煤氣化裝置氧氣管道的防火防爆措施

劉振興

華陸工程科技有限責任公司 西安 710065

氧氣是煤氣化裝置中非常重要的原料氣，目前國內煤氣化裝置的主流氣化工藝(固定床、流化床和氣流床等)的原理均為將煤與高純氧反應，充分燃燒、高比率轉化產生有效氣，送至下游生產不同產品。煤氣化裝置氧氣管道的氧氣純度高、壓力高,當管道中出現雜質或缺陷時，易產生火災或燃爆風險。筆者以親身參與設計、建設的某煤氣化裝置為例，闡述氧氣管道的防火防爆預防措施。

1 氧氣管道燃燒爆炸的原因

煤氣化裝置的氧氣純度較高，達99.6%；管道壓力較高，達5 MPa以上。該濃度下，可燃物的著火點會降低；該壓力下，氧氣介質流速較高。

(1)若管道存在夾渣、鐵屑或油漬等小顆粒，隨著高速流動的氧氣與管壁磨擦、與彎頭撞擊、在凹槽積聚，都可能產生磨擦熱，一旦達到小顆粒的自燃點，極易發生燃燒甚至爆炸。

(2)氣化爐燒嘴前的氧氣閥門突然打開或關閉，會造成閥后氣體絕熱壓縮，溫度急劇上升，若此環境中存在可燃物且達到燃點，極易引發燃爆事故。

(3)煤氣化裝置中管系較多，與氧氣管線平行或交叉的管系繁雜，氧氣管和相鄰管道的靜電若未及時導入靜電接地網，易產生電火花，在高純氧環境下就會引燃整個管系。

實驗數據表明，彎頭處的氧氣流速≥44 m/s時，管道內產生的熱量能將氧化鐵皮和焊渣點燃；彎頭處的氧氣流速≥30 m/s時，焦炭顆粒可以被點燃；彎頭處的氧氣流速≥13 m/s時,煤顆粒可以被點燃。一旦著火引爆管道，爆炸能量與壓力平方成正比[1]。

2 氧氣管道的材料選擇

高純氧環境下的管道材質選擇主要與氧氣流速和溫度壓力有關。管道中若存在銹蝕、焊渣等雜質，當氧氣流速超過該工況的最高允許流速時，雜質容易隨氣體流動與管道零部件沖擊并引起微粒沖擊著火，造成火災或燃爆風險。在材料控制方面，規避此風險的方法主要有兩種：

(1)從界區到氣化裝置的管廊輸送段的管道，壓力、流速較低，選材以不銹鋼(如06Cr19Ni10)為主，盡量避免管道內壁銹蝕。

(2)氣化爐燒嘴前的氧氣管道和閥門，溫度、壓力、流速較高，選材以鎳基合金為主，一方面防銹蝕耐高溫，另一方面鎳基合金在撞擊場合的豁免壓力較高，阻燃性也較高。

氧氣管道材料除了需要符合設計文件和相應產品標準的規定外，在入場檢驗時應特別注意氧氣管道、閥門及管件應無裂縫、鱗皮、夾渣等。接觸氧氣的表面必須徹底去除毛刺、焊瘤、焊渣、粘砂、鐵銹和其他可燃物等，保持內壁光滑清潔，管道內、外表面除銹應進行到出現本色為止[2]。管道管件材料的質量證明文件完整，技術資料清晰無誤，對材質的光譜分析抽查無誤，并能夠追溯到廠商的制造證明，以保證材質的準確性。

3 氧氣管道的加工

3.1 氧氣管道的切割

工程建設中等離子切割機使用較多，但等離子切割產生的熔鋼易流入管內壁，產生熔渣、劃道、凹坑等缺陷，因此氧氣管道禁止使用等離子切割，宜采用機械加工或砂輪機切割，加工過程保證切口表面平整，無裂紋、重皮、熔渣、毛刺等缺陷，切口端面傾斜偏差不超過1 mm。

3.2 氧氣管道的組對

氧氣管道與管件常常由于廠家的選用標準不同、壁厚正負偏差不同，造成壁厚不一致，在氧管配對焊接前，宜把所有焊口的內徑外徑測量歸檔，挑選內外徑盡量靠近的焊口組對焊接，以減少內壁打磨工作量，保證焊道根部質量。

3.3 氧氣管道的焊接

氧氣管道的所有焊接工作在三防棚里進行，焊接前后對場地及時清理，保證無灰塵雜質，并達到防風要求。氧氣管段焊接組對前，要做管內清潔度檢查，確認合格后再組對；對焊焊縫組對前，要將坡口及其內外側表面周圍的油漆、污垢、毛刺清除干凈。為保證根部焊縫余高，大口徑管道宜采用雙人對焊法，小口徑焊縫宜采用背部二次熔焊，根部焊道余高不超過1 mm，并且要圓滑過渡。支管臺焊接過程中一定要背部進行充氬保護，主管開孔采用機械加工，加工后的焊口周圍及管內要清理干凈，務必焊透、且角焊縫內部要平滑。不銹鋼和鎳基合金材質焊接易收縮，在焊道組對時應墊置牢固，用三角定位的硬合金鋼點塊代替普通卡具，能確保組對間隙均勻，防止收縮變形。

