大型空分制氧装置冷箱配管技术浅析

大型空分制氧装置冷箱配管技术浅析

张有智

上海二十冶建设有限公司上海200000

摘要：随着空分技术的发展和大型空分装置的国产化，空分装置的控制要求越来越快、越来越准确，控制回路也越来越复杂。一些厂家提出了优化控制和自动变负荷调节的控制要求。冷箱配管是大型空分制氧装置安装过程中的一个重要环节。冷箱管道技术直接关系到空分装置的整体安装质量和进度。管道设计的原则是满足工艺流程的要求，保证管道及相关设备的安全和经济。满足工艺要求是管道设计的首要任务。空分装置的冷箱管道中有饱和气体、液体或两相流介质。工艺流程中对管道有许多详细的要求，需要管道设计人员加以注意。

关键词：空分制氧装置；冷箱配管技术；

在大型空分制氧装置的建设中，应提前做好冷箱管道的预制工作准备，在施工过程中把握主要施工要点，在施工中注意效率和安全。冷箱管道施工是大型空分制氧装置建设过程中的重要环节。随着空分设备规模的不断扩大，冷箱管道的优化设计已成为提高设备安全性和经济性的有效手段，也是设计者的一项长期任务。在更新设计方法的同时，设计师应到空分设备的生产安装现场，根据实际生产能力及时改进设计。从材料的选择到安装，每一项都要了解，发现问题，挖掘潜力，改进，为优化设计提供切实的保障。

一、概述

冷箱管道的结构不同于一般管道工程。首先，冷箱的管道多为低温液体或低温气体管道，对焊接质量要求较高。管道安装时应考虑冷热补偿。其次，冷箱管道的空间位置紧凑，管道的走向复杂，管道的直径不同，且管道的安装难度很大。第三，冷箱管道施工的安全风险因素远远大于普通管道，因此在各个环节实施安全措施显得尤为重要。长期以来，我公司在国内组织建设了多个大型空分制氧项目，积累了丰富的冷箱管道安装经验。冷箱内容器及管道分布密集，大部分管道需要进行预制。为了保证冷箱管道施工的顺利进行，需要根据实际情况提前规划好管道预制段。通过在计算机上预先安装管道，可以检测到在施工现场可能的碰撞点。同时，计算机可以看到如何设置预制管道的起点和终点，从而合理安排管道的安装和施工。将软件技术应用于密集管道的实时三维全向检测，避免了工程施工中的碰撞。

二、大型空分制氧装置冷箱配管技术

1.管道布置。冷箱内的管道布置以主冷箱、氩冷箱内的塔器为主,冷箱内塔器的配管与冷箱外塔器的配管相似。冷箱管道布置时形状应尽量简单,管道长度尽量缩短,以保持最小的压降和冷损失。在空气分离装置中冷箱是深冷分离的关键工序之一,也是空气分离装置操作温度最低的部位之一,占用相当部分冷负荷,减少管道的压降和冷损失是装置重要的节能措施。冷箱系统工艺复杂,管道管件所用材料多为价格较高的不锈钢及铝镁合金管,占用投资大,在满足应力条件下尽量简化管道形状,可节省装置投资、降低能耗。冷箱作为冷区的核心设备,合理的配管设计直接关系到装置的投资和收益,在配管设计中应予以充分重视。低温管道的阀门不能安装在竖管上。阀门应尽量布置在较低的标高上,以减少向下的位移。同时,阀门也尽量集中布置,便于设置平台进行检修操作。所有手动阀门、涡街流量计、其他一些法兰连接的部件,在对应的冷箱钢结构面板处要设置隔箱,以便于检修。因此冷箱内的阀门,尽量不采用法兰连接。冷箱内应避免使用膨胀节,配管时以柔性控制为目的,以不出现显著的管道变形为界限,否则可能造成过度的压力损失。必须使用膨胀节时,应采用可通过拉杆使端压力平衡的角型膨胀节,而不用轴向膨胀节;但轴向膨胀节必须采用时,应采用可以平衡流体端压力和静推力的膨胀节,否则,管道必须设置推力支架。在含有富氧液空的水平管道上避免安装膨胀节。

2.焊接技术。管道按材质可分成不锈钢和铝镁合金管道。按介质分类，可分为氧气、氮气、空气、和液体管道。冷箱内管道焊接质量要求高，焊口要求100%无损检测，因此，在冷箱配管施工中，所选用的焊丝必须与焊接工艺评定一致；坡口形式与尺寸符合焊接作业指导书的要求；采用大小风动铣刀或坡口机进行坡口加工，坡口表面平整光滑；对厚壁管要先预热再进行焊接；对加衬圈管道焊接时，衬圈必须与管壁贴紧；铝镁合金管道焊接中比较难的就是直径较小的铝管道焊接，管道的端面必须平整，要配合得严密无缝，只要稍有缝隙就容易形成焊瘤或焊缝余高过高，从而影响流量。冷箱内管道预制宜采用流水作业形式，下料、坡口处理、组对、焊接、拍片自成小流水线，焊接人员只管焊接，并在焊口周围打上焊接钢印号，对焊口进行标识，对每天焊接的焊口进行拍片检查，对存在不合格缺陷的焊口分析产生缺陷的原因并采取相应的措施。

