空分裝置氧氣管道設計問題剖析與優化

侯明霞

上海寰球工程有限公司 （上海 200032）

隨著我國經濟的快速發展及科學技術的進步，設備制造能力不斷提升，各行業特別是石油化工行業裝備向著集約化、大型化發展。空分裝置的產能也不斷提高，工藝流程不斷完善，流程的本質安全得以保證；分離出的氧氣通過管道輸送被大量地運用在工程領域，如化工、冶金、電子、醫藥等行業。技術能力的提升使得管道中氧氣的純度也不斷提高，可超過99．96%。氧氣增壓后通過管道輸送至用戶，在此過程中，氧氣管道燃燒爆炸事故時有發生。究其原因，一是設計上的失誤，二是施工質量不達標[3]，三是操作失誤。本文主要討論氧氣管道的事故原因、設計中采取的措施以及如何通過優化管道布置確保氧氣管道及相關人員的安全。

1 氧氣管道的事故原理

氧氣管道發生燃燒爆炸，必然要滿足3個方面的條件，即管道內有可燃物質、助燃物質、激發性的能源。氧氣本身就是助燃物質，為氧氣管道燃燒、爆炸提供了必要條件。氧氣管道的材質為鋼管，而在純氧環境下，任何物質都是可燃物，包括鋼管。鋼管在純氧中被激發燃燒，放出巨大的熱量，管道的溫度急速攀升，管道很快被燒穿破裂，流體迅速噴射造成爆炸。鐵與氧的反應式為：

從反應式可以看出，1 mol的鐵在氧中燃燒將釋放出408．6 kJ熱量。分析其著火的原因，除管道內有可燃物質（如油脂）外，還一定有引起著火的能源，比如：管道內氧氣與管壁之間的摩擦、與彎頭撞擊，以及氣流突然降壓產生的壓縮熱；氧氣管道周圍有高溫物質及著火源；焊槍等產生的電火花，未能及時導走的靜電等。

（1）管內流體與管壁的碰撞、摩擦。高速流動的氧氣中夾帶著管道中殘留的鐵粉、焊渣等，這些物質與氧氣管道內壁產生碰撞、摩擦，生成的摩擦熱逐漸升高。管道有凹槽或凸起，常與流體產生摩擦、碰撞，或使流體積聚，使得管道溫度升高。這些鐵粉所需的點火能較低，極易發生自燃。自燃的赤熱鐵粉與閥門內件、彎頭高速撞擊，消除大部分動能后沿管壁沉積，黏附在管道內壁上，在高溫作用下，氧氣與鐵素體發生反應，燒穿管道甚至發生爆炸。

（2） 絕熱壓縮。氧氣管道的減壓閥或調壓閥在閥門的前后有一定的壓差，當調壓閥或減壓閥開啟時，壓差迫使管道中的氧氣高速流動，使其動能瞬間增加，所增加的動能轉化為壓縮熱，使得管道的溫度驟然升高，導致管道內殘留物著火。口徑相差較大的大小頭，也會使得氧氣管道的溫度升高。氣體被絕熱壓縮時，其溫度升高與壓力升高的關系為：

式中：k為氣體的比熱，氧氣的比熱為1．4。

可以看出，假如初溫T1為300 K，p2/p1=20，則壓縮后的溫度T2可達704 K。因此，當氧氣管道內殘留油脂、鐵粉（著火溫度為300～400℃）等可燃物質時，氧氣管道極易燃燒爆炸。

（3）靜電積聚。高壓氧氣管道中一丁點的火星就會引燃整個管道。如果管道中的靜電不能被及時導走，累積到一定程度后就會產生電火花，為氧氣管道的燃燒創造必要條件。空分裝置中，除氧氣管道外，在冷箱和后備儲罐系統中布置有許多液氧管道。液氧管道相比氧氣管道，更容易產生靜電積聚。液氧在不接地的管道中，有可能產生電位為數千伏的靜電[2]。如果冷箱內的液氧管道由于靜電引起爆炸，其后果不堪設想。

