煤化工空分装置氧气管道的质量控制要点

郭 艳，武丽娜，陈睿谦，张喜春

（中薪油武汉化工工程技术有限公司，湖北武汉 430223)

煤化工空分装置氧气管道的质量控制要点

郭 艳，武丽娜，陈睿谦，张喜春

（中薪油武汉化工工程技术有限公司，湖北武汉 430223)

重点分析煤化工空分装置中氧气管道典型“撞击场合”的材料选取、材质应用范围、管道布置等设计要点，论证实际项目设计的合规性及优化方式；最后总结氧气管道在安装、运行管理中的质量控制要点，指出安装质量控制中的采购创新。

氧气管道；撞击场合；设计；安装；运行

氧气在煤化工项目中作为气化剂和反应原料，需求巨大；且气质纯度要求高（氧含量体积比≥99.6%），压力高（一般在4.0～10.0MPa），危险性大。煤化工项目中，氧气由空分装置通过深冷分离制取，空分装置生产的氧气主要供煤气化装置使用。随着国家对资源规模化利用要求的提高和煤化工产业化发展的强力推动，装置设计、制造水平趋于规模化、设备大型化，空分装置规模也在不断加大。因此，空分装置氧气管道系统的质量控制不仅关系到空分装置的安全运行，也是煤化工项目安全平稳运行的前提。

本文结合某国外总承包项目中空分装置的氧气外送、放空管道系统设计实例，总结典型 “撞击场合”在设计、安装、运行中的质量控制要点。

1 氧气管道燃烧原因分析

在诸多参考文献中都提到氧气管道燃爆三要素：可燃物、助燃物、激发源。高压氧气管道事故主要是氧气管道本身着火燃烧；管道局部急剧升温导致承压能力，管道破裂而引起二次事故。

1.1 可燃物

即氧气管道系统本身，涉及到的可燃物有钢管、垫片、油脂、残留脱脂剂。

1.2 助燃物

即氧气，实验证明，当氧气浓度、压力提高，氧气管道系统中的可燃物着火点降低。

1.3 激发源

氧气管道系统中的激发源的产生主要因管材、管件、阀门选型不当；配管形成盲区；施工质量控制不当；生产运行操作不当等造成，具体包括以下几个方面：

（1）阀门急速启闭形成绝热压缩。例如，0℃、0.1MPa的氧气当压缩到15MPa时，其温度约上升到900℃。如在此环境中存在油脂或可燃垫片，极易引发燃爆事故；

（2）高压氧流中的高速运动固体颗粒（铁锈、焊渣、杂质颗粒等），与管道及管件内壁摩擦产生铁粉（铁粉比铁块着火温度低300～500℃）。两者的混合物与管路内壁摩擦产生热量，直接引起管路着火的可能性极小，但该混合物如若在管路某处聚集，即构成激发源；

（3）油脂引燃。油脂在氧气中的着火点较低，约为250～300℃，危险性很大；

（4）阀门启闭时，阀门部件之间的冲击、挤压、摩擦；

（5）静电放电、雷击；

（6）外部热辐射。

通过对氧气管道燃烧原因分析发现，要确保氧气管道安全运行，需要对设计（工艺设计、材料选型、管道布置、防雷接地等）、安装、运行管理三个维度有足够的认识，采取切实可靠的安全措施，进行严格的质量控制，才能杜绝燃爆事故发生。

2 氧气管道设计质量控制要点

2.1 氧气管道的设计执行标准

GB 16912—2008，《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》；GB 50030—2013，《氧气站设计规范》；GB 50316—2000，《工业金属管道设计规范》。

2.2 “撞击场合”界定

欧洲工业气体协会（EIGA）[1]对氧气管道系统中的“撞击场合”和“非撞击场合”进行科学分类。并明确，能使氧气流动方向突然改变、产生漩涡，从而引起氧气中夹带的颗粒及异物撞击管道的位置，定义为“撞击场合”；否则是“非撞击场合”。常见“撞击场合”如：对焊三通、承插焊三通或弯头、短半径弯头、异径管（变径比大于3）、阀门（调节阀、安全阀等）、过滤器、孔板等。

