì)接焊縫必須100%進(jìn)行X 射線無損檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)處理。預(yù)制管段盡量在管道未安裝的時(shí)候進(jìn)行返修，以減小返修難度。

（14）所有預(yù)制的管段在無損檢測(cè)合格以后進(jìn)行酸洗鈍化處理，處理完成才能進(jìn)行預(yù)脫脂。這樣焊縫不僅美觀，而且避免了因?yàn)楹缚p返修造成的管內(nèi)二次污染。

2.6 鎳基合金管線焊接難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

（1）有害氣體會(huì)對(duì)鎳基合金材料的焊接造成影響：空氣中的氮、氧會(huì)融入高溫的焊縫液態(tài)金屬中，發(fā)生脆化作用，降低金屬的沖擊韌性。因此，為了保護(hù)焊接質(zhì)量，焊縫背面全程采用純度99.9%氬氣保護(hù)；在進(jìn)行手工氬弧焊焊接時(shí)，滯后停氣時(shí)間應(yīng)稍長(zhǎng)。選用噴嘴時(shí)，直徑選取大一個(gè)型號(hào)，以便把熔池最大限度地屏蔽在保護(hù)氣流中；焊接過程中或者焊接結(jié)束后，要始終把焊絲的熱端留在熔池中。

（2）焊件表面的污染物會(huì)對(duì)鎳基合金材料的焊接產(chǎn)生影響。焊件表面的污染物主要是表面的氧化皮和引起脆化的元素：氧化皮的熔點(diǎn)比母材高，在焊縫金屬中形成夾渣或細(xì)小的不連續(xù)氧化物；一些脆化元素焊接時(shí)會(huì)與Ni 形成低熔點(diǎn)共晶，產(chǎn)生熱裂紋。因此，焊道坡口采用機(jī)械加工方法，管道切口表面保持平整、無裂紋、重皮、毛刺、凹凸、氧化物及鐵屑等。機(jī)械加工好坡口后，焊接前將坡口內(nèi)外壁50mm 外圍內(nèi)用不銹鋼絲刷、專用砂輪片清洗干凈，去除污物毛刺等，并用丙酮清洗坡口表面，一定要徹底清洗干凈方可進(jìn)行焊接。

（3）鎳基合金N06600 材料焊接時(shí)，熔池流動(dòng)性差，且熔深較淺。熔池流動(dòng)性差，不容易流到焊縫兩邊，因此焊接時(shí)采取擺動(dòng)工藝，但是必須小幅擺動(dòng)，手工氬弧焊時(shí)擺動(dòng)幅度不能超過焊絲直接的3 倍。對(duì)于熔深較淺的問題，采取改變坡口形式的措施，坡口角度宜在55°～65°，焊縫間隙在2～3mm，鈍邊0.5～1mm。

（4）鎳基耐蝕合金還具有較高的熱裂紋敏感性，采用高熱輸入方法焊接時(shí)，在熱影響區(qū)會(huì)產(chǎn)生一定程度的退火和晶粒增大現(xiàn)象。高熱輸入可能產(chǎn)生晶界偏析、碳化物的沉淀或其他有害的冶金現(xiàn)象，這可能引起熱裂紋或降低耐蝕性。針對(duì)以上問題，中國(guó)化學(xué)工程第六建設(shè)有限公司經(jīng)過多次反復(fù)試驗(yàn)，研究出一套優(yōu)良的鎳基合金焊接工藝，焊絲選用ERNiCr- 3，并且嚴(yán)格控制層間溫度不得超過100℃，各項(xiàng)工藝參數(shù)見表2。

表2 鎳基合金焊接工藝參數(shù)

