探討空分裝置立式液氧泵的管道設計及運行過程中的問題

李晶晶

摘 要：本文梳理了空分裝置中立式液氧泵管道設計需要滿足的條件，圍繞立式液氧泵管道的應力標準界定、管道管口載荷校驗、液氧泵管道法蘭泄露三項環節，基于實例介紹了空分裝置立式液氧泵管道設計過程。該液氧泵運行一個月后，發生液氧泵冷箱底部結霜的問題，通過CAESAR II模型對泄漏原因進行查找及分析，最終成功找到泄漏點和導致該問題的原因，經過調整后成功解決該問題。

關鍵詞：空分裝置;立式液氧泵;管道設計;底部結霜問題;管口載荷校驗

0.引言

空分裝置是指將空氣中的各組分氣體進行剝離，進而完成氧氣及氮氣生產的一套工業設備[1]。其中，液氧泵的作用必不可少。該設備是一種低溫液體泵，能夠提升液氧的壓力，進而將之輸送到目標位置。立式液氧泵是一種立式徑向剖分多極低溫液氧泵，適用于輸送低溫液氧（溫度可達到-183℃）。為配合此種液氧泵完成低溫液氧的輸送，需搭配性能適宜的管道。本文圍繞此種管道的設計運行問題展開分析。

1.空分裝置立式液氧泵管道的設計綜述

空分裝置的運行原理為：①使用空壓機設備對空氣加進行壓縮;②進行分子篩除作業，將空氣中的水分、二氧化碳、碳氫化合物等雜質剔除;③經過處理后的空氣中的一部分被送往精餾塔的上塔區域，另一部分經過膨脹器膨脹制冷處理后，送入下塔;④精餾塔中的上升蒸汽和下落液體經過熱量交換，在上部形成高純度氮氣，在下部得到高純度氧氣。為保證該過程順利完成，必須應用技術參數都達到要求的液氧泵以及管道。進行管道設計時，首先需要考慮管道的用途。比如與空分裝置立式液氧泵進行搭配，目的在于完成低溫液氧的穩定運輸的管道，在性質、壓力、溫度、操作工況、外部環境方面都需要達到相應的要求。以此為前提，設計人員還應充分考慮經濟因素，設計出性價比最高的管道組成件。需要注意的是，此種管道組成件的強度標準首先應該符合壓力-溫度設計準則，同時還必須達到一次、二次應力以及支吊架強度的相關標準。

進行空分裝置立式液氧泵管道設計的具體要求如下：

（1）如本文引言部分所述，在立式徑向剖分多極低溫液氧泵的作用下，自蒸餾塔中生成的氧氣會被壓縮成液氧，且溫度達到-183℃。此種液氧自液氧泵流出，進入輸送管道時，管口必定承受極大的載荷。因此，根據物理學基本原理，管道管口的厚度必須足夠，否則無法承受來自低溫液氧的較大壓力，進而在沖擊作用下出現裂痕，導致泄漏。但僅僅增加管口管壁的厚度是不夠的，還需提升管道材質的剛度系數。與此同時，還需考慮的一點是：在操作的狀態下，由于管口載荷極大，會導致二次產生的應力較為復雜。換言之，低溫液氧字液氧泵流出后，首先會對管道管口造成一次沖擊;之后，受一次沖擊影響，管口受到的二次沖擊應力可能不僅僅來源于低溫液氧，可能由多種應力構成?；诖?，只有增強管口管壁厚度，使用剛度系數較大的材質，才能抵御一次、二次應力沖擊。

（2）自液氧泵出口開始，到高壓換熱器為止的管道管系長度并不短，故必須保證低溫液氧能夠在如此長的區段內安全、平穩地運行。為實現該目的，管道必須能夠承擔運輸過程中的二次應力。有研究表明，能夠對液氧泵出口管系承受的二次應力以及管道荷載產生較大的影響的主要因素為：①立式液氧泵和高壓換熱器在垂直方向可能出現的變形情況;②運輸低溫液氧的管道管系在水平方向可能出現的變形情況;③設備出口處的閥門與冷箱的連接方式會決定液氧自帶的載荷，而此種載荷作用于管道管系時，必定對管道造成一定的沖擊;④管道穿過冷箱時究竟采用何種密封形式，也會影響荷載。

