液氧管道布置及保冷设计探讨

孔晓军 甄崇汀 中石化宁波工程有限公司 宁波 315103

液氧在石油化工装置中广泛运用。工业上制造液氧的方法是对低温液态空气进行分馏，液氧是空分装置的主要产品，储存时以液氧形态储存。

1 液氧管道布置

1.1 液氧的特点

氧气在温度低于-182.980℃时液化成液体，呈天蓝色，气化时吸收大量热量。在常温情况下液氧极易受热气化，同质量的氧气体积是液氧的800 倍。

1.1.1 防止液氧发生物理爆炸

(1)液氧剧烈蒸发产生爆炸。液氧储存温度的轻微变化会带来液氧管道内部压力的急剧变化。例如， - 182℃时液氧管内饱和气压约为0.1041bar，- 180℃ 时液氧管内饱和气压约为0.3512bar，- 177℃ 时液氧管内饱和气压约为0.7979bar。管道内液氧受热易气化，管内压力升高，导致安全阀起跳或者使泵气蚀。系统停车排净后，切断阀关闭，容易导致切断阀间密闭管段受热超压爆炸。

(2)由于液氧存在于-182.980℃下，当液氧介质窜入气化后的氧气管道中时，会造成大气中的水分在管壁附近低温过饱和析出，管壁挂霜、结露和冻冰、超低温造成碳钢管机械强度大幅下降，承压能力骤减，碳钢低温脆性性能差，易发生低温态爆炸。

1.1.2 防止液氧发生化学爆炸

(1)液氧中烃类、有机物等聚积发生化学爆炸，在所有已知的空气杂质中，与液氧接触最危险的介质为乙炔。同时，液氧中的碳氢化合物积聚成粒子，液氧泵运行过程中，高速粒子冲击液氧管道，特别是管道薄弱部分(波纹管膨胀节)，由于摩擦大，液氧压力高导致膨胀节破坏，液氧管道泄漏，或者进入真空管道真空腔内。

(2)当液氧泄漏，与可燃物质接触(沥青)，如果发生爆炸，其产生的破坏力与冷凝炸药相当(液氧炸药)，爆炸力大。

1.1.3 防止液氧人身伤害

当液氧发生“跑、冒、滴、漏”事故时，一旦液氧喷溅到人的皮肤，将引起严重的冻伤事故。

1.2 液氧管道布置要求

1.2.1 通用原则

按《工业金属管道工程施工规范》GB 50235-2010 和《石油化工有毒、可燃介质钢制管道工程施工及验收规范》SH 3501 -2011 规定，设计温度低于-290℃的管道为低温管道。因此，液氧管道属于低温管道。

(1)管道切断阀之间的密闭管段必须设置安全阀。

(2)低温管道布置应以如何减少管道压降和冷损为原则，管道布置时应在满足工艺流程和应力的情况下，管道走向尽可能简单。

(3)管道应有不小于3%的坡度，使汽化出的氧气及其他气体顺管道坡度流向储罐等设备。

(4)低温阀门宜布置在水平管道上，所有低温阀门的阀杆均应加长，并且宜竖直安装。阀门组的配管应注意考虑能顺利卸下其中任何一个阀而不影响管道保冷结构。

(5)靠近弯头或三通处，一般不允许直接焊接法兰。为了拆卸螺栓时不破坏主管道上的保冷层，需再延长一段长度(接一短管)后再焊接法兰。

1.2.2 液氧管道布置的特殊要求

液氧管道连接储罐与泵时，必须设置人为液袋，两侧配管皆做成步步高形式，液袋处设放净。由于低温泵常温启动时需耗大量时间冷泵，一旦发生事故，系统供气量减少。为保证下游装置的正常运行，后备系统需及时提供所缺气量，所以该泵应时刻处于冷备或者惰转状态。在这两种状态下，管内液氧不流动或慢速流动，液氧气化剧烈，碳氢化合物浓缩积聚，若储罐出液口与泵吸入口之间的管道为步步低时，碳氢化合物积聚在泵口和泵头处，一旦泵高速运转极易发生燃爆。

液氧储罐与泵的典型配管见图1。储罐与泵之间配管成“V”字形，碳氢化合物积聚在集合管处，集合管为低点，此处设置放净，每隔一段时间开阀排液，降低碳氢化合物浓度;再者管道布置成“V”字形可以让吸热汽化的氧气顺管道流回储罐和泵，不至于在管内积聚大量气体，影响液体正常流动。

图1 液氧储罐与泵的典型配管

这种液氧典型配管，集合管处不仅可作为后备泵的液体来源，也可作为装车液氧和自增压器所需液氧的来源。

储罐与液氧泵之间的低点采取导淋措施外，还有一种方法值得借鉴，见图2。图中液氧管道在储罐与泵之间存在人为低点，低点处设置一条毛细管回流线，未设置导淋。通过不保温毛细管，使管道升温液体气化，发生温差环流，将低点碳氢化合物带入储罐内。储罐内液氧需定期进行分析化验，发现碳氢化合物超标时可进行部分排液或彻底排液加温操作。

