淺談鋼鐵廠氧氣管道的設計

李 霞，陳 靜

（1.上海梅山工業(yè)民用工程設計研究院有限公司，江蘇南京 210039；2.湖南化工醫(yī)藥設計院，湖南長沙 410021）

淺談鋼鐵廠氧氣管道的設計

李 霞1，陳 靜2

（1.上海梅山工業(yè)民用工程設計研究院有限公司，江蘇南京 210039；2.湖南化工醫(yī)藥設計院，湖南長沙 410021）

論述了鋼鐵廠氧氣管道設計中的管道材質(zhì)、管徑、壁厚、管件、閥門及配套法蘭墊片的選擇，管道焊縫檢測，壓力試驗及氣密性試驗，為鋼鐵廠氧氣管道的安全設計提供參考。

鋼鐵廠；氧氣管道；設計

在鋼鐵企業(yè)中，氧氣對高爐煉鐵生產(chǎn)有著極為重要的作用，富氧鼓風操作是往高爐鼓風中摻混氧氣，使鼓風含氧量超過大氣含氧量，目的是提高冶煉強度以增加高爐產(chǎn)量。隨著高爐冶煉的技術(shù)進步，人們發(fā)現(xiàn)富氧還能發(fā)揮高風溫、噴吹燃料降低焦比的作用。所以高爐富氧在當今鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)中的作用不可或缺。鋼鐵廠一般用氧純度≥99.96%，壓力通常為0.4～1.8MPa，具有純度高和壓力高的特點，氧氣本身是一種助燃氣體，極易引起火災從而影響高爐生產(chǎn)順行及終產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，合理的氧氣管道設計可以減少或者避免事故的發(fā)生。作者根據(jù)自己多年的燃氣管道設計經(jīng)驗，結(jié)合2015年梅山鋼鐵公司2號高爐大修工程新建氧氣減壓閥站的設計，現(xiàn)從設計方面談談如何確保設計的規(guī)范合理，為氧氣管道的安全設計提供一些參考。

2 氧氣減壓閥站的流程

來自南京梅山普萊克斯氧氣球罐區(qū)的氧氣送至本項目閥站外1m，總管為DN150，進口設置切斷總閥，留吹掃及放散頭，閥后設置阻火器，過濾器，現(xiàn)場壓力表監(jiān)測過濾器使用效果，為過濾器的濾芯更換提供依據(jù)，后設置流量計，流量計前后預留足夠的直管段，經(jīng)過自立式減壓閥后管道壓力變低，管道擴徑至DN200，設置流量調(diào)節(jié)閥（由高爐工藝操作和控制流量及壓力微調(diào)），調(diào)節(jié)閥后設置安全閥，以保之后的管道及設備安全，安全閥后設置閥站內(nèi)最后一道閥門–快速氣動切斷閥，以備高爐緊急減風操作停氧，沿途敷設至高爐本體附近的冷風總管，進風管前設置止回閥及手動氧氣切斷閥，止回閥用于預防冷風倒入氧氣管道引起燃爆事故。流程如圖1所示：

3 嚴格執(zhí)行設計規(guī)范并結(jié)合工程實際優(yōu)化設計

3.1 合理選擇管材

在工作壓力大于0.6MPa時，氧氣管道不宜選用碳鋼材質(zhì)，本工程中氧氣減壓閥站閥門密集，三通、彎頭及變徑管很多，進入氧氣減壓閥站的氧氣壓力為1.6MPa，所以在本項目中閥站內(nèi)氧氣管道全部選用奧氏體不銹鋼無縫鋼管。經(jīng)氧氣減壓閥站后進入高爐本體附近管線復雜，而高爐富氧對高爐高產(chǎn)不可或缺，綜合權(quán)衡投資投入及帶來的利潤，本項目所有氧氣管道均選擇奧氏體不銹鋼材質(zhì)。

3.2 合理選擇管徑

來自南京梅山普萊克斯氧氣球罐區(qū)的氧氣最大流量達到10 000m3/h，壓力為1.6MPa。按最大流速計算管徑r=0.061m，為確保氧氣的流速不超過規(guī)定值，同時考慮到經(jīng)濟流速，確

圖1 氧氣減壓閥站流程圖

定管線公稱直徑為DN150。根據(jù)終端用戶高爐富氧需要，該氧氣減壓后工作壓力約0.4 MPa，按最大流速計算管徑r= 0.086m，為確保氧氣的流速不超過規(guī)定值，同時考慮到經(jīng)濟流速，確定管線公稱直徑為DN200。

3.3 合理選擇管道壁厚

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，當直管計算厚度ts小于管子外徑D0的1/6時，承受內(nèi)壓直管的計算厚度不應小于式（1）的計算值。

式中 ts—直管計算厚度（mm）；

p—設計壓力（MPa）；

D0—管子外徑（mm）；

[σ]t—在設計溫度下材料的許用應力（MPa）；

Ej—焊接接頭系數(shù)；

tsd—直管設計厚度（mm）；

C—厚度附加量之和（mm）；

C1—厚度減薄附加量（mm）；

C2—腐蝕或腐蝕附加量（mm）；

Y—計算系數(shù)。

式中設計溫度為常溫，一般取50℃，根據(jù)規(guī)范0Cr18Ni9在50℃時材料的許用應力[σ]t為114MPa，焊接接頭系數(shù)Ej的取值為1，計算系數(shù)Y的取值為0.4。