（4）設計缺陷。氧氣管道的布置不合理，未滿足氧氣生產有關的安全要求。氧氣管道比較特殊，在選材時應充分考慮氧氣的特性，若管件選用不當或設計的管道流速過高，易造成管道事故。

2 設計中采取的措施

通過以上對氧氣管道問題的分析，在設計過程中應綜合考慮這些因素，結合以往的項目經驗，有針對性地采取措施，盡量在設計階段消除氧氣管道安全隱患，保障其安全平穩運行。

（1）標準規范的選取。氧氣管道的設計必須滿足國家法律、法規和相關標準、規范的要求。空分裝置目前多采用低溫精餾法內壓縮流程制氧氣，因此選用GB 16912—2008《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程》，同時可參照GB 50030—2013《氧氣站設計規范》。2個規范對氧氣管道要求不一致的地方，按照較高的要求來設計。

（2）流速的選取。氧氣的流速過快極易引發事故，在氧氣管道設計時，流速不得超過表1[1]的要求，將氧氣管道的流速限制在安全范圍之內，管道口徑根據實際流量（最低工作壓力、最高工作溫度）計算可得。

表1 管道中氧氣最高允許流速

（3）氧氣管道材質。氧氣管道金屬材質依據不同的壓力和使用場所進行選擇。氧氣管道的燃燒與氧氣的純度和壓力有關：純度越高，燃燒速度越快；壓力越高，管道越易燃燒。在相同壓力下，銅的導熱率最大，易散熱，燃燒速度慢，抗腐蝕性能好，但價格較高，強度低，焊接性能不佳；不銹鋼的燃燒溫度高于碳鋼，著火較困難，著火后的燃燒速度比碳鋼快。因此，在滿足規范要求的前提下，依據各材料不同的性能，結合經濟性和安全性綜合考慮空分裝置中各位置氧氣管道的材質。冷箱內的管道為低溫管道，選用不銹鋼無縫鋼管；儲罐區的氧氣管道選用不銹鋼；管徑超過現有的焊接鋼管、無縫鋼管產品的管徑，且工作壓力小于0．1 MPa的情況下，氧氣管道可選用碳鋼鋼板卷焊管。當壓力大于3 MPa時，調節閥前后不小于5倍管徑長度的管道（至少1．5 m）選用銅及銅合金管道或鎳及鎳基合金管道[1]。

（4）氧氣管道管件。氧氣管道的組成件應采買具有相關生產資質廠家的標準件。氧氣管道的彎頭一律采用長半徑彎頭，嚴禁使用蝦米彎頭。氧氣管道的圓弧形異徑接頭小端口徑只能比大端口徑小一個等級，同心圓錐形異徑接頭長度和偏心圓錐形異徑接頭長度應大于3倍大小頭口徑差值。對于不銹鋼氧氣管道，當管道壁厚小于3．2 mm時，應將其管道對應的各項流程參數視為碳鋼材質進行設計。氧氣管道的三通宜采用壓制對焊方式，氧氣管道過濾器的濾網材質優先選用鎳及鎳合金，網孔尺寸宜為160～250 μm。氧氣管道及組成件必須進行內拋光處理，拋光的精度必須滿足相關規范的要求。

（5）氧氣介質閥門。選用的氧氣介質閥門必須為具有相關資質廠家的合格產品，并且取得相關的技術認證，在填寫閥門規格書時一律注明用于氧介質。閥門的材質需滿足GB 16912—2008中的相關要求。

（6）管道內可燃物的清除。氧氣是助燃氣體，空分裝置精餾系統后的氧氣管道中氧氣純度高達99．96%。因此，需將氧氣管道內的毛刺、粘砂、焊渣、鐵粉等可燃物消除干凈。氧氣管道內的油脂是易燃物質，因此，凡是有氧介質的管道、管道組成件、閥門等必須將油脂脫除干凈。管道的脫脂處理應嚴格按照規范HG 20202—2014《脫脂工程施工及驗收規范》的相關要求來做。脫脂后管道用不含油的干燥空氣或氮氣吹掃干凈。

