液氧管道布置及保冷設計探討

孔曉軍 甄崇汀 中石化寧波工程有限公司 寧波 315103

液氧在石油化工裝置中廣泛運用。工業上制造液氧的方法是對低溫液態空氣進行分餾，液氧是空分裝置的主要產品，儲存時以液氧形態儲存。

1 液氧管道布置

1.1 液氧的特點

氧氣在溫度低于-182.980℃時液化成液體，呈天藍色，氣化時吸收大量熱量。在常溫情況下液氧極易受熱氣化，同質量的氧氣體積是液氧的800 倍。

1.1.1 防止液氧發生物理爆炸

(1)液氧劇烈蒸發產生爆炸。液氧儲存溫度的輕微變化會帶來液氧管道內部壓力的急劇變化。例如， - 182℃時液氧管內飽和氣壓約為0.1041bar，- 180℃ 時液氧管內飽和氣壓約為0.3512bar，- 177℃ 時液氧管內飽和氣壓約為0.7979bar。管道內液氧受熱易氣化，管內壓力升高，導致安全閥起跳或者使泵氣蝕。系統停車排凈后，切斷閥關閉，容易導致切斷閥間密閉管段受熱超壓爆炸。

(2)由于液氧存在于-182.980℃下，當液氧介質竄入氣化后的氧氣管道中時，會造成大氣中的水分在管壁附近低溫過飽和析出，管壁掛霜、結露和凍冰、超低溫造成碳鋼管機械強度大幅下降，承壓能力驟減，碳鋼低溫脆性性能差，易發生低溫態爆炸。

1.1.2 防止液氧發生化學爆炸

(1)液氧中烴類、有機物等聚積發生化學爆炸，在所有已知的空氣雜質中，與液氧接觸最危險的介質為乙炔。同時，液氧中的碳氫化合物積聚成粒子，液氧泵運行過程中，高速粒子沖擊液氧管道，特別是管道薄弱部分(波紋管膨脹節)，由于摩擦大，液氧壓力高導致膨脹節破壞，液氧管道泄漏，或者進入真空管道真空腔內。

(2)當液氧泄漏，與可燃物質接觸(瀝青)，如果發生爆炸，其產生的破壞力與冷凝炸藥相當(液氧炸藥)，爆炸力大。

1.1.3 防止液氧人身傷害

當液氧發生“跑、冒、滴、漏”事故時，一旦液氧噴濺到人的皮膚，將引起嚴重的凍傷事故。

1.2 液氧管道布置要求

1.2.1 通用原則

按《工業金屬管道工程施工規范》GB 50235-2010 和《石油化工有毒、可燃介質鋼制管道工程施工及驗收規范》SH 3501 -2011 規定，設計溫度低于-290℃的管道為低溫管道。因此，液氧管道屬于低溫管道。

(1)管道切斷閥之間的密閉管段必須設置安全閥。

(2)低溫管道布置應以如何減少管道壓降和冷損為原則，管道布置時應在滿足工藝流程和應力的情況下，管道走向盡可能簡單。

(3)管道應有不小于3%的坡度，使汽化出的氧氣及其他氣體順管道坡度流向儲罐等設備。

(4)低溫閥門宜布置在水平管道上，所有低溫閥門的閥桿均應加長，并且宜豎直安裝。閥門組的配管應注意考慮能順利卸下其中任何一個閥而不影響管道保冷結構。

(5)靠近彎頭或三通處，一般不允許直接焊接法蘭。為了拆卸螺栓時不破壞主管道上的保冷層，需再延長一段長度(接一短管)后再焊接法蘭。

1.2.2 液氧管道布置的特殊要求

液氧管道連接儲罐與泵時，必須設置人為液袋，兩側配管皆做成步步高形式，液袋處設放凈。由于低溫泵常溫啟動時需耗大量時間冷泵，一旦發生事故，系統供氣量減少。為保證下游裝置的正常運行，后備系統需及時提供所缺氣量，所以該泵應時刻處于冷備或者惰轉狀態。在這兩種狀態下，管內液氧不流動或慢速流動，液氧氣化劇烈，碳氫化合物濃縮積聚，若儲罐出液口與泵吸入口之間的管道為步步低時，碳氫化合物積聚在泵口和泵頭處，一旦泵高速運轉極易發生燃爆。

液氧儲罐與泵的典型配管見圖1。儲罐與泵之間配管成“V”字形，碳氫化合物積聚在集合管處，集合管為低點，此處設置放凈，每隔一段時間開閥排液，降低碳氫化合物濃度;再者管道布置成“V”字形可以讓吸熱汽化的氧氣順管道流回儲罐和泵，不至于在管內積聚大量氣體，影響液體正常流動。

圖1 液氧儲罐與泵的典型配管

這種液氧典型配管，集合管處不僅可作為后備泵的液體來源，也可作為裝車液氧和自增壓器所需液氧的來源。

儲罐與液氧泵之間的低點采取導淋措施外，還有一種方法值得借鑒，見圖2。圖中液氧管道在儲罐與泵之間存在人為低點，低點處設置一條毛細管回流線，未設置導淋。通過不保溫毛細管，使管道升溫液體氣化，發生溫差環流，將低點碳氫化合物帶入儲罐內。儲罐內液氧需定期進行分析化驗，發現碳氫化合物超標時可進行部分排液或徹底排液加溫操作。