对于 “撞击场合”如调节阀、安全阀等，阀后氧气流速相对阀前大大增加，这些区域由于氧气流速突变更容易产生激发源，非常危险。因此，“撞击场合”在一定管径范围内，管道材质及壁厚的选取是否合适，是氧气管道能否安全运行的质量控制重点。

2.3 材质、壁厚选用

空分装置氧气管道系统的选材，要考虑金属材质及壁厚、氧气的流速限制、系统的设计压力。相关氧气安全技术规范均认为，对于选定的金属材料而言，当氧气的设计压力升高时，系统内允许的氧气流速应降低。但如果管道系统选取的金属材料在设计压力下，无论管道流速突变到多大都不具备燃烧条件，则是对氧气管道系统的安全运行的极大保证。因此，“撞击场合” 材质、壁厚选用应结合各材质在豁免压力下对应的最小厚度综合考虑。

本项目空分装置氧气管道材质及壁厚的确定，在满足GB 16912—2008第8.2、8.3条和GB 50030—2013第11.0.9条要求下，“撞击场合”材质及壁厚重点参考欧洲工业气体协会（EIGA）制定的IGC Doc 13/12/E 标准[1]。现将本项目中氧气管道系统“撞击场合”在设计压力下实际采用的材质、壁厚与EIGA IGC Doc 13/12/E 标准进对比，见表1。

表1 “撞击场合”材质及壁厚对比

通过对比发现，本项目设计压力低于豁免压力，且实际使用材质壁厚高于豁免压力下的最小壁厚，项目中“撞击场合”材质选用有足够安全保证。

2.4 “撞击场合”管道布置

前文提到“撞击场合”的影响范围如控制在一定倍数管径范围内，选用合适的管道材质及壁厚可以保证氧气管道安全运行，“一定倍数管径范围”在国内外标准体系中均给予明确，总结下来是在“撞击场合”5～10倍管径范围内[2]。下面重点结合GB 16912—2008[3]及GB 50030—2013[4]相关条款分析本项目中典型“撞击场合”管道布置设计注意要点，并验证项目对标准的执行情况。

图1 “撞击场合”管道布置图

表2 “撞击场合”材质及应用范围分析

（1）本项目氧气管道输送系统设计压力5.8MPa，放空系统设计压力2.0MPa。基于GB 16912—2008 表10和GB 50030—2013 表11.0.9在管道材料选取上的规定，当设计压力为5.8MPa，氧气管道系统遇阀门、调节阀，在阀门后5倍管外径且不少于1.5m范围内、调节阀前和后5倍管外径且不少于1.5m范围内，可选铜及铜合金拉制管、铜及铜合金挤制管或镍及镍基合金作为管道材质；在2.0MPa设计压力下，放散阀后管道材质除可采用前述材料外，由于系统压力降低，材质范围更放宽至可使用不锈钢焊接钢管、不锈钢卷焊管或不锈钢无缝钢管。本项目在图1典型“撞击场合”中管道材质选取及应用范围见表2。

（2）图1中典型“撞击场合”管道布置在防护墙内，手动旁通阀阀杆伸至防护墙外，通过手动操作旁通阀平衡调节阀前后压力。故不需考虑GB 16912—2008 第8.1.3条对氧气调节阀前后8倍调节阀公称直径范围内使用铜基合金或镍基合金材质的限定要求，依旧执行GB 16912—2008 表10和GB 50030—2013 表11.0.9关于材质应用范围的规定。

（3）同时，GB 16912—2008 8.1.6条、8.4.1条和GB 50030—2013 11.0.18更对典型“撞击场合”管道布置提出特别规定：调节阀组，干管阀门后，宜有1.5m长的直管段；三通、分岔头、弯头不得与阀门出口直接相连，宜在阀门与三通、分岔头、弯头间保留不小于5倍公称直径且不小于1.5m的直管段；宜采用压制对焊变径件，如焊接制作，变径件长度宜大于或等于变径件两端外径差值的3倍，且保证其内壁平滑，无锐边、毛刺及焊熘；