（7）氧氣管道的靜電接地。靜電是引起氧氣管道發生安全事故的重要因素，因此，在設計的時候就要考慮氧氣管道的靜電消除，將氧氣管道的靜電引至裝置的接地干網上。導除靜電的接地裝置是防止引起著火的一項重要安全措施，GB 50030—2013中已將其列為強制條款，因此，在設計時應給予足夠重視并嚴格執行規范要求。

3 管道布置優化

氧氣管道的布置，應在滿足工藝流程要求和遵循規范要求的基礎上，做到經濟、安全、可靠。管道應盡量短，以減少盲腸和袋形；氧氣管道應盡可能架空敷設，當實在無法架空時采用別的敷設方式，架空敷設的氧氣管道應盡量遠離可燃介質管道、熱力管道，可與惰性氣體管道、空氣管道等布置在一起；氧氣管道與油脂、可能泄露腐蝕性介質的管道共架時，應設置在該類管道的上方或支架兩側。

為防止液氧管道的冷量損失，降低氣化率，在滿足應力的前提下，應減少設計彎頭，盡量做到短而直，并通過計算選擇合適的管道保溫方式。在設備布置時，空分裝置冷箱距離后備儲罐區不宜太遠，當因場地限制無法滿足條件時液氧管道可采用真空夾套管進行保溫。

（1）氧氣閥組防爆墻設計。如圖1所示，氧氣管道的調節閥組全部布置在迷宮式防爆墻內，防爆墻的高度為3 m。閥門的閥桿伸出防爆墻外，便于操作。氧氣管道有法蘭連接的地方比較容易泄露，因此，在考慮防爆墻附近的操作人員平臺時，應以閥門或法蘭的位置為起點，以操作人員的巡檢平臺為終點作一射線，看防爆墻是否可以擋住該爆炸射線。簡而言之，當巡檢或操作人員在防爆墻附近平臺上時，站在平臺的邊緣，人的眼睛無法看到氧氣管道的閥門或法蘭。如無法滿足條件，則考慮在防爆墻的頂部加蓋板，以保護操作和巡檢人員的安全。蓋板的寬度不宜超過防爆墻寬度的1/4。

圖1 防爆墻內氧氣閥組布置

（2）安全排放。氧氣管道的排放有令人窒息的危險，因此在室內的含氧管道應排放至室外安全處，放空的高度不得低于4.5 m，對于含有富氧排放的設備，依據相關規則用PHAST軟件進行排放計算。根據排放方式（垂直、水平、45°）,氣象條件，排放速度，修正系數（低速排放時，需考慮排放介質的下沉、擴散等因素）等計算出安全的間距。液氧管道還有凍傷人員的危險，管道布置時應將所有液氧管道上的放空排凈管（包括安全閥的出口管）合并之后引至安全處，遠離操作維修和人員通行的地方，并設置圍欄和警示標志，以防人員靠近發生事故。

（3）選取合適的支吊架。氧氣管道盡量采用自然補償的方式增加管道的柔性，在應力允許的情況下盡量少用彎頭。如圖2所示，氧氣管道從汽化器頂部出來向下布置閥門，為保證管口的荷載在許用范圍之內，在東西向設置限位支架（圖中東西向支架所示）。因管道向上膨脹，同時在該點設置彈簧支架（限位架下面為彈簧架），以免立管和頂部水平管的重量全部壓在設備管口處，超過其管口的許用荷載，使管口的法蘭拉裂或變形，進而使氧氣發生泄漏，造成重大危害。對于從冷箱到低溫儲罐的液氧管道，應充分考慮內管的膨脹量，合理地設置膨脹節和限位支架。對于液氧介質的設備管口，管道走向通過應力計算確定，設備管口荷載依然無法滿足要求時，可同設備廠家溝通增大管口的壓力等級，以增大管口的受力強度，滿足管口的荷載要求。

圖2 汽化器出口氧氣管道布置

4 結語

總而言之，只有從設計的根源上消除隱患，嚴格把關管道安裝施工的質量，提高運行管理能力，嚴格按照相關規程操作維護，才能控制氧氣管道燃爆事故的發生，保障裝置的平穩安全運行。