高压氧气管道施工技术

崔 峰 柳 姚

中国化学工程第六建设有限公司 湖北襄阳 441100

氧气为化工的助燃系统。近年来，随着化工系统氧气用量的增加和工艺的提升，氧气管线的压力、流速和温度随之提高，材质选用偏向镍基管。由于管路长、分布广，再加上急开、速关阀门，造成氧气管道和阀门燃烧爆炸事故时有发生，所以高压氧气管道的安装技术和质量控制尤为重要。

1 技术特点

（1）优化固定口的焊接位置：高压氧气管道施工难度大，设计预留空间小，主要材质为304 不锈钢和N06600镍基合金，并且焊接困难，尤其是固定焊口的焊接。应通过施工前期的统筹规划及管道单线图的深化，细化出合理的预制部分，尽量减少现场的安装固定口，并把固定口的位置优化留在垂直管道上，避免仰焊，降低焊接难度。

（2）所有坡口采用机械加工：引进管道自动焊技术，减少人工消耗和不稳定性，提高施工效率。

（3）全面控制高压氧气管道施工的各个工序，包括材料验收、管道预制、管道脱脂、下料组对、管道焊接、焊缝无损检测、管道试压、整体化学清洗、系统气密等，有效规避质量和安全风险。

2 工艺流程及操作要点

高压氧气管道的施工工艺流程见图1。

图1 高压氧气管道的施工工艺流程示意图

2.1 图纸深化

根据设计院提供的施工单线图，编制焊接数据库，然后细化出预制的焊口，焊接考虑管道自动焊预制场加工。

2.2 材料核对及保管

镍基材质的所有物料采购周期较长，均为国外进口，一般在4～6 个月。若材料丢失或使用偏差会造成高压氧气系统不能按时施工，并且设计也不允许用其他材质代用，所以材料的核对及单独保管尤为重要。

2.3 管道脱脂

为确保系统无油脂施工，脱脂是高压氧气管道系统运行最基本的保证，是氧气管线施工的一个重要步骤，需要严格控制脱脂质量。

（1）管道脱脂分两次进行：第一次采用槽浸式脱脂，在管道预制前将管道及组成件放入盛装脱脂剂的槽内进行浸泡脱脂；第二次为系统循环脱脂法，管道安装后让脱脂剂在管内循环，对管道进行分段或整段脱脂。

（2）脱脂程序：水冲洗→酸洗→水冲洗→钝化→干燥→脱脂→干燥→检验→封闭。脱脂程序及要求见表1。

表1 脱脂程序及要求

（3）脱脂后检查：因高压氧气管道的脱脂极其重要，管道脱脂后应由专职检查人员组织三方（业主单位、监理单位、施工单位）共检，检查合格后签字确认，方可进行下一道工序。检验方法：根据HG20202 规定用波长320～380nm 紫外光检查脱脂件表面，无油脂荧光为合格。合格脱脂件的保护应符合下列要求：检查合格后应由专人负责封闭，并做好标识；采用含油量符合脱脂标准的塑料薄膜封闭管口，妥善存放防止污染；设置合格区、不合格区和待脱脂区，对不同的管道、管件分类放置。高压氧气管道脱脂关键工序：脱脂剂（丙酮）管理，脱脂剂不得受阳光直接照射、存放分区；机具等脱脂，施工用机具和防护用品施工前也要进行脱脂；过程保护，脱脂合格的预制件在施工过程中注意保护，避免二次污染。

2.4 下料组对

（1）因材质的特殊性，所有下料尺寸必须经过检查确认后方可下料。为了保证组对间隙，所有管道坡口均要机械加工，保证坡口处齐平并角度一致，机械加工高压氧气管道坡口见图1。

（2）下料后即进行脱脂保护。

图2 机械加工高压氧气管道坡口

（3）所有焊口组对前必须进行脱脂处理，且焊口不允许直接电焊组对，要外围点板对口，并且焊口组对错边量不大于1mm。

（4）管道开孔均要机械开孔。

2.5 焊接

（1）高压氧气管道焊接前必须具有合格的焊接工艺评定，根据焊接工艺评定报告编制焊接工艺规程，用于指导焊工施焊作业。

（2）进行高压氧气管道焊接施工的焊工必须持有由国家质量技术监督局颁发的作业证，并参与项目指定的焊工技能考核，由企业焊接技能考核评定委员会评定合格后方可施焊。

（3）在对口时，定位焊应采用与正式焊接相同的焊接材料和焊接工艺，定位焊缝的厚度不得超过管子壁厚的2/ 3。并需特别注意定位焊缝的质量，如发现裂纹、气孔、不允许的氧化变色等缺陷，应清除重焊。

