氧气站工厂设计若干问题的探讨

石丽娜

氧气站工厂设计若干问题的探讨

石丽娜

（中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆401122）

根据现行有效规范标准，结合实际设计及现场施工服务经验，总结了氧气站工厂设计过程中的若干注意事项。针对总图布置与道路运输、阀门选型与设计、管件选用、低温管道的保冷及支撑、工程设计中易忽视易发生的碰撞部位等问题展开探讨，并提出了人性化工厂设计的建议。

氧气站；工厂设计；注意事项

1 引言

随着生产技术和国民经济的不断发展，深度冷冻法（简称深冷法）制氧技术在冶金和化工等行业中获得了广泛的应用，采用深冷法设计氧气站成了行业工程的焦点。一个制氧站工程能否顺利投产并稳定运行除了与设备制造厂的设计制造水平、施工单位的安装水平、监理单位的监督管理水平、用户的运营操作水平有关以外，工厂设计过程中对细节问题的处理更为重要，这对设计院的设计水平提出了重大挑战。本文从工厂设计者的角度出发，论述了采用深冷法设计氧气站的工厂设计中总图布置与道路运输、阀门选型与设计、管件选用、低温管道的保冷及支撑等注意事项，总结了工程设计中易忽视易发生的碰撞部位，并针对人性化工程设计提出了建议。

2 总图布置与道路运输

2.1 吸入空气质量要求

空气是空分设备的原料，空气质量的好坏直接影响到空分设备能否安全运行。在满足总体规划的前提下，氧气站应尽可能位于环境清洁地区，以保证吸入空气的质量。通过对国内外一系列空分爆炸事故的分析发现：在分离温度下，空气有害组分中的CO2和N2O呈现固态，易堵塞设备和管道，影响设备安全运行；C2H2等碳氢化物大部分被分子筛吸附器吸附，而未被吸附的一部分则最终进入主冷凝器的液氧中，当液氧中的碳氢化物含量超过其溶解度时即以固体颗粒状析出，一旦遇有冲击摩擦等引爆源就会引起爆炸。因此，一些国家对空分设备的大气条件都提出了相应要求，国内规范《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》（GB16912-2008）对吸入空气质量的要求详见表1。

而对毗邻化工厂设计的氧气站，在必要情况下，可考虑增加吸入口空气质量动态监测装置，以便及早发现问题，避免事故发生。

2.2 道路运输

随着经济的发展，现今工程车辆越做越大，有些氧气站除了设有低温液体槽车外，还设有排管拖车等大型车辆。氧气站厂区通行道路要充分考虑上述大型车辆的通行，尤其是道路转弯半径的设计，一定要确认上述大型车辆能够安全通行。如若拐弯半径设计偏小，即便通过增加厂区大门或调整道路路由来补救，既增加成本又影响整体美观。其次，氧气站很多管道采用架空敷设，对于跨道路敷设的架空管道，要充分考虑管道敷设标高能够满足车辆通行，以免碰撞。根据实际情况，可以在跨管道两侧增加防撞护栏。

3 阀门选型与设计

3.1 阀门选型

整个氧气站会使用大量阀门，且种类繁多，有截止阀、闸阀、球阀、蝶阀、止回阀、安全阀、调节阀、减压阀等。氧气站的阀门有部分是工艺设备成套配置的，其他则是工厂设计补充的。对于工艺设备成套的阀门，工厂设计不再选型，按照工艺流程及相关规范合理进行阀门定位即可；而对于工厂设计补充的阀门，需工厂设计合理选型，一般情况下，循环水管道阀门多采用蝶阀，气体管道根据情况多采用截止阀、闸阀、蝶阀等。氧气是助燃气体，极易引起燃烧，氧气管道阀门是氧气管网上的重要关键设备，也是事故多发源，其选用应慎重考虑，在此着重阐述氧气管道阀门选型注意问题。氧气管道阀门应选用专用于氧气介质的阀门，阀门材质一般为硅黄铜（低压时可考虑采用不锈钢材质），阀门出厂前要经过严格的强度试验和气密性试验，并进行脱脂处理，此外，还应注意以下几点[2]：

