高壓氧氣管道施工技術

崔 峰 柳 姚

中國化學工程第六建設有限公司 湖北襄陽 441100

氧氣為化工的助燃系統。近年來，隨著化工系統氧氣用量的增加和工藝的提升，氧氣管線的壓力、流速和溫度隨之提高，材質選用偏向鎳基管。由于管路長、分布廣，再加上急開、速關閥門，造成氧氣管道和閥門燃燒爆炸事故時有發生，所以高壓氧氣管道的安裝技術和質量控制尤為重要。

1 技術特點

（1）優化固定口的焊接位置：高壓氧氣管道施工難度大，設計預留空間小，主要材質為304 不銹鋼和N06600鎳基合金，并且焊接困難，尤其是固定焊口的焊接。應通過施工前期的統籌規劃及管道單線圖的深化，細化出合理的預制部分，盡量減少現場的安裝固定口，并把固定口的位置優化留在垂直管道上，避免仰焊，降低焊接難度。

（2）所有坡口采用機械加工：引進管道自動焊技術，減少人工消耗和不穩定性，提高施工效率。

（3）全面控制高壓氧氣管道施工的各個工序，包括材料驗收、管道預制、管道脫脂、下料組對、管道焊接、焊縫無損檢測、管道試壓、整體化學清洗、系統氣密等，有效規避質量和安全風險。

2 工藝流程及操作要點

高壓氧氣管道的施工工藝流程見圖1。

圖1 高壓氧氣管道的施工工藝流程示意圖

2.1 圖紙深化

根據設計院提供的施工單線圖，編制焊接數據庫，然后細化出預制的焊口，焊接考慮管道自動焊預制場加工。

2.2 材料核對及保管

鎳基材質的所有物料采購周期較長，均為國外進口，一般在4～6 個月。若材料丟失或使用偏差會造成高壓氧氣系統不能按時施工，并且設計也不允許用其他材質代用，所以材料的核對及單獨保管尤為重要。

2.3 管道脫脂

為確保系統無油脂施工，脫脂是高壓氧氣管道系統運行最基本的保證，是氧氣管線施工的一個重要步驟，需要嚴格控制脫脂質量。

（1）管道脫脂分兩次進行：第一次采用槽浸式脫脂，在管道預制前將管道及組成件放入盛裝脫脂劑的槽內進行浸泡脫脂；第二次為系統循環脫脂法，管道安裝后讓脫脂劑在管內循環，對管道進行分段或整段脫脂。

（2）脫脂程序：水沖洗→酸洗→水沖洗→鈍化→干燥→脫脂→干燥→檢驗→封閉。脫脂程序及要求見表1。

表1 脫脂程序及要求

（3）脫脂后檢查：因高壓氧氣管道的脫脂極其重要，管道脫脂后應由專職檢查人員組織三方（業主單位、監理單位、施工單位）共檢，檢查合格后簽字確認，方可進行下一道工序。檢驗方法：根據HG20202 規定用波長320～380nm 紫外光檢查脫脂件表面，無油脂熒光為合格。合格脫脂件的保護應符合下列要求：檢查合格后應由專人負責封閉，并做好標識；采用含油量符合脫脂標準的塑料薄膜封閉管口，妥善存放防止污染；設置合格區、不合格區和待脫脂區，對不同的管道、管件分類放置。高壓氧氣管道脫脂關鍵工序：脫脂劑（丙酮）管理，脫脂劑不得受陽光直接照射、存放分區；機具等脫脂，施工用機具和防護用品施工前也要進行脫脂；過程保護，脫脂合格的預制件在施工過程中注意保護，避免二次污染。

2.4 下料組對

（1）因材質的特殊性，所有下料尺寸必須經過檢查確認后方可下料。為了保證組對間隙，所有管道坡口均要機械加工，保證坡口處齊平并角度一致，機械加工高壓氧氣管道坡口見圖1。

