氧氣站工廠設計若干問題的探討

石麗娜

氧氣站工廠設計若干問題的探討

石麗娜

（中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶401122）

根據現行有效規范標準，結合實際設計及現場施工服務經驗，總結了氧氣站工廠設計過程中的若干注意事項。針對總圖布置與道路運輸、閥門選型與設計、管件選用、低溫管道的保冷及支撐、工程設計中易忽視易發生的碰撞部位等問題展開探討，并提出了人性化工廠設計的建議。

氧氣站；工廠設計；注意事項

1 引言

隨著生產技術和國民經濟的不斷發展，深度冷凍法（簡稱深冷法）制氧技術在冶金和化工等行業中獲得了廣泛的應用，采用深冷法設計氧氣站成了行業工程的焦點。一個制氧站工程能否順利投產并穩定運行除了與設備制造廠的設計制造水平、施工單位的安裝水平、監理單位的監督管理水平、用戶的運營操作水平有關以外，工廠設計過程中對細節問題的處理更為重要，這對設計院的設計水平提出了重大挑戰。本文從工廠設計者的角度出發，論述了采用深冷法設計氧氣站的工廠設計中總圖布置與道路運輸、閥門選型與設計、管件選用、低溫管道的保冷及支撐等注意事項，總結了工程設計中易忽視易發生的碰撞部位，并針對人性化工程設計提出了建議。

2 總圖布置與道路運輸

2.1 吸入空氣質量要求

空氣是空分設備的原料，空氣質量的好壞直接影響到空分設備能否安全運行。在滿足總體規劃的前提下，氧氣站應盡可能位于環境清潔地區，以保證吸入空氣的質量。通過對國內外一系列空分爆炸事故的分析發現：在分離溫度下，空氣有害組分中的CO2和N2O呈現固態，易堵塞設備和管道，影響設備安全運行；C2H2等碳氫化物大部分被分子篩吸附器吸附，而未被吸附的一部分則最終進入主冷凝器的液氧中，當液氧中的碳氫化物含量超過其溶解度時即以固體顆粒狀析出，一旦遇有沖擊摩擦等引爆源就會引起爆炸。因此，一些國家對空分設備的大氣條件都提出了相應要求，國內規范《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程》（GB16912-2008）對吸入空氣質量的要求詳見表1。

而對毗鄰化工廠設計的氧氣站，在必要情況下，可考慮增加吸入口空氣質量動態監測裝置，以便及早發現問題，避免事故發生。

2.2 道路運輸

隨著經濟的發展，現今工程車輛越做越大，有些氧氣站除了設有低溫液體槽車外，還設有排管拖車等大型車輛。氧氣站廠區通行道路要充分考慮上述大型車輛的通行，尤其是道路轉彎半徑的設計，一定要確認上述大型車輛能夠安全通行。如若拐彎半徑設計偏小，即便通過增加廠區大門或調整道路路由來補救，既增加成本又影響整體美觀。其次，氧氣站很多管道采用架空敷設，對于跨道路敷設的架空管道，要充分考慮管道敷設標高能夠滿足車輛通行，以免碰撞。根據實際情況，可以在跨管道兩側增加防撞護欄。

3 閥門選型與設計

3.1 閥門選型

整個氧氣站會使用大量閥門，且種類繁多，有截止閥、閘閥、球閥、蝶閥、止回閥、安全閥、調節閥、減壓閥等。氧氣站的閥門有部分是工藝設備成套配置的，其他則是工廠設計補充的。對于工藝設備成套的閥門，工廠設計不再選型，按照工藝流程及相關規范合理進行閥門定位即可；而對于工廠設計補充的閥門，需工廠設計合理選型，一般情況下，循環水管道閥門多采用蝶閥，氣體管道根據情況多采用截止閥、閘閥、蝶閥等。氧氣是助燃氣體，極易引起燃燒，氧氣管道閥門是氧氣管網上的重要關鍵設備，也是事故多發源，其選用應慎重考慮，在此著重闡述氧氣管道閥門選型注意問題。氧氣管道閥門應選用專用于氧氣介質的閥門，閥門材質一般為硅黃銅（低壓時可考慮采用不銹鋼材質），閥門出廠前要經過嚴格的強度試驗和氣密性試驗，并進行脫脂處理，此外，還應注意以下幾點[2]：