圖2 液氧儲罐與泵低點設毛細回流線配管

1.2.3 排凈管道布置

不同供貨商對液氧放凈管道設計的做法見圖3和圖4。

圖3 國外甲供貨商放凈及安全閥配管

圖4 國外乙供貨商放凈及安全閥配管

圖3為國外甲供貨商對放凈及安全閥配管的要求，安全閥管線與放凈管線共用同一個入口管，支管插入主管并接近主管底，且必須為在頂部接出，放凈閥前后管線均應低于放凈閥本體，安全閥后管線低于安全閥本體，直接排放在鋪鵝軟石或碎石子的地坪上。

圖4 為國外乙供貨商對放凈及安全閥配管的要求，安全閥管線與放凈管線共用同一個入口管，且入口管應在主管靠近底部處接出，放凈閥前后管線均應低于放凈閥本體，安全閥后管線低于安全閥本體，排液管匯于排液總管后通向殘液排放器，排液總管為步步低。

兩家供貨商均要求在管道低點設置放凈，并每隔一段時間開啟放凈閥一次，排掉積聚的碳氫化合物等有害介質，兩家單位均未在液氧管底部設置放凈，避免管道出現盲端。安全閥與放凈均使用同一入口管，是為了減少主管焊縫從而減少泄漏點。

放凈閥前后管道均低于閥體則是為了在正常運行時隔斷閥門與液氧的接觸，減少低溫液體對閥門填料函的損壞。國外供貨商對沖車泵入口的工藝要求，詳細標明了管線的坡向要求，見圖5;圖6 為國內某供貨商沖車泵入口的PID。

2 液氧管道保冷設計

圖5 國外供貨商對沖車泵入口要求

圖6 國內供貨商對沖車泵入口要求

液氧管道的保冷結構從內至外，由除銹層、保冷層、防潮層、保護層構成。保冷層對維護介質溫度穩定起主要作用，因此合理選擇保冷材料很關鍵。選擇保冷材料時，應注意材料的密度、透氣、吸水性、變形、吸濕性并應具有良好的抗凍性，在低溫下物性穩定，可長期使用。同時，還應考慮保冷材料的低溫收縮率，低溫狀態下是否會發生龜裂及脆化等。常見保冷材料基本情況見表1［1］。

表1 常見保冷材料基本情況

2.1 泡沫玻璃保冷

采用泡沫玻璃保冷時，保冷層較厚，大口徑管道厚度往往達到200mm 以上，對于復雜的系統和安裝空間狹小的裝置，配管難度增大。泡沫玻璃的安裝質量如何直接影響管道的保冷效果，大部分裝置的液氧管道的泡沫玻璃弧形板之間的空隙都會結霜，且泡沫玻璃性脆易碎，安裝過程中難免有部分碰撞導致碎裂，影響保冷效果，并且冷量的損失導致管內氧氣量增加，管道壓力增加引起安全閥頻繁起跳。

2.2 珠光砂保冷

珠光砂導熱能力小于泡沫玻璃，易填充，保冷效果明顯。珠光砂填充前應考慮被填充設備周圍環境，留有珠光砂制造設備與運輸車操作的空間。

空分罐區低溫泵附近低溫管線較多，閥門布置較密時，應考慮將泵體、閥門、管道、管件等共同做一小冷箱，也稱泵箱，閥門手輪應伸出箱體。若有條件該泵箱最好做至儲罐出液口處，無需再用泡沫玻璃或真空管保冷。為了避免箱體內結霜、結凍導致保冷性能下降，冷箱內應充氣保持微正壓。

珠光砂造價低廉，保冷效果極好，但所占空間較大，若箱體內若發生液體泄漏時，檢修難度極大，需扒砂，檢修完后回填等。

2.3 真空管保冷

由于真空的理論熱傳導能力為零，其冷量損失僅為熱輻射，所以其保冷能力強。低溫管道輸送距離較長時，基于系統穩定運行及安全考慮，應盡量選擇用真空管作為保冷形式。

真空管的設計是由專門的低溫設備廠根據設計單位提供的單線圖來進行二次設計，再將管道預制后分段運輸至施工現場。管道的兩端與設備連接處在設計時應預留100 -200mm 的裸管，方便現場的調整，最后將該部分管道用泡沫玻璃保冷或采用伸縮套內充離心玻璃棉的方式保冷。液氧管道廠家設計真空管時按管道伸縮量設置軸向補償器，并在內管合理位置設置導向支架，真空管道出廠前應完成壓力試驗，管內不得有低位積液。

目前許多大型空分裝置低溫管道正逐漸采用真空管形式，相比較之前的泡沫玻璃保冷，從外觀上看由于少了臃腫的泡沫玻璃，管道外徑縮小，管夾也相應減小，節省了更多的空間。雖然真空管有諸多優點，但其價格遠高于泡沫玻璃，由于存在泄漏點，其保冷效果會隨著時間的推移逐漸降低。所以根據裝置實際情況每隔幾年應更換一批真空管以確保裝置正常運行。

以上三種管道保溫形式的選擇應根據裝置規模大小、設備的布置情況、系統的繁復程度及資金的情況進行綜合考慮后確定。

表2 真空管最大冷損量

3 結語

由于液氧管線的特殊性，其配管及保冷要求較高，國外的成套供貨商對于這類管道的配管及保溫在其公司內部已有明確的規定。目前的國內成套供貨商在逐漸吸收國外幾大空分供貨商的經驗后也已初步掌握了該類管道的要求，但細節問題往往被忽略，設計人員應結合國外優秀供貨商的流程及管道設計要求，完善流程及管道布置，并選擇合理的保冷形式，防止事故的發生。

1 SH/T 3010 -2013，石油化工設備和管道隔熱技術規范［S］.