（2）下料后即進行脫脂保護。

圖2 機械加工高壓氧氣管道坡口

（3）所有焊口組對前必須進行脫脂處理，且焊口不允許直接電焊組對，要外圍點板對口，并且焊口組對錯邊量不大于1mm。

（4）管道開孔均要機械開孔。

2.5 焊接

（1）高壓氧氣管道焊接前必須具有合格的焊接工藝評定，根據焊接工藝評定報告編制焊接工藝規程，用于指導焊工施焊作業。

（2）進行高壓氧氣管道焊接施工的焊工必須持有由國家質量技術監督局頒發的作業證，并參與項目指定的焊工技能考核，由企業焊接技能考核評定委員會評定合格后方可施焊。

（3）在對口時，定位焊應采用與正式焊接相同的焊接材料和焊接工藝，定位焊縫的厚度不得超過管子壁厚的2/ 3。并需特別注意定位焊縫的質量，如發現裂紋、氣孔、不允許的氧化變色等缺陷，應清除重焊。

（4）與母材焊接的工、卡具材質及焊接材料宜與母材相同或同一類別號。拆除工、卡具時不應損傷母材，且要將殘留的焊瘤打磨至與母材表面平齊。

（5）準備焊接時不得在坡口之外的母材表面上引弧和試驗電流，并應防止電弧擦傷母材。

（6）焊接過程中應保證起弧和收弧處的質量，收弧時應將弧坑填滿，多層多道焊接頭應該錯開。

（7）除工藝或檢驗要求需分次焊接外，每條焊縫宜一次連續焊完。當因故中斷焊接時，再次焊接前要檢查焊道表面，確認無裂紋等缺陷后，方可按原工藝要求繼續施焊。

（8）當環境溫度低于0℃時，應將焊件預熱至15～20℃以上再施焊；在風、雨、雪天氣，特別是有風沙和灰塵時必須搭設防護棚。

（9）焊接方法：NO6600 鎳合金材質采用全手工氬弧焊；304 材質不銹鋼氧氣管道因管徑較大、壁厚較厚（管道規格為Ф457mm×26mm），預制時采用人工氬弧焊打底、全位置自動焊機進行填充蓋面的方法。304 材質不銹鋼氧氣管道自動焊見圖3。

圖3 氧氣管道自動焊

（10）高壓氧氣管道的現場焊接除常規要求以外，還要注意脫脂保護。

（11）所有形成氬氣池的部件要做脫脂處理，組對焊接順序應從開端直至末端，保證每一處都能做到氬氣保護。

（12）管道焊接內余高不大于1.5mm。為保證施工中合格率及進度，施工現場根據焊接工藝評定做了針對鎳基材料的焊接試驗，并記錄相關數據及施工注意事項。例如，仰臉焊接難成型的注意事項，現場固定口盡量避免在水平管線上的注意事項等。

（13）焊口焊接完成后能看到的部位要用眼睛觀察，用手去觸摸，用焊縫檢驗尺檢測，焊縫必須圓滑過渡/ 無毛刺、坑凹等不規整現象。在人眼無法觀察到的焊縫內壁，采用內窺鏡進行觀察分析，發現問題及時處理。焊口完成焊接后必須標示預制管段號、焊縫號、焊工號和焊接時間，及時進行無損檢測。高壓氧氣管道上所有對接焊縫必須100%進行X 射線無損檢測，發現缺陷及時處理。預制管段盡量在管道未安裝的時候進行返修，以減小返修難度。

（14）所有預制的管段在無損檢測合格以后進行酸洗鈍化處理，處理完成才能進行預脫脂。這樣焊縫不僅美觀，而且避免了因為焊縫返修造成的管內二次污染。

2.6 鎳基合金管線焊接難點及應對措施

（1）有害氣體會對鎳基合金材料的焊接造成影響：空氣中的氮、氧會融入高溫的焊縫液態金屬中，發生脆化作用，降低金屬的沖擊韌性。因此，為了保護焊接質量，焊縫背面全程采用純度99.9%氬氣保護；在進行手工氬弧焊焊接時，滯后停氣時間應稍長。選用噴嘴時，直徑選取大一個型號，以便把熔池最大限度地屏蔽在保護氣流中；焊接過程中或者焊接結束后，要始終把焊絲的熱端留在熔池中。