（1）由于閘閥關閉不嚴及維修方面的缺點，對于工作壓力大于0.1 MPa氧氣管道，嚴禁選用閘閥。

（2）公稱壓力大于等于1.0 MPa且公稱直徑大于等于150 mm的手動氧氣閥門，宜選用帶旁通的閥門，以均衡壓力，方便操作，保證開閥安全。

（3）為減輕操作人員勞動強度，避免出事故時傷人，對于經常操作的公稱壓力大于或等于1.0 MPa且公稱直徑大于或等于150 mm的氧氣閥門，宜采用氣動遙控閥門。

3.2 閥門工廠設計

3.2.1 對閥門尺寸的正確估計

對于工藝設備成套配置的閥門，有些閥門沒有尺寸參數，工廠設計時只能粗略估計閥門的尺寸，很難準確兼顧到閥門長度和高度問題，而真正施工時暴露出的問題往往做調整也難以彌補。對于閥門長度方面問題，在預冷系統設計時要高度重視，因為該系統閥門較多較雜，盡管場地有限，設計時也要合理調整布局，對閥門長度要有充分的估計，以免出現閥門安裝時空間不足，或者出現兩個閥門之間無直管段而直接連接的情況（盡管設計時考慮了兩個閥門之間的直管段）。如圖1所示。

對于閥門高度方面問題，主要體現在對閥門閥桿（閥頭）高度的估計不足，特別是氣動閥門。而這類問題多發于兩根水平管道上下布置，閥門位于下部管道的情況。由于對閥門閥桿（閥頭）的高度估計偏小，現場安裝時導致閥桿（閥頭）與上面管道碰撞，對于上部管道標高可調的情況，可通過現場施工調整解決，但是對于錯綜復雜的管系，上部管道標高不可調的情況，閥門無法直立安裝，只好旋轉一個角度安裝，以避開上部管道，這既不美觀，也不方便操作。如圖2所示。

此外，設計時針對設備冷卻器抽芯，除了考慮給足設備抽芯的長度空間外，還要注意高度方向有無障礙，特別是閥門尺寸的影響，設計時要盡可能留足閥門尺寸的余量，以保證設備冷卻器能夠正常抽芯。如圖3所示。

3.2.2 對閥門位置及安裝方向的考慮

根據工藝需要和閥門特性，氧氣站閥門的位置及安裝方向應進行合理設計。具體情況如下：

（1）截止閥和閘閥：對于手動的截止閥和閘閥，安裝角度沒有限制，根據現場情況，便于操作即可，而對于電動閥門的閥桿則應安裝在水平管道上。

（2）止回閥：氣流方向應符合止回閥規定的流向，旋啟式和水平瓣升降式止回閥宜裝在水平管段上，垂直瓣升降式宜裝在垂直管段上。

（3）安全閥：安全閥一般垂直安裝，并宜設在氣流壓力脈動最小的地方，安排放散口應根據實際情況，朝向安全方位。

4 管件選用

4.1 彎頭、變徑管和三通

對于氧氣管道，為減少沖擊與摩擦，防止燃爆事故發生，氧氣管道上的彎頭、變徑管和三通等管件宜采用成品，并在施工圖材料表中一一列出。當成品不能取得時，應在工廠或者現場預制，并加工到無銳角、無突出部位及焊瘤，以保證安全。特別是對于三通處，盡可能不在現場開孔、插接等，現場施工水平很難達到上述要求，對安全生產造成隱患。

4.2 法蘭及法蘭蓋

整個氧氣站的水管和氣管等很多地方都要用到法蘭及法蘭蓋，多位于管道盲端及設備冷卻器抽芯處。法蘭及法蘭蓋應嚴格按照國家、行業有關現行標準選用，確保強度和加工精度達到要求。此外，法蘭和法蘭蓋的選用還要注意高溫下對壓力-溫度的矯正，這也是設計中往往容易忽略之處。例如，根據《鋼制管法蘭（PN系列）》（HGT20592-2009）規范，對于IC4類別號的碳素鋼類法蘭及法蘭蓋，在溫度為250℃時，PN6.0的法蘭及法蘭蓋僅能承受0.45 MPa的壓力，因此，如果管道的設計壓力為0.5 MPa，法蘭和法蘭蓋選型PN6.0就不能滿足設計要求，PN10才合適。在整個氧氣中，對于分子篩處法蘭及法蘭蓋的選用，此條更要引起重視。