氧氣管道焊材使用專用的烘烤設備，建立專用發放記錄，焊絲全部脫脂后才能使用，嚴禁用手直接接觸焊絲，所有接觸氧管焊材的人員，必須帶脫過脂的手套。氧氣管道焊接全部采用高頻引弧焊機焊接，以避免電弧擦傷形成弧坑，必須在坡口內或焊道上引弧，嚴禁在坡口外引弧，管壁上的電弧擦傷必須磨平，發現缺陷及時清理，必要時做無損檢測。充氣保護采用100 mm厚海綿(白綢布包裹)作保護隔擋，注意待焊接完畢、無損檢測合格后將充氣隔擋拉出，保證管道內的清潔。最后對所有焊縫進行檢查，重點檢查焊縫表面不得有裂紋、氣孔、夾渣等缺陷，咬邊深度及焊縫余高[3]。

煤氣化裝置的氧氣管系較長，最后的固定焊口宜留在管廊上，便于組對，保證焊接質量。固定口焊接前要求整個管系充氬，一端進氣，另一端測量氣體成分，滿足焊接要求后方能施焊，施焊過程中隨時監測氣體成分，及時補充氬氣。固定口氬弧焊打底后宜先進行無損檢測，保證打底質量滿足要求后，再行蓋面填充，以免固定焊縫不合格，返工成本增加。

3.4 氧氣管道的支管連接

煤氣化裝置中，氧氣管道的分支管較多，所有的分支管道宜從主管上方或者側方接出，以避免分支管道停用時，主管的顆粒雜質沉降堆積在分支連接處，一旦通氣，大量顆粒雜質隨氣流沖擊碰撞彎頭和管內壁，造成隱患。

氧氣管線的支管中包含高壓氮氣管線、中壓氮氣管線，用作吹掃和干燥等的氣源。為了保證氧氣管道內壁的清潔，從中、高壓氮氣儲氣罐到氧氣主管這一段的氮氣管線，選材和管內清潔方式要求與氧氣主管保持一致。

4 氧氣管道的化學清洗

雖然在前序工段中采取了多種防范措施，但在實際操作中仍存在遺留雜質顆粒、焊渣、油脂的風險，特別是油脂等易燃物，在純氧環境下極易燃燒，甚至爆炸，所以在焊接、探傷、試壓等工作完成后，需對氧氣管道進行化學清洗工作。

4.1 化學清洗的步驟

氧氣管道化學清洗的主要流程有：水沖洗→酸洗鈍化→酸堿中和水沖洗→脫脂→水沖洗→干燥→檢查驗收。

4.1.1 水沖洗及試壓

(1)目的：用脫鹽水從高往低除去氧氣管道內的沙塵、焊渣、碎屑、遺留物等，并在模擬清洗狀態下對臨時清洗鈍化回路進行泄漏檢查。

(2)操作步驟：用氯離子含量<25 ppm的脫鹽水沖洗。沖洗時采用高位注水、低點排放，以便排盡系統內污物，控制進出水平衡。

4.1.2 酸洗鈍化

(1)目的：利用酸洗鈍化液與焊渣、焊瘤、鐵銹、黏附物等進行化學反應，生成中和物溶解在酸洗液中一同沖走，同時在氧氣管道內壁形成細密的保護膜。新的氧化保護膜能增強耐腐蝕力。

(2)操作步驟：水沖洗合格后，在清洗槽配置計算好的酸洗鈍化液，系統循環均勻后，進行正反系統循環。當進、回液酸洗鈍化濃度趨于平衡，監測管段上污物除盡，酸洗鈍化結束。

4.1.3 酸堿中和水沖洗

(1)目的：沖洗出酸洗鈍化脫落的焊渣等雜物，并將酸洗鈍化液沖洗干凈。

(2)操作步驟：酸洗鈍化結束后，排盡酸洗鈍化液，用水進行沖洗，除去殘留的酸洗鈍化液及洗落的固體顆粒，當PH達到中性(PH=7)時，沖洗至目測澄清，即可結束。

4.1.4 脫脂

(1)目的：脫除氧氣管道安裝工程中由于皮膚接觸、衣物附著、機具濺蹭等沾染上的油脂。

(2)操作步驟：排凈酸洗鈍化液濃度達中性后，在清洗槽配置計算好的脫脂液，系統循環均勻后，進行正反系統循環，保證清洗液全部充滿循環管道。當脫脂液濃度差小于0.1%時，脫脂結束。