（2）焊件表面的污染物會對鎳基合金材料的焊接產生影響。焊件表面的污染物主要是表面的氧化皮和引起脆化的元素：氧化皮的熔點比母材高，在焊縫金屬中形成夾渣或細小的不連續氧化物；一些脆化元素焊接時會與Ni 形成低熔點共晶，產生熱裂紋。因此，焊道坡口采用機械加工方法，管道切口表面保持平整、無裂紋、重皮、毛刺、凹凸、氧化物及鐵屑等。機械加工好坡口后，焊接前將坡口內外壁50mm 外圍內用不銹鋼絲刷、專用砂輪片清洗干凈，去除污物毛刺等，并用丙酮清洗坡口表面，一定要徹底清洗干凈方可進行焊接。

（3）鎳基合金N06600 材料焊接時，熔池流動性差，且熔深較淺。熔池流動性差，不容易流到焊縫兩邊，因此焊接時采取擺動工藝，但是必須小幅擺動，手工氬弧焊時擺動幅度不能超過焊絲直接的3 倍。對于熔深較淺的問題，采取改變坡口形式的措施，坡口角度宜在55°～65°，焊縫間隙在2～3mm，鈍邊0.5～1mm。

（4）鎳基耐蝕合金還具有較高的熱裂紋敏感性，采用高熱輸入方法焊接時，在熱影響區會產生一定程度的退火和晶粒增大現象。高熱輸入可能產生晶界偏析、碳化物的沉淀或其他有害的冶金現象，這可能引起熱裂紋或降低耐蝕性。針對以上問題，中國化學工程第六建設有限公司經過多次反復試驗，研究出一套優良的鎳基合金焊接工藝，焊絲選用ERNiCr- 3，并且嚴格控制層間溫度不得超過100℃，各項工藝參數見表2。

表2 鎳基合金焊接工藝參數

2.7 管道安裝

（1）管道安裝的同時應及時進行管道支吊架的安裝和調整，在條件允許的情況下直接安裝正式支吊架，盡量減少臨時支吊架的安裝。臨時支吊架不僅造成材料的大量浪費，而且后續的拆除會耗費大量人工。管道在與碳鋼支架接觸時，應及時采用石棉板或橡膠板進行隔離，避免鐵污染。

（2）現場安裝應盡量考慮預制口焊接，減少固定口的焊接，這樣不僅容易操作，管內充氬方便，而且焊接質量更有保障。管道的安裝順序應沿著一個方向，以便取出用于充氬保護封堵的海綿。

（3）在安裝前繪制的軸測圖上標示有焊口號，在實際安裝的時候避免不了有焊口的增減情況。增減焊縫的時候施工人員一定要及時在軸側圖上標示出來，以便后續的無損檢測工作及交工資料整理的順利進行。

（4）高壓氧氣管線上的螺栓要全部進行浸泡清洗，安裝后嚴禁涂油。閥門安裝前應對閥門及其密封面、墊片、螺栓進行油脂檢查，合格后方可使用。

（5）氧氣管線上的流量計、調節閥因不參與試壓和系統脫脂，在能確定尺寸的情況下盡量用臨時短節和臨時墊片代替，避免反反復復的拆裝，待吹掃結束后再進行安裝。安裝前流量計、調節閥等部件應采用無油干凈的塑料布包裹防護，防止被污染。

2.8 管道試壓

（1）試壓應在管線系統無損檢測完成后，化學清洗之前進行。

（2）氧氣管線試壓時應以脫鹽水為試壓介質；采取試壓泵試壓，取水點為裝置脫鹽水管線出水口。

（3）氧氣管線試壓泵及輔助設施均經過脫脂后使用，且輔助設施材料選用不銹鋼材質。

（4）水壓試驗時，須將壓力緩慢升至試驗壓力的50%；然后以10%的試驗壓力逐步升壓，升壓至試驗壓力后穩壓10min；再將試驗壓力降至設計壓力，停壓30min直至檢查完所有焊縫、法蘭密封面等，無變形、無泄露，壓力不降為合格。