（1）由于闸阀关闭不严及维修方面的缺点，对于工作压力大于0.1 MPa氧气管道，严禁选用闸阀。

（2）公称压力大于等于1.0 MPa且公称直径大于等于150 mm的手动氧气阀门，宜选用带旁通的阀门，以均衡压力，方便操作，保证开阀安全。

（3）为减轻操作人员劳动强度，避免出事故时伤人，对于经常操作的公称压力大于或等于1.0 MPa且公称直径大于或等于150 mm的氧气阀门，宜采用气动遥控阀门。

3.2 阀门工厂设计

3.2.1 对阀门尺寸的正确估计

对于工艺设备成套配置的阀门，有些阀门没有尺寸参数，工厂设计时只能粗略估计阀门的尺寸，很难准确兼顾到阀门长度和高度问题，而真正施工时暴露出的问题往往做调整也难以弥补。对于阀门长度方面问题，在预冷系统设计时要高度重视，因为该系统阀门较多较杂，尽管场地有限，设计时也要合理调整布局，对阀门长度要有充分的估计，以免出现阀门安装时空间不足，或者出现两个阀门之间无直管段而直接连接的情况（尽管设计时考虑了两个阀门之间的直管段）。如图1所示。

对于阀门高度方面问题，主要体现在对阀门阀杆（阀头）高度的估计不足，特别是气动阀门。而这类问题多发于两根水平管道上下布置，阀门位于下部管道的情况。由于对阀门阀杆（阀头）的高度估计偏小，现场安装时导致阀杆（阀头）与上面管道碰撞，对于上部管道标高可调的情况，可通过现场施工调整解决，但是对于错综复杂的管系，上部管道标高不可调的情况，阀门无法直立安装，只好旋转一个角度安装，以避开上部管道，这既不美观，也不方便操作。如图2所示。

此外，设计时针对设备冷却器抽芯，除了考虑给足设备抽芯的长度空间外，还要注意高度方向有无障碍，特别是阀门尺寸的影响，设计时要尽可能留足阀门尺寸的余量，以保证设备冷却器能够正常抽芯。如图3所示。

3.2.2 对阀门位置及安装方向的考虑

根据工艺需要和阀门特性，氧气站阀门的位置及安装方向应进行合理设计。具体情况如下：

（1）截止阀和闸阀：对于手动的截止阀和闸阀，安装角度没有限制，根据现场情况，便于操作即可，而对于电动阀门的阀杆则应安装在水平管道上。

（2）止回阀：气流方向应符合止回阀规定的流向，旋启式和水平瓣升降式止回阀宜装在水平管段上，垂直瓣升降式宜装在垂直管段上。

（3）安全阀：安全阀一般垂直安装，并宜设在气流压力脉动最小的地方，安排放散口应根据实际情况，朝向安全方位。

4 管件选用

4.1 弯头、变径管和三通

对于氧气管道，为减少冲击与摩擦，防止燃爆事故发生，氧气管道上的弯头、变径管和三通等管件宜采用成品，并在施工图材料表中一一列出。当成品不能取得时，应在工厂或者现场预制，并加工到无锐角、无突出部位及焊瘤，以保证安全。特别是对于三通处，尽可能不在现场开孔、插接等，现场施工水平很难达到上述要求，对安全生产造成隐患。

4.2 法兰及法兰盖

整个氧气站的水管和气管等很多地方都要用到法兰及法兰盖，多位于管道盲端及设备冷却器抽芯处。法兰及法兰盖应严格按照国家、行业有关现行标准选用，确保强度和加工精度达到要求。此外，法兰和法兰盖的选用还要注意高温下对压力-温度的矫正，这也是设计中往往容易忽略之处。例如，根据《钢制管法兰（PN系列）》（HGT20592-2009）规范，对于IC4类别号的碳素钢类法兰及法兰盖，在温度为250℃时，PN6.0的法兰及法兰盖仅能承受0.45 MPa的压力，因此，如果管道的设计压力为0.5 MPa，法兰和法兰盖选型PN6.0就不能满足设计要求，PN10才合适。在整个氧气中，对于分子筛处法兰及法兰盖的选用，此条更要引起重视。