5 低溫管道的保冷及支撐

5.1 低溫管道保冷

在正常生產中輸送液態產品的管道，如出分餾塔去液氧、液氮貯槽的管道，貯槽到加壓泵的管道，空分設備排放液體的管道等，這些管道溫度達到-196℃，低于-153℃（普冷與深冷的分界線），屬于深冷范圍。為減少外部熱量的侵入，防止氣化和低溫凍傷，需對低溫管道進行保冷，以保證管道的液相輸送。保冷結構（從內到外）一般由防銹層、絕熱層、防潮層、保護層組成。

5.2 低溫管道支撐

在低溫管道絕熱保冷工程中，支撐部位是保冷工程中的薄弱環節。如果設計時低溫管道與支撐部位直接接觸，支撐部位將會產生冷橋，導致支撐周圍保冷失效。對此，工程中一般采用硬木墊塊或絕熱管托來支撐，以保證保冷效果。

此外，為防止低溫管道的熱脹冷縮引起的位移損壞管道絕熱層，要求管道支架的管托與管道焊死，管托可與支架相對滑動，以此來保護絕熱層。

6 易忽視易發生的碰撞部位

工廠設計中，除了一些常見的碰撞情況（如管道和管道、管道與閥門設備平臺梁或斜撐、管道與電纜橋架、管道與廠房柱）外，還有一些設計時容易忽視而施工現場屢次發生碰撞的部位，現歸納總結如下：

（1）冷卻器抽芯與廠房柱子（或支架）碰撞。

（2）出廠房管道與廠房圈梁碰撞。

（3）廠房內管溝埋地排水管與廠房地梁碰撞。

（4）管道與廠房的柱間支撐（剪刀撐）碰撞或者距離太近導致支架無法施工。

（5）Y型管道過濾器下部或周圍預留空間不夠，無法抽芯。

（6）出空冷塔管道與空冷塔梯子平臺碰撞，如圖4。

（7）管道自然補償的立體補償器下彎部位與支架碰撞，如圖5。

（8）埋地管道與支架基礎碰撞。

7 人性化工程設計的建議

（1）上平臺梯子盡可能做成斜梯，即使斜梯角度稍大也比直爬梯方便得多，因為多數情況下操作人員或者檢修人員是要帶著工具爬梯子的，直爬梯增加了操作和檢修的難度。

（2）合理布置管道，盡可能使手動閥門低位布置，氣動或電動閥門高位布置，為現場操作人員提供方便。

（3）對于大管道閥門處，因管道閥門手柄較高，人站在平臺上無法操作，最好在平臺上設計支墩或踏步梯以便于人員操作閥門。

（4）廠房內的小管道盡可能貼地坪敷設或埋地敷設，以便于人員通行。

（5）電纜溝和水管溝地面有一定坡度（一般不小于0.5%），以利于排水。

8 結束語

氧氣站的工廠設計是多專業的協同設計工作，各個專業在設計工作過程中的配合與協調，直接關系到現場施工的情況，因此，優秀的設計是順利施工的前提，也是安全生產的保障。本文對采用深冷法設計氧氣站的工廠設計中的若干細節問題展開了論述，總結了總圖布置與道路運輸、閥門選型與設計、管件選用、低溫管道的保冷及支撐等注意事項和工程設計中易忽視易發生的碰撞部位，并提出了人性化工程設計的建議，對于實際的工程設計具有較強的參考價值。只有提高精心設計的意識，才能避免系列問題的發生，保證氧氣站工程順利投產并穩定運行。

[1]GB16912-2008，深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程[S].

[2]杜本超.氧氣管道設計[J].制冷與空調，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

石麗娜（1984-），女，碩士研究生學歷，工程師，現從事鋼鐵企業燃氣設計工作。