（4）与母材焊接的工、卡具材质及焊接材料宜与母材相同或同一类别号。拆除工、卡具时不应损伤母材，且要将残留的焊瘤打磨至与母材表面平齐。

（5）准备焊接时不得在坡口之外的母材表面上引弧和试验电流，并应防止电弧擦伤母材。

（6）焊接过程中应保证起弧和收弧处的质量，收弧时应将弧坑填满，多层多道焊接头应该错开。

（7）除工艺或检验要求需分次焊接外，每条焊缝宜一次连续焊完。当因故中断焊接时，再次焊接前要检查焊道表面，确认无裂纹等缺陷后，方可按原工艺要求继续施焊。

（8）当环境温度低于0℃时，应将焊件预热至15～20℃以上再施焊；在风、雨、雪天气，特别是有风沙和灰尘时必须搭设防护棚。

（9）焊接方法：NO6600 镍合金材质采用全手工氩弧焊；304 材质不锈钢氧气管道因管径较大、壁厚较厚（管道规格为Ф457mm×26mm），预制时采用人工氩弧焊打底、全位置自动焊机进行填充盖面的方法。304 材质不锈钢氧气管道自动焊见图3。

图3 氧气管道自动焊

（10）高压氧气管道的现场焊接除常规要求以外，还要注意脱脂保护。

（11）所有形成氩气池的部件要做脱脂处理，组对焊接顺序应从开端直至末端，保证每一处都能做到氩气保护。

（12）管道焊接内余高不大于1.5mm。为保证施工中合格率及进度，施工现场根据焊接工艺评定做了针对镍基材料的焊接试验，并记录相关数据及施工注意事项。例如，仰脸焊接难成型的注意事项，现场固定口尽量避免在水平管线上的注意事项等。

（13）焊口焊接完成后能看到的部位要用眼睛观察，用手去触摸，用焊缝检验尺检测，焊缝必须圆滑过渡/ 无毛刺、坑凹等不规整现象。在人眼无法观察到的焊缝内壁，采用内窥镜进行观察分析，发现问题及时处理。焊口完成焊接后必须标示预制管段号、焊缝号、焊工号和焊接时间，及时进行无损检测。高压氧气管道上所有对接焊缝必须100%进行X 射线无损检测，发现缺陷及时处理。预制管段尽量在管道未安装的时候进行返修，以减小返修难度。

（14）所有预制的管段在无损检测合格以后进行酸洗钝化处理，处理完成才能进行预脱脂。这样焊缝不仅美观，而且避免了因为焊缝返修造成的管内二次污染。

2.6 镍基合金管线焊接难点及应对措施

（1）有害气体会对镍基合金材料的焊接造成影响：空气中的氮、氧会融入高温的焊缝液态金属中，发生脆化作用，降低金属的冲击韧性。因此，为了保护焊接质量，焊缝背面全程采用纯度99.9%氩气保护；在进行手工氩弧焊焊接时，滞后停气时间应稍长。选用喷嘴时，直径选取大一个型号，以便把熔池最大限度地屏蔽在保护气流中；焊接过程中或者焊接结束后，要始终把焊丝的热端留在熔池中。

（2）焊件表面的污染物会对镍基合金材料的焊接产生影响。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：氧化皮的熔点比母材高，在焊缝金属中形成夹渣或细小的不连续氧化物；一些脆化元素焊接时会与Ni 形成低熔点共晶，产生热裂纹。因此，焊道坡口采用机械加工方法，管道切口表面保持平整、无裂纹、重皮、毛刺、凹凸、氧化物及铁屑等。机械加工好坡口后，焊接前将坡口内外壁50mm 外围内用不锈钢丝刷、专用砂轮片清洗干净，去除污物毛刺等，并用丙酮清洗坡口表面，一定要彻底清洗干净方可进行焊接。

（3）镍基合金N06600 材料焊接时，熔池流动性差，且熔深较浅。熔池流动性差，不容易流到焊缝两边，因此焊接时采取摆动工艺，但是必须小幅摆动，手工氩弧焊时摆动幅度不能超过焊丝直接的3 倍。对于熔深较浅的问题，采取改变坡口形式的措施，坡口角度宜在55°～65°，焊缝间隙在2～3mm，钝边0.5～1mm。

（4）镍基耐蚀合金还具有较高的热裂纹敏感性，采用高热输入方法焊接时，在热影响区会产生一定程度的退火和晶粒增大现象。高热输入可能产生晶界偏析、碳化物的沉淀或其他有害的冶金现象，这可能引起热裂纹或降低耐蚀性。针对以上问题，中国化学工程第六建设有限公司经过多次反复试验，研究出一套优良的镍基合金焊接工艺，焊丝选用ERNiCr- 3，并且严格控制层间温度不得超过100℃，各项工艺参数见表2。

表2 镍基合金焊接工艺参数

2.7 管道安装

（1）管道安装的同时应及时进行管道支吊架的安装和调整，在条件允许的情况下直接安装正式支吊架，尽量减少临时支吊架的安装。临时支吊架不仅造成材料的大量浪费，而且后续的拆除会耗费大量人工。管道在与碳钢支架接触时，应及时采用石棉板或橡胶板进行隔离，避免铁污染。

（2）现场安装应尽量考虑预制口焊接，减少固定口的焊接，这样不仅容易操作，管内充氩方便，而且焊接质量更有保障。管道的安装顺序应沿着一个方向，以便取出用于充氩保护封堵的海绵。