（3）進行液氧泵出口管道設計時，需要考慮吹掃要求，具體而言：第一，調整法蘭、墊片、緊固件的設置方式，可使用回型結構完成布置。此種布置方式的目的在于：對泵體管口處管道管系因受垂直方向出現變形而產生的二次應力進行補償，從而使液氧泵管口的管道在強度、載荷承受能力方面達到既定要求。第二，完成固定架的設置。此種裝置存在的目的在于，可使液氧泵出口處止回閥后方管系對液氧泵產生的載荷應力進行部分或全部阻斷，避免液氧泵的正常運轉受到影響。第三，設置于液氧泵出口的截止閥宜選用角式形式，且與冷箱之間的連接方式應以“浮動式”為主。該截止閥的支架采用常規的托架式即可滿足管系載荷應力要求。第四，運輸低溫液氧的管道“穿過”冷箱的部分，與冷箱之間的接觸方式必須保持密封性，可采用一種較為特殊的“軟連接”方式。此種方式的主要作用為：①實現對大小兩種冷箱的隔絕;②根據具體的設置，在不同程度上降低一部分因管系變形而產生的負面影響。

綜上所述，空分裝置立式液氧泵管道設計的必須充分考慮多種形式、從多個方向產生作用的載荷應力。需要指出的是，一次、二次應力是不可避免的，故設計人員若發現某種應力及載荷通過常規的管道設計方式無法使之有效降低時，應調整思路，即對管系應力（能夠導致變形的應力）進行合理運用，從而達到降低管道承受的二次應力、管架載荷的目的，全面提升管道管系的承載力、保證低溫液氧運輸的安全性。

2.基于實例的空分裝置立式液氧泵管道設計過程

本文選用的案例為某化工企業新近引入的空分裝置高壓液氧泵出口管線管系段，設計過程相關事項如下。

2.1立式液氧泵管道應力標準界定

參照標準為《壓力管道規范工業管道》GB/T 20801.3-2006中的第三部分——直管內壓設計計算公式。根據該企業的生產需求，設計人員經過多次測算后，將管道管壁厚度設定為5.6毫米。除此之外，針對高壓液氧泵出口附近管道設置固定支架，并對管系的應力及支架載荷進行分別計算。在此基礎上，審核人員使用CAESAR II（美國COADE公司研發的壓力管道應力分析專業軟件，支持對管道進行動靜態計算分析）軟件，將檢測方法設定為當量壓力法，對可能引發法蘭泄露的相關參數進行校驗，最主動得出的結果為：

2.1.1設計條件方面

①管線號界定：OL-0523;

②介質名稱：低溫（常態運輸溫度-183℃，最低溫度可達--196℃）液氧;

③設計壓力：7.6MPa;

④管線公稱直徑：80mm;

⑤介質密度：0.0011kg/cm;

⑥管道制成材料選擇：O6Cr19Ni10;

經過比對，空分裝置歷史液氧泵出口管線管系段的一次應力工況、二次應力工況各項參數均達到相關要求。

2.2立式液氧泵管道管口載荷校驗

立式液氧泵管道管口載荷校驗標準有二，其一，管口載荷計算結果;其二《API610石油石化及天然氣工業用離心泵》標準中對管口載荷的規范允許值。

經過綜合比對，立式液氧泵管道管口所承受的壓力和力矩均符合相關規范，技術參數完全合格。

2.3立式液氧泵管道法蘭泄露校驗

針對空分裝置歷史液氧泵管道運輸低溫液氧過程中可能出現的法蘭泄露防護標準進行校驗時，同樣需借助CAESAR II軟件，其中常用的方法不止一種。本文選用的案例采用常規的當量壓力測量法，經過內壓計算、一次及二次應力校驗、立式液氧泵管道管口載荷校驗及管道法蘭泄露校驗之后可知，此種管道所有參數均達到相關要求，可投入使用。