3.管道的安装。冷箱内管道安装同冷箱内容器安装要密切配合，在冷箱结构安装的同时，开始预制冷箱内管道，待冷箱内容器安装完毕，冷箱结构封顶前，按先大管、后小管，先主管、后辅管的顺序将预制好的管道吊入冷箱内并基本就位后临时固定。在不影响施工的情况下，管道的安装顺序一般为先上部管、后下部管，如果在同一平面内，以精馏塔或其他空分设备为中心，先里面的管、后外面的管的安装顺序进行施工。安装固定点必须注意两边的安装应有足够大的膨胀弯曲以便补偿管道在两个方向上的收缩或膨胀，并保证支架与最近焊缝的间距必须符合设计和规范要求。管道支架只能焊接在设备或容器的护板上，不得直接焊在容器外壳或设备表面上。一是固定支架。冷箱内的管道因温度变化会产生应力及力矩,应力及力矩通过管道最终传递到管道的固定支撑点,固定支架就是用于与固定支点相连管道的保护。国产空分设备的调节阀在运行时是固定不动的(不随温度变化而改变位置),设置固定支架主要是保护调节阀进出口管道,防止管道与阀门连接处的焊缝被拉断,尤其是带缩径的调节阀,变径处的焊缝很容易被拉坏。冷箱内的有些管道,如膨胀机进出口管道、冷箱内的液体排放管、吹除管及引出管等,也需在靠近膨胀机或冷箱板处设置固定支架,防止管道被拉坏。固定支架设置要求:支架尽可能要靠近固定点,如阀门、冷箱板等;支架与管道要抱死,不可松动;支架结构要牢固,支架的支脚与冷箱骨架焊接要牢固。空分管道拉断大部分问题就出在调节阀两端管道固定支架设置不合理上,在工程实践当中,为确保调节阀两端管道的安全,通常在调节阀两端分别设置两道固定支架(双保险)。二是滑动支架。主要作用是支撑所流过的介质重量及水平管道自身重量,特别是水平长度较长的液体管道,防止管道在运行时下坠。安装时仪表管的走向及布置应严格按照相关规范进行,同时要及时做好已安装仪表管的保护,将仪表管安置在托架内,并用带子扎牢或用夹钳固定,但不允许焊接固定。且托架的设置,应避免积水。水平托架根据支撑管径的大小、管道水平段长度及所流介质的不同,设定不同数量的托架。气体管道水平管道一般6m设置一个托架。三是导向支架。主要作用是保证被支撑的管道有足够的稳定性,被抱管道只能垂直滑动,不能水平移动。导向支架主要用于垂直管道的保护。与塔体同步收缩的管道,如氮气、污氮管等,由于管径大、路线长、收缩量大,离冷箱壁远,一般将导向支架设置在塔体上;对于一般的竖直管道,导向支架一端焊接在冷箱钢结构骨架上,另一端抱在竖直管道直管段的1/3处(从上向下算),且导向支架的抱箍离弯头与接管之间的焊缝(包括三通或仪表管根部的焊缝)的距离不小于200mm。导向支架的设置要求:以保证管道没有明显晃动为原则,通常6～8m设置一个。导向支架要与冷箱钢结构骨架有可靠的连接。根据所支撑管径的大小,导向支架又分为单支腿形式(管道直径≤200mm)和双支腿形式(管道直径>200mm)。导向支架材质一般选用304不锈钢。

4.阀门安装。对于空分装置产品出界区阀门的安装方向需要进行多方面综合考虑。如果整个装置区只有一套空分装置向管网供气，空分装置一旦停车则管网也无压力，这种情况的界区阀门，只需考虑空分装置在未向管网送气前，空分装置有可能已经在运行，产品向大气放空，界区阀门在关闭时关闭压差的方向与介质流向一致，阀门需要反装。但是如果有多套空分装置并网进入管网，除了考虑上述情况外，还需考虑其中一套空分装置切断时，其他空分装置在运行的情况，这样阀门的关闭压差有可能出现两种方向，阀门的安装方向就要综合权衡考虑。要么方面选用具有双向密封性能的阀门，或者阀门的关闭装置的关闭扭矩能够克服阀门关闭压差的扭矩，确保阀门的密封性能，并且要优先考虑阀门正装，保证单套装置与管网的隔断，让单套装置后期能够安全维护。阀门的固定有两个支架完成，一个是直接支撑在阀门下部的支架，一个是靠近阀门进出口固定在管道上的支架。阀门下部的支架主要是用来支撑阀门的重量，安装时要注意支架不能支撑在阀门的可拆卸法兰上，因为阀门检修时这个法兰要随阀芯一同拆除。靠近阀门进出口的支架，主要是防止管道的收缩力作用在阀门与管道的焊口上，因为角阀的进出口通径都比较小，一旦受到外力焊缝就容易发生断裂，因此支架在管道上的固定点要尽量靠近阀门根部来缩短阀门与支架间的管段长度，这样管段收缩量的减少就降低了对阀门焊口的拉力过冷器过冷后的液氮、污液氮、液空和贫液空在节流阀后会汽化，液体部分汽化后会加剧流体的脉动，如果流体脉动的频率和管道的固有频率一致，将引起阀门、管道、管架的震动，不但缩短了阀门的寿命，还给管道带来安全隐患。

大型空分装置在安装时，由于冷箱内空间狭小，管道基本是在冷箱外预制好，然后输送到冷箱内安装。因此，在冷箱管道施工过程中，有必要进行预测规划，以保证一次完成焊接。在安装过程中，管道的安装顺序、管道安装的安全措施以及管道支架在冷箱中的安装是整个管道施工的关键。从前期工作准备、关键点的施工过程和安全施工管道大型氧气发生器项目,详细阐述了应注意的技术问题,这对类似工程的施工具有一定的参考意义。

参考文献：

[1]潘慧明，马恒高.大型空分设备冷箱内低温管道设计优化技术［J］.深冷技术，2018（S1）：22-23.

[2]朱代业.冷箱内管道焊接的方法研究和在配管过程中的应用[J].施工技术，2017（03）

[3]赵小莹．空分工程技术的发展[J].通用机械，2019.