5 低温管道的保冷及支撑

5.1 低温管道保冷

在正常生产中输送液态产品的管道，如出分馏塔去液氧、液氮贮槽的管道，贮槽到加压泵的管道，空分设备排放液体的管道等，这些管道温度达到-196℃，低于-153℃（普冷与深冷的分界线），属于深冷范围。为减少外部热量的侵入，防止气化和低温冻伤，需对低温管道进行保冷，以保证管道的液相输送。保冷结构（从内到外）一般由防锈层、绝热层、防潮层、保护层组成。

5.2 低温管道支撑

在低温管道绝热保冷工程中，支撑部位是保冷工程中的薄弱环节。如果设计时低温管道与支撑部位直接接触，支撑部位将会产生冷桥，导致支撑周围保冷失效。对此，工程中一般采用硬木垫块或绝热管托来支撑，以保证保冷效果。

此外，为防止低温管道的热胀冷缩引起的位移损坏管道绝热层，要求管道支架的管托与管道焊死，管托可与支架相对滑动，以此来保护绝热层。

6 易忽视易发生的碰撞部位

工厂设计中，除了一些常见的碰撞情况（如管道和管道、管道与阀门设备平台梁或斜撑、管道与电缆桥架、管道与厂房柱）外，还有一些设计时容易忽视而施工现场屡次发生碰撞的部位，现归纳总结如下：

（1）冷却器抽芯与厂房柱子（或支架）碰撞。

（2）出厂房管道与厂房圈梁碰撞。

（3）厂房内管沟埋地排水管与厂房地梁碰撞。

（4）管道与厂房的柱间支撑（剪刀撑）碰撞或者距离太近导致支架无法施工。

（5）Y型管道过滤器下部或周围预留空间不够，无法抽芯。

（6）出空冷塔管道与空冷塔梯子平台碰撞，如图4。

（7）管道自然补偿的立体补偿器下弯部位与支架碰撞，如图5。

（8）埋地管道与支架基础碰撞。

7 人性化工程设计的建议

（1）上平台梯子尽可能做成斜梯，即使斜梯角度稍大也比直爬梯方便得多，因为多数情况下操作人员或者检修人员是要带着工具爬梯子的，直爬梯增加了操作和检修的难度。

（2）合理布置管道，尽可能使手动阀门低位布置，气动或电动阀门高位布置，为现场操作人员提供方便。

（3）对于大管道阀门处，因管道阀门手柄较高，人站在平台上无法操作，最好在平台上设计支墩或踏步梯以便于人员操作阀门。

（4）厂房内的小管道尽可能贴地坪敷设或埋地敷设，以便于人员通行。

（5）电缆沟和水管沟地面有一定坡度（一般不小于0.5%），以利于排水。

8 结束语

氧气站的工厂设计是多专业的协同设计工作，各个专业在设计工作过程中的配合与协调，直接关系到现场施工的情况，因此，优秀的设计是顺利施工的前提，也是安全生产的保障。本文对采用深冷法设计氧气站的工厂设计中的若干细节问题展开了论述，总结了总图布置与道路运输、阀门选型与设计、管件选用、低温管道的保冷及支撑等注意事项和工程设计中易忽视易发生的碰撞部位，并提出了人性化工程设计的建议，对于实际的工程设计具有较强的参考价值。只有提高精心设计的意识，才能避免系列问题的发生，保证氧气站工程顺利投产并稳定运行。

[1]GB16912-2008，深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程[S].

[2]杜本超.氧气管道设计[J].制冷与空调，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

石丽娜（1984-），女，硕士研究生学历，工程师，现从事钢铁企业燃气设计工作。