通过对标准规范分析发现，“撞击场合”尤其是阀门出口一定范围内，材质及配管要求非常严格。本项目在整个设计中均符合标准规范的相关条款，相应压力下的材质选用及应用范围均满足规范要求。但是，在条款（3）的执行程度上，个别“撞击场合”的管道布置还有优化的空间。具体优化如下：调整L3直管段上支管接头位置，保证调节阀1后有1.5m的直管段；椎管1的长度调整为L=2 100（调整前L=1 000），椎管2的长度调整为L=1 400（调整前L=600），保证卷焊制作的变径管长度满足外径差值的3倍。调整后，防爆墙配管区域的长度至少增加至8m，由此可见，在项目的方案设计阶段，应完成空分装置氧气外送、放空管道系统的管道布置研究图，考虑足够的余量，以保证施工图设计中，氧气管道配管的空间要求。

3 氧气管道安装质量控制要点

氧气管道的施工、焊接、检验、试压及验收执行规范如下：

GB 50235—2010，《工业金属管道工程施工规范》；GB 50236—2011，《现场设备、工业管道焊接工程施工规范》；HG 20202—2000，《脱脂工程施工及验收规范》。

氧气管道在安装前应注意做好施工单位焊接资格审查、焊接工艺评定、到场材料验收检验及脱脂等工作；在安装时应重点监控焊接质量检查、管道系统耐压及气密性实验、系统清洗及吹扫实验、静电接地等工作。

本项目氧气管道系统材料有MONEL 400、304L两种，安装过程中多处涉及到MONEL 400材料焊接、MONEL 400与304L异种材料焊接。由于MONEL 400材料的采购周期长，焊接要求高，如将相关材料的验收检验、焊接工艺评定、焊工考核等工作放在国外总包现场进行，则不利于项目进度的推进。于是，项目将图1中的管道供货及安装工作外包，要求厂家完成图示范围内管道系统的脱脂，焊接，外观检查、无损检测、分段强度实验、清洗及吹扫实验后密封，在交货日期前送抵现场，现场仅在已有的焊接方案内完成304L调整段的焊接工作（仅4个304L/304L焊口），从而最大程度保证空分装置的氧气外送、放空管道系统的施工质量。

4 氧气管道运行质量控制要点

1）为避免阀门急速启闭形成绝热压缩，氧气管道系统在开车、正式通气及大修后通气前，应首先缓慢打开手动隔爆阀，平衡阀前阀后压力在一定压差范围内，再开启压力调节阀；

2）加强氧气管道系统的常规巡检、定期维护检修工作，重点注意管道系统内的清理工作和阀门、仪表、安全泄放系统的核查整定；

3）对氧气管道进行重大作业和动火作业前，必须预先制定详细作业方案，经相关主管部门批准后实施；

4）制定完备的应急方案，确保紧急事件发生时，各相关部门能采取有效有序的应急措施。

5 结论

伴随着空分装置大型化发展，氧气管道质量控制已成为空分装置安全运行的重点监控内容。本文围绕氧气管道燃爆原因，结合现实项目，重点分析氧气管道设计在选材、布置方面的质量控制要点及标准规范的合规性，指出典型“撞击场合”5～10倍管径范围使用材质得壁厚应高于豁免压力下的最小壁厚，才能保证氧气管道的安全运行；同时，简要概述安装、运行方面的质量控制要点，并指出本项目在安装、采购交货方式上的特别处理，希望能为后续的项目管理提供一定的参考作用。

[1] IGC Doc 13/12/E，Oxygen Pipeline and Piping System.European Industrlal Gases Accoclation.2012.

[2] 唐祺.浅析国外氧气安全技术规范选材原则[J].化工设计，2015，25（5）：47– 50.

[3] GB 16912—2008，深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程[S].

[4] GB 50030—2013，氧气站设计规范[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

郭艳（1985—），女，湖北洪湖人，工程师，主要从事化工类项目的工艺管道设计工作。