（5）因氧氣管線管廊輸出線至框架系統中無任何法蘭連接處，故在界區位置預留焊口以備管線試壓和整體系統化學清洗，完成后加內套管脫脂后進行焊接。套管要求圓滑過度無毛刺，保證系統內部的清潔度。

2.9 化學清洗

系統壓力試驗完成后要進行化學清洗，化學清洗分兩種方式：管廊界區至框架界區內管道口徑一致，采用通球清洗；框架內因口徑不一、分支較多采用循環清洗。

循環脫脂清洗脫脂劑配方見表3。脫脂過程中，每4h抽取脫脂劑進行檢查，油脂質量濃度不超過350mg/ L 為合格；超過350mg/ L 在更換清洗液，延長清洗時間，直到合格為止。

表3 循環脫脂清洗脫脂劑配方

2.10 系統吹掃

（1）系統吹掃使用的是無油干燥氮氣，吹掃出口排氣應至安全區域，不在安全區域的應該連接臨時管。

（2）吹掃前應檢查各個管道支架是否牢靠，不牢靠的地方需要增設臨時固定支架進行妥善處理。

（3）待吹掃的管道系統內流量孔板、濾網、止回閥閥芯等已拆除，可不拆除的閥門應保證具有100%的開度；不能達標的必須拆卸下來，避免吹掃時破壞閥門的密封性能。

（4）部分管段無法進行系統吹掃的可以進行分段吹掃，個別也可以選擇人工進行清理，確保管道潔凈度。

（5）吹掃結束后需要將所有拆卸下來的部件，包括限流孔板、調節閥和止回閥等全部復位，所有臨時管道和臨時固定支架要拆除。

（6）待所有部件復位后，氧氣管線系統上的管道在通氧氣前，管道內應充滿0.4MPa 左右的氮氣進行氮封保護，通氧氣的時候再慢慢置換成氧氣。進行置換時，由于里面有氮氣，必須要先進行放氣處理，直至出來的是純氧氣才可以投入使用。

3 高壓氧氣管道施工質量控制

（1）鎳基材料：因采購周期長，所有鎳基材料及特材應專人核對、專柜存放，保證材料的完全供應，不影響進度。

（2）鎳基材料預制：根據現場施工經驗，鎳基材料仰臉位置焊接困難，成型困難，難以保證一次合格。因此，綜合考慮后所有固定預留口位置應放置在立管上，以便于現場施工。

（3）靜線接地：高壓氧氣管線所有法蘭處要做靜線跨接，且靜線跨接R 板材質不低于母材。故在管線施工中，要保留所有管材余料，便于后期靜線跨接使用。

（4）化學清洗：化學清洗與管道試壓部分步驟一樣，因而水壓試驗后所有預制短節保留，在化學清洗時統一使用。

（5）單一方向安裝管線：管線施工中為滿足脫脂和清潔度要求，要從一側開始順序施工，并保證所有焊道采用脫脂件制作氬氣池，焊接過程中不得使用水溶紙封底。

4 結語

高壓氧氣管道施工技術重在施工準備前期的施工統籌規劃、圖紙深化，以及過程中的脫脂、下料、組對、焊接、試壓等各工序的質量控制。施工技術的工藝原理核心由兩部分組成，即管道的焊接和脫脂兩部分。合理地安排好預制焊口，充分利用最新自動焊接技術、管道內壁脫脂清洗技術等，控制好各工序的施工質量，才能順利進入單機試車階段，大大提高施工效率，有效降低成本。

通過開發高壓氧氣管道施工技術，并應用于公司承建的湖北多個項目的高壓氧氣管道施工，保證了高壓氧氣管道的施工質量，確保了施工及裝置的安全生產，提高了項目效益，極具推廣價值。