（3）在安装前绘制的轴测图上标示有焊口号，在实际安装的时候避免不了有焊口的增减情况。增减焊缝的时候施工人员一定要及时在轴侧图上标示出来，以便后续的无损检测工作及交工资料整理的顺利进行。

（4）高压氧气管线上的螺栓要全部进行浸泡清洗，安装后严禁涂油。阀门安装前应对阀门及其密封面、垫片、螺栓进行油脂检查，合格后方可使用。

（5）氧气管线上的流量计、调节阀因不参与试压和系统脱脂，在能确定尺寸的情况下尽量用临时短节和临时垫片代替，避免反反复复的拆装，待吹扫结束后再进行安装。安装前流量计、调节阀等部件应采用无油干净的塑料布包裹防护，防止被污染。

2.8 管道试压

（1）试压应在管线系统无损检测完成后，化学清洗之前进行。

（2）氧气管线试压时应以脱盐水为试压介质；采取试压泵试压，取水点为装置脱盐水管线出水口。

（3）氧气管线试压泵及辅助设施均经过脱脂后使用，且辅助设施材料选用不锈钢材质。

（4）水压试验时，须将压力缓慢升至试验压力的50%；然后以10%的试验压力逐步升压，升压至试验压力后稳压10min；再将试验压力降至设计压力，停压30min直至检查完所有焊缝、法兰密封面等，无变形、无泄露，压力不降为合格。

（5）因氧气管线管廊输出线至框架系统中无任何法兰连接处，故在界区位置预留焊口以备管线试压和整体系统化学清洗，完成后加内套管脱脂后进行焊接。套管要求圆滑过度无毛刺，保证系统内部的清洁度。

2.9 化学清洗

系统压力试验完成后要进行化学清洗，化学清洗分两种方式：管廊界区至框架界区内管道口径一致，采用通球清洗；框架内因口径不一、分支较多采用循环清洗。

循环脱脂清洗脱脂剂配方见表3。脱脂过程中，每4h抽取脱脂剂进行检查，油脂质量浓度不超过350mg/ L 为合格；超过350mg/ L 在更换清洗液，延长清洗时间，直到合格为止。

表3 循环脱脂清洗脱脂剂配方

2.10 系统吹扫

（1）系统吹扫使用的是无油干燥氮气，吹扫出口排气应至安全区域，不在安全区域的应该连接临时管。

（2）吹扫前应检查各个管道支架是否牢靠，不牢靠的地方需要增设临时固定支架进行妥善处理。

（3）待吹扫的管道系统内流量孔板、滤网、止回阀阀芯等已拆除，可不拆除的阀门应保证具有100%的开度；不能达标的必须拆卸下来，避免吹扫时破坏阀门的密封性能。

（4）部分管段无法进行系统吹扫的可以进行分段吹扫，个别也可以选择人工进行清理，确保管道洁净度。

（5）吹扫结束后需要将所有拆卸下来的部件，包括限流孔板、调节阀和止回阀等全部复位，所有临时管道和临时固定支架要拆除。

（6）待所有部件复位后，氧气管线系统上的管道在通氧气前，管道内应充满0.4MPa 左右的氮气进行氮封保护，通氧气的时候再慢慢置换成氧气。进行置换时，由于里面有氮气，必须要先进行放气处理，直至出来的是纯氧气才可以投入使用。

3 高压氧气管道施工质量控制

（1）镍基材料：因采购周期长，所有镍基材料及特材应专人核对、专柜存放，保证材料的完全供应，不影响进度。

（2）镍基材料预制：根据现场施工经验，镍基材料仰脸位置焊接困难，成型困难，难以保证一次合格。因此，综合考虑后所有固定预留口位置应放置在立管上，以便于现场施工。

（3）静线接地：高压氧气管线所有法兰处要做静线跨接，且静线跨接R 板材质不低于母材。故在管线施工中，要保留所有管材余料，便于后期静线跨接使用。

（4）化学清洗：化学清洗与管道试压部分步骤一样，因而水压试验后所有预制短节保留，在化学清洗时统一使用。

（5）单一方向安装管线：管线施工中为满足脱脂和清洁度要求，要从一侧开始顺序施工，并保证所有焊道采用脱脂件制作氩气池，焊接过程中不得使用水溶纸封底。

4 结语

高压氧气管道施工技术重在施工准备前期的施工统筹规划、图纸深化，以及过程中的脱脂、下料、组对、焊接、试压等各工序的质量控制。施工技术的工艺原理核心由两部分组成，即管道的焊接和脱脂两部分。合理地安排好预制焊口，充分利用最新自动焊接技术、管道内壁脱脂清洗技术等，控制好各工序的施工质量，才能顺利进入单机试车阶段，大大提高施工效率，有效降低成本。

通过开发高压氧气管道施工技术，并应用于公司承建的湖北多个项目的高压氧气管道施工，保证了高压氧气管道的施工质量，确保了施工及装置的安全生产，提高了项目效益，极具推广价值。