(3)工藝條件：脫脂藥劑為不銹鋼專用脫脂劑(主要成份為氫氧化鈉2%～3%、OP-10、促進劑)。

4.2 檢測方法

(1)黑光法檢驗：以設備管道內表面無油污導致的熒光為合格。

(2)擦拭法檢驗：使用白色潔凈無油濾紙擦拭內表面，以濾紙無油污痕跡為合格。

(3)除銹檢驗：以目視管道、管件與工藝介質接觸一側無局部銹蝕為合格。

(4)潔凈度檢驗：以目視待檢工件內表面呈干燥狀態且無灰塵、異物為合格。

4.3 化學清洗注意事項

(1)建立專用脫脂池、廢液中和池，保證脫脂徹底，防止污染環境。

(2)預制場地全部采用硬化處理，脫脂完成、檢查合格的管道全部采用管口密封處理保證管道潔凈度。

(3)為防止清洗過程中雜質被帶入循環系統，在管道進口增加Y型過濾閥門。可以有效過濾雜質，定時清理過濾閥門，并在回液出口增加濾網。

(4)脫脂清洗時為防止脫脂液有油污染，先對中、高壓氮氣儲罐等設備進行提前脫脂，并用紫光燈檢查合格后再進行整體循環，循環用水為脫鹽水。

5 氧氣管道的吹掃

氧氣管道化學清洗結束后，需要采用無油、干燥、潔凈的壓縮空氣或氮氣進行吹掃，一方面防止清洗積液殘留，另一方面將化學清洗未沖洗徹底的顆粒夾渣吹除。在實際建設中，煤氣化裝置與空分裝置聯合吹掃，從空分裝置的無油、干燥、潔凈的壓縮空氣管線引臨時管道到氧氣主管是比較簡單、經濟的做法。

由于管道吹掃前需要拆卸易損元器件，如流量檢測元件(流量孔板、限流孔板、文丘里、電磁流量計等)、調節閥、安全閥等，并接同尺寸短管，相關操作人員必須穿干凈無油的工作服，帶入的工具(繩索、氬弧把、氣帶、探傷工具等)必須用三氯乙烯進行脫脂；吹掃合格元器件復位時，所有需復位的法蘭、閥門、流量計、墊片等需使用三氯乙烯進行脫脂處理。

煤氣化裝置的氧氣管系加上中高壓氮氣管系較為龐雜，為減少后期氧氣管道整體清洗脫脂的難度，在項目實際建設中宜進行兩次吹掃，第一次為在水壓試驗前進行整體吹掃，清理管道內雜質;第二次待清洗脫脂后，進行整體吹掃，吹掃流速不宜小于20 m/s,在排氣口用纏好潔凈白布的靶板定時檢驗,待靶板上沒有顆粒、鐵銹、夾渣、水分時吹掃合格。

氧氣管線進氣化爐燒嘴前，管徑較大，閥門、壓力表、溫度計特別多，且多為進口材料，該部分管段宜在安裝前先行逐段試壓、清洗、吹掃，合格后再與閥門、氣化爐設備連接安裝，減少拆卸工程量，避免材料損毀。

6 氧氣管道的靜電接地

氧氣管道應設置導除靜電的接地裝置，并應符合下列規定：

(1)廠區架空或地溝敷設管道，在分岔處或無分支管道每隔80 m～100 m處，以及與架空電力電纜交叉處應設接地裝置；進、出車間或用戶建筑物應設置接地裝置；車間或用戶建筑物內部管道應與建筑物的靜電接地干線相連接；每對法蘭或螺紋接頭間應設跨接導線，電阻值應小于0.03Ω[4]。氧氣管道與其他管道平行布置的凈距小于100 mm時，每20 m應加靜電跨接線，與其他管道的交叉管道凈距小于100 mm處，應加靜電跨接線，跨接線最后并入靜電接地網。

(2)用作靜電接地的材料或零件，安裝前不得作防腐處理。有關導電金屬接觸面應除銹、除油，并加防松螺帽及彈簧墊。為保證靜電接地的效果，宜在靜電跨接處焊接與管道相同材質的靜電連接板，連接板厚度在3 mm～5 mm左右。

7 結語

氧氣管線的安裝是煤氣化裝置建設的重要環節，由于氧氣的助燃性和高純度，施工不當極易產生火災爆炸安全隱患。因此工程建設中宜成立氧氣管線施工質量監督小組，從到貨到安裝驗收全過程實行書面確認制度。監管管材到貨質量，逐件按照驗收規范進行驗收；對氧氣管道安裝的所有環節跟蹤確認，如脫脂、酸洗、鈍化、坡口、焊接、試壓、吹掃等，形成驗收確認制度；按照安裝方案、焊接工藝方案、技術交底、逐個工序、逐根管線進行確認，形成書面的管線安裝確認單和清潔度檢查確認單。從各個環節杜絕火災爆炸風險點的產生，有效保證氧氣管道的安裝使用安全。