3.基于實例的空分裝置立式液氧泵管道運行過程中發生的問題簡析

本文引為案例的立式液氧泵管口管道運行一個月后，出現如下問題：液氧泵冷箱底部結霜，經過檢測，技術人員判斷導致冷箱底部結霜的可能原因為液氧泵管線可能存在泄漏情況，如果放任此項問題發展，除了影響生產效率之外，還有可能造成惡性事故。結合低溫液氧泵底部結霜面積的大小、時間，對泄漏點位置進行初步鎖定之后，技術人員建議用戶企業按照常規的安全操作規程，完成低溫液氧泵的運行停止作業。待管道溫度恢復至常溫狀態之后，對冷箱內的珠光砂也進行復溫處理。現場技術人員為了進一步探明管道是否存在滲漏的問題，將珠光砂完全移出后，觀察管道運行情況。在此期間，使用管道設計圖紙及安裝施工圖紙、配置圖等資料進行對照分析后得出導致管道發生滲漏的具體問題：

第一，立式低溫液氧泵管道出口管導處設置的支架數量多出三個，導致液氧在運輸的過程中，較長的管道在部分位置出現偏移情況，致使局部環境溫度發生變化，最終導致冷箱底部結霜。按照計算，需要拆除三個多余的支架，才可完成對此種情況的調整。

第二，立式液氧泵管道出口處管道的法蘭密封墊材質選擇出現錯誤，在進行設計及安裝過程中，應以材質型號為2232的金屬材料完成纏繞墊的制作。

第三，固定法蘭所用的裝置中，有部分螺栓的性能、材質選擇未達到相關標準，強度不足，且螺柱并非雙頭形式。經過對比和軟件模擬，應調整為材質型號為A193.B8C1.2的全螺紋螺柱。

4.針對空分裝置立式液氧泵管道運行期間問題的有效解決方式

上文所述的問題發生原因分析及解決方式僅僅是初步意見。在此基礎上，需圍繞立式液氧泵管道運行期間是否存在滲漏低溫液氧情況進行全面分析。

4.1分析模型構建和計算結果

基于CAESAR II軟件的分析模型夠成為：自空分裝置立式液氧泵出口開始，直到冷箱為止的管道共劃定為10個區域，編號分別為1～10，逐段進行模擬檢測，得出的結果為如下。

4.1.1計算結果

（1）節點號計算結果：一次應力和二次應力（下文同此分列順序）的計算結果分別為120kPa和30kPa;

（2）彎曲應力計算結果：1418.6kPa和487609.5kPa;

（3）扭轉應力計算結果：88.9kPa和-7567.8kPa;

（4）規范應力計算結果：224073.5kPa和500316.7kPa;

（5）允許應力值計算結果：137013kPa和319549.6kPa;

（6）百分比值計算結果：17.6%和157.3%。

4.1.2法蘭泄露檢驗結果

（1）節點編號：100;

（2）軸向力絕對值：11859N;

（3）彎矩：339N·m;

（4）法蘭墊片上的有效部分直徑111.27mm;

（5）當量壓力：10078.6kPa;

（6）設計溫度：-180℃;

（7）允許當量應力：9927.38kPa;