3.3.1 管道壁厚計算

管道壁厚計算計算見表1。

表1 管道計算壁厚

3.3.2 厚度附加量

（1）C1厚度減薄附加量（mm），取鋼管允許厚度負偏差。根據(jù)規(guī)定：

熱軋（擠、擴）鋼管壁厚＜15mm時，普通級允許厚度負偏差（12.5%）

高級允許厚度負偏差（12.5%）；

熱軋（擠、擴）鋼管壁厚≥15mm時，普通級允許厚度負偏差（15%）

高級允許厚度負偏差（12.5%）；

冷拔（軋）鋼管壁厚≤3mm時，普通級允許厚度負偏差（14%）

高級允許厚度負偏差（10%）；

冷拔（軋）鋼管壁厚＞3mm時，普通級允許厚度負偏差（10%δ）

高級允許厚度負偏差（10%）。

綜上所述，考慮到氧氣管道用鋼管為熱軋（擠、擴）鋼管，故厚度負偏差應按照上面規(guī)定選擇。

（2）C2腐蝕附加量（mm），0Cr18Ni9鋼管的腐蝕裕量取0mm。

3.3.3 管道的設計厚度

管道設計壁厚見表2。

表2 管道設計壁厚

3.4 合理選擇管道管件

本項目中的彎頭、三通及變徑管均宜采用壓制對焊成品件。在施工現(xiàn)場不得開孔和插接。所有成品件管件的內(nèi)壁均應平滑，無毛刺及焊瘤，以減少摩擦，防止氧氣減壓閥站燃爆事故發(fā)生。

3.5 合理選用閥門

氧氣管道閥門是氧氣管網(wǎng)上的主要控制設備，也是事故多發(fā)點。氧氣管道閥門應選用氧氣專用閥門，氧氣專用閥門的閥體材質(zhì)為銅合金或鎳基合金，一般為硅黃銅（氧氣壓力低時可選用不銹鋼、鑄鋼或球墨鑄鐵），阻燃性能好，摩擦、沖擊時不會產(chǎn)生火花。公稱壓力p≥1.0MPa且DN≥150mm的手動氧氣閥門宜選用帶旁通的閥門，以方便操作，保證開閥安全。這類閥門若不帶均壓小旁通閥，突然打開主閥，大壓差會造成閥門出口側(cè)氧氣壓力驟升，高速氧氣流摩擦升溫，另外，如若氧氣壓力高，不帶均壓小旁通閥的手動閥在現(xiàn)場開關(guān)閥門非常困難。若設置均壓小旁通閥，先緩慢開啟此小旁通閥均壓，出口側(cè)緩慢升壓，與進口側(cè)壓差減小就避免了流速過快而導致溫升過高。本項目中管徑DN≥150mm的管道均選用配帶小旁通閥的閥門。

3.6 合理選用管道中的法蘭墊片

氧氣管道的法蘭墊片密封性要好，忌用可燃物。根據(jù)規(guī)范法蘭墊片的選擇如下表3。

表3 氧氣管道法蘭的墊片

鋼鐵廠用氧壓力主要在p≤0.6MPa、0.6 MPa

3.7 閥門后及管段中合理設置阻火器

作為與氧氣減壓閥站外分隔的節(jié)點，進入氧氣減壓閥站的第一道總閥后設置一套閥后阻火器。如果是長距離輸氧管道，每隔400m左右設置一套管道阻火器，本項目站外至高爐本體附近的冷風管道約300m，所以不設置阻火器。

3.8 按規(guī)范提出檢測要求、壓力試驗、氣密性檢查

本工程管道采用氣壓試驗，工作壓力1.6MPa，設計壓力1.8MPa。依據(jù)規(guī)范要求，應100%射線探傷檢測，焊縫質(zhì)量等級不低于2級。本工程中管道設計壓力為1.8MPa，氣壓試驗壓力為1.15倍設計壓力即2.07MPa。強度試驗時，緩慢升壓，升至試驗壓力保壓30min，以保證有足夠時間對管道變形等情況進行檢查。強度試驗結(jié)束后，壓力降至設計壓力，進行氣密性試驗，保壓24h，計算每小時泄漏率，應符合規(guī)范中室外管道泄漏率不大于0.5%的要求。

4 結(jié)束語

2016年3月，伴隨著梅山鋼鐵公司2號高爐開爐，氧氣減壓閥站成功投用，一年多來為高爐順行高產(chǎn)提供了必要保障，運行狀況良好。氧氣具有強氧化性、助燃性，且純度越高，壓力越高，危險性越大，要深刻認識氧氣的特性，嚴格執(zhí)行國家的相關(guān)標準、規(guī)范，切實從設計這一基礎環(huán)節(jié)把好關(guān)，從根本上保證氧氣管網(wǎng)的安全穩(wěn)定順行。

[1] GB16912-2008，深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB 50030-2012，氧氣站設計規(guī)范[S].

[3] GB/T 20801-2006，壓力管道規(guī)范[S].

Design of Oxygen Pipeline in Steel Plant

Li Xia，Chen Jing

Discuss the options of the material，diameter，thickness，tube piece，valve and gasket about oxygen pipeline，the detection of welding line，the experiments of the pressure and the gas tightness，and provide a reference for the design of oxygen piping in iron and steel works.

iron and steel work；oxygen pipeline；design

TF083.4

A

1003–6490（2017）03–0103–02

2017–02–06

李霞（1979—），女，河南信陽人，工程師，主要從事煤化工設計工作。