2.7 管道安裝

（1）管道安裝的同時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行管道支吊架的安裝和調(diào)整，在條件允許的情況下直接安裝正式支吊架，盡量減少臨時(shí)支吊架的安裝。臨時(shí)支吊架不僅造成材料的大量浪費(fèi)，而且后續(xù)的拆除會(huì)耗費(fèi)大量人工。管道在與碳鋼支架接觸時(shí)，應(yīng)及時(shí)采用石棉板或橡膠板進(jìn)行隔離，避免鐵污染。

（2）現(xiàn)場(chǎng)安裝應(yīng)盡量考慮預(yù)制口焊接，減少固定口的焊接，這樣不僅容易操作，管內(nèi)充氬方便，而且焊接質(zhì)量更有保障。管道的安裝順序應(yīng)沿著一個(gè)方向，以便取出用于充氬保護(hù)封堵的海綿。

（3）在安裝前繪制的軸測(cè)圖上標(biāo)示有焊口號(hào)，在實(shí)際安裝的時(shí)候避免不了有焊口的增減情況。增減焊縫的時(shí)候施工人員一定要及時(shí)在軸側(cè)圖上標(biāo)示出來，以便后續(xù)的無損檢測(cè)工作及交工資料整理的順利進(jìn)行。

（4）高壓氧氣管線上的螺栓要全部進(jìn)行浸泡清洗，安裝后嚴(yán)禁涂油。閥門安裝前應(yīng)對(duì)閥門及其密封面、墊片、螺栓進(jìn)行油脂檢查，合格后方可使用。

（5）氧氣管線上的流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥因不參與試壓和系統(tǒng)脫脂，在能確定尺寸的情況下盡量用臨時(shí)短節(jié)和臨時(shí)墊片代替，避免反反復(fù)復(fù)的拆裝，待吹掃結(jié)束后再進(jìn)行安裝。安裝前流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥等部件應(yīng)采用無油干凈的塑料布包裹防護(hù)，防止被污染。

2.8 管道試壓

（1）試壓應(yīng)在管線系統(tǒng)無損檢測(cè)完成后，化學(xué)清洗之前進(jìn)行。

（2）氧氣管線試壓時(shí)應(yīng)以脫鹽水為試壓介質(zhì)；采取試壓泵試壓，取水點(diǎn)為裝置脫鹽水管線出水口。

（3）氧氣管線試壓泵及輔助設(shè)施均經(jīng)過脫脂后使用，且輔助設(shè)施材料選用不銹鋼材質(zhì)。

（4）水壓試驗(yàn)時(shí)，須將壓力緩慢升至試驗(yàn)壓力的50%；然后以10%的試驗(yàn)壓力逐步升壓，升壓至試驗(yàn)壓力后穩(wěn)壓10min；再將試驗(yàn)壓力降至設(shè)計(jì)壓力，停壓30min直至檢查完所有焊縫、法蘭密封面等，無變形、無泄露，壓力不降為合格。

（5）因氧氣管線管廊輸出線至框架系統(tǒng)中無任何法蘭連接處，故在界區(qū)位置預(yù)留焊口以備管線試壓和整體系統(tǒng)化學(xué)清洗，完成后加內(nèi)套管脫脂后進(jìn)行焊接。套管要求圓滑過度無毛刺，保證系統(tǒng)內(nèi)部的清潔度。

2.9 化學(xué)清洗

系統(tǒng)壓力試驗(yàn)完成后要進(jìn)行化學(xué)清洗，化學(xué)清洗分兩種方式：管廊界區(qū)至框架界區(qū)內(nèi)管道口徑一致，采用通球清洗；框架內(nèi)因口徑不一、分支較多采用循環(huán)清洗。

循環(huán)脫脂清洗脫脂劑配方見表3。脫脂過程中，每4h抽取脫脂劑進(jìn)行檢查，油脂質(zhì)量濃度不超過350mg/ L 為合格；超過350mg/ L 在更換清洗液，延長(zhǎng)清洗時(shí)間，直到合格為止。