（8）百分比值：101.46%。

對上述計算機法蘭應力及泄露模擬計算結果進行比對分析和實踐驗證后發現，導致冷箱底部結霜的主要原因為：第一，空分裝置立式液氧泵出口處管道的技術參數設計方面并沒有問題，但在安裝施工過程中，很多環節均存在未嚴格遵照設計圖紙，擅自更改安裝施工計劃的問題。比如上文提到的固定法蘭密封墊施工期間，除了選用的用于固定的裝置的螺栓材質強度不符合相關要求外，法蘭密封墊的數量、緊固件及管架的樣式、數量等同樣與設計標準之間存在明顯的差異。第二，進行現場配置之前，客戶企業并未將設計方案形成書面資料并交給設計單位，在部分需要基于現場實際情況完成最終設定的環節，并非設計人員最終決定。換言之，缺乏必要的設計許可。第三，CAESAR II軟件構建模型并完成分析后發現，自空分裝置立式液氧泵出口處管道的法蘭開始，直到出口法蘭第一個固定架之間的管道在二次應力具體值方面，遠遠超過預定標準，換言之，該處管道的相關參數并不足以承受法蘭泄露壓力。對此問題進行深入分析后發現，導致二次應力超出標準的原因為：從管道整體來看，其他區段的管道柔性足以承擔其他區段管道承受的二次應力，但同樣的柔性參數在此區段卻無法承受該區段的二次應力。具體而言，法蘭前后承受的壓力（或者是力矩）超出了最大允許值，最終導致管發生法蘭泄露情況。

4.2具體調整方式

根據上文所述的問題成因及初步解決方案，再次進行現場勘查后，決定進行初步調整，最終結果為：

第一，結合現場實際情況進行評估后，認為將法蘭泄漏點上方位置與液氧泵法蘭所在位置之間存在“互相對應”的關系，表明實際發生的泄露情況與機遇CAESAR II軟件計算得出的結果相吻合。因此，初步解決方案中有關“拆除三個多余支架”的方案可參考?，F場完成對此三個支架的拆除后，經過查驗，發現液氧泵出口管道處的成對法蘭螺栓孔位置出現約13mm的錯邊情況。該情況即為初步解決方案中沒有考慮到的問題，需立刻進行原因分析。經過現場情況核驗后發現，該問題并非設計問題，同樣出在安裝方面，主要因為安裝人員并未嚴格遵照安裝規范和設計圖紙的相關要求，加之之前的管道支架數量設置及安裝位置選擇均出現了偏差（有管道柔性未達標的原因）。在多種因素的共同影響下，當管道運輸低溫液氧時，發生了塑性變形;而當運輸作業結束，在一定時間內恢復至正常溫度后，管道的塑性變形現象無法逆轉（位置變化不可逆）?？傊诂F場初步調整作業結束后，現場管道呈現出的實際情況與CAESAR II軟件模擬的法蘭錯邊數值、變形方向、計算結果均高度吻合，表明誘發問題的根本因素已經確定?；诖?，在完成三個不合理管道支架的拆除作業之后，需對管道進行重新配置，具體的標準為：第一，務必保證法蘭封面處于“自由”的狀態時，間隙、錯邊等參數在ASME PCC-1-2010《壓力邊界螺栓法蘭連接安裝指南》的標準范圍內[2];第二，對型號錯誤的法蘭密封墊以及緊固件予以更換，務必保證材質、型號正確。完成上述調整后，在為期一個月的時間內進行試運行檢測，未再發現冷箱底部結霜情況，表明問題得到了根治。

結語：空分裝置立式液氧泵能夠將液氧的溫度降低至-183℃，運輸液氧至空分裝置系統目標位置的過程中，管道將會承受較大的壓力?；诖?，在設計管道時，必須完成應力分析，全面考慮法蘭相關問題。在運行期間，如果出現液氧泄漏情況，須通過法蘭泄露分析的方式，盡快找到泄漏點和導致該問題的原因并加以解決，使管道能夠承擔輸送低溫液氧的任務。

參考文獻：

[1]亓峰，王永鋒.空分裝置高壓蒸汽管道在設計中的常見問題分析及改進措施[J].肥料與健康，2020，47（03）：50-52.

[2]閆俊超，李超.空分裝置立式液氧泵的管道設計及運行過程中的問題分析處理[J].化工設備與管道，2019，56（02）：70-72+84.

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