表3 循環(huán)脫脂清洗脫脂劑配方

2.10 系統(tǒng)吹掃

（1）系統(tǒng)吹掃使用的是無油干燥氮?dú)?，吹掃出口排氣?yīng)至安全區(qū)域，不在安全區(qū)域的應(yīng)該連接臨時(shí)管。

（2）吹掃前應(yīng)檢查各個(gè)管道支架是否牢靠，不牢靠的地方需要增設(shè)臨時(shí)固定支架進(jìn)行妥善處理。

（3）待吹掃的管道系統(tǒng)內(nèi)流量孔板、濾網(wǎng)、止回閥閥芯等已拆除，可不拆除的閥門應(yīng)保證具有100%的開度；不能達(dá)標(biāo)的必須拆卸下來，避免吹掃時(shí)破壞閥門的密封性能。

（4）部分管段無法進(jìn)行系統(tǒng)吹掃的可以進(jìn)行分段吹掃，個(gè)別也可以選擇人工進(jìn)行清理，確保管道潔凈度。

（5）吹掃結(jié)束后需要將所有拆卸下來的部件，包括限流孔板、調(diào)節(jié)閥和止回閥等全部復(fù)位，所有臨時(shí)管道和臨時(shí)固定支架要拆除。

（6）待所有部件復(fù)位后，氧氣管線系統(tǒng)上的管道在通氧氣前，管道內(nèi)應(yīng)充滿0.4MPa 左右的氮?dú)膺M(jìn)行氮封保護(hù)，通氧氣的時(shí)候再慢慢置換成氧氣。進(jìn)行置換時(shí)，由于里面有氮?dú)?，必須要先進(jìn)行放氣處理，直至出來的是純氧氣才可以投入使用。

3 高壓氧氣管道施工質(zhì)量控制

（1）鎳基材料：因采購(gòu)周期長(zhǎng)，所有鎳基材料及特材應(yīng)專人核對(duì)、專柜存放，保證材料的完全供應(yīng)，不影響進(jìn)度。

（2）鎳基材料預(yù)制：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，鎳基材料仰臉位置焊接困難，成型困難，難以保證一次合格。因此，綜合考慮后所有固定預(yù)留口位置應(yīng)放置在立管上，以便于現(xiàn)場(chǎng)施工。

（3）靜線接地：高壓氧氣管線所有法蘭處要做靜線跨接，且靜線跨接R 板材質(zhì)不低于母材。故在管線施工中，要保留所有管材余料，便于后期靜線跨接使用。

（4）化學(xué)清洗：化學(xué)清洗與管道試壓部分步驟一樣，因而水壓試驗(yàn)后所有預(yù)制短節(jié)保留，在化學(xué)清洗時(shí)統(tǒng)一使用。

（5）單一方向安裝管線：管線施工中為滿足脫脂和清潔度要求，要從一側(cè)開始順序施工，并保證所有焊道采用脫脂件制作氬氣池，焊接過程中不得使用水溶紙封底。

4 結(jié)語(yǔ)

高壓氧氣管道施工技術(shù)重在施工準(zhǔn)備前期的施工統(tǒng)籌規(guī)劃、圖紙深化，以及過程中的脫脂、下料、組對(duì)、焊接、試壓等各工序的質(zhì)量控制。施工技術(shù)的工藝原理核心由兩部分組成，即管道的焊接和脫脂兩部分。合理地安排好預(yù)制焊口，充分利用最新自動(dòng)焊接技術(shù)、管道內(nèi)壁脫脂清洗技術(shù)等，控制好各工序的施工質(zhì)量，才能順利進(jìn)入單機(jī)試車階段，大大提高施工效率，有效降低成本。

通過開發(fā)高壓氧氣管道施工技術(shù)，并應(yīng)用于公司承建的湖北多個(gè)項(xiàng)目的高壓氧氣管道施工，保證了高壓氧氣管道的施工質(zhì)量，確保了施工及裝置的安全生產(chǎn)，提高了項(xiàng)目效益，極具推廣價(jià)值。