图2 液氧储罐与泵低点设毛细回流线配管

1.2.3 排净管道布置

不同供货商对液氧放净管道设计的做法见图3和图4。

图3 国外甲供货商放净及安全阀配管

图4 国外乙供货商放净及安全阀配管

图3为国外甲供货商对放净及安全阀配管的要求，安全阀管线与放净管线共用同一个入口管，支管插入主管并接近主管底，且必须为在顶部接出，放净阀前后管线均应低于放净阀本体，安全阀后管线低于安全阀本体，直接排放在铺鹅软石或碎石子的地坪上。

图4 为国外乙供货商对放净及安全阀配管的要求，安全阀管线与放净管线共用同一个入口管，且入口管应在主管靠近底部处接出，放净阀前后管线均应低于放净阀本体，安全阀后管线低于安全阀本体，排液管汇于排液总管后通向残液排放器，排液总管为步步低。

两家供货商均要求在管道低点设置放净，并每隔一段时间开启放净阀一次，排掉积聚的碳氢化合物等有害介质，两家单位均未在液氧管底部设置放净，避免管道出现盲端。安全阀与放净均使用同一入口管，是为了减少主管焊缝从而减少泄漏点。

放净阀前后管道均低于阀体则是为了在正常运行时隔断阀门与液氧的接触，减少低温液体对阀门填料函的损坏。国外供货商对冲车泵入口的工艺要求，详细标明了管线的坡向要求，见图5;图6 为国内某供货商冲车泵入口的PID。

2 液氧管道保冷设计

图5 国外供货商对冲车泵入口要求

图6 国内供货商对冲车泵入口要求

液氧管道的保冷结构从内至外，由除锈层、保冷层、防潮层、保护层构成。保冷层对维护介质温度稳定起主要作用，因此合理选择保冷材料很关键。选择保冷材料时，应注意材料的密度、透气、吸水性、变形、吸湿性并应具有良好的抗冻性，在低温下物性稳定，可长期使用。同时，还应考虑保冷材料的低温收缩率，低温状态下是否会发生龟裂及脆化等。常见保冷材料基本情况见表1［1］。

表1 常见保冷材料基本情况

2.1 泡沫玻璃保冷

采用泡沫玻璃保冷时，保冷层较厚，大口径管道厚度往往达到200mm 以上，对于复杂的系统和安装空间狭小的装置，配管难度增大。泡沫玻璃的安装质量如何直接影响管道的保冷效果，大部分装置的液氧管道的泡沫玻璃弧形板之间的空隙都会结霜，且泡沫玻璃性脆易碎，安装过程中难免有部分碰撞导致碎裂，影响保冷效果，并且冷量的损失导致管内氧气量增加，管道压力增加引起安全阀频繁起跳。

2.2 珠光砂保冷

珠光砂导热能力小于泡沫玻璃，易填充，保冷效果明显。珠光砂填充前应考虑被填充设备周围环境，留有珠光砂制造设备与运输车操作的空间。

空分罐区低温泵附近低温管线较多，阀门布置较密时，应考虑将泵体、阀门、管道、管件等共同做一小冷箱，也称泵箱，阀门手轮应伸出箱体。若有条件该泵箱最好做至储罐出液口处，无需再用泡沫玻璃或真空管保冷。为了避免箱体内结霜、结冻导致保冷性能下降，冷箱内应充气保持微正压。

珠光砂造价低廉，保冷效果极好，但所占空间较大，若箱体内若发生液体泄漏时，检修难度极大，需扒砂，检修完后回填等。

2.3 真空管保冷

由于真空的理论热传导能力为零，其冷量损失仅为热辐射，所以其保冷能力强。低温管道输送距离较长时，基于系统稳定运行及安全考虑，应尽量选择用真空管作为保冷形式。

真空管的设计是由专门的低温设备厂根据设计单位提供的单线图来进行二次设计，再将管道预制后分段运输至施工现场。管道的两端与设备连接处在设计时应预留100 -200mm 的裸管，方便现场的调整，最后将该部分管道用泡沫玻璃保冷或采用伸缩套内充离心玻璃棉的方式保冷。液氧管道厂家设计真空管时按管道伸缩量设置轴向补偿器，并在内管合理位置设置导向支架，真空管道出厂前应完成压力试验，管内不得有低位积液。

目前许多大型空分装置低温管道正逐渐采用真空管形式，相比较之前的泡沫玻璃保冷，从外观上看由于少了臃肿的泡沫玻璃，管道外径缩小，管夹也相应减小，节省了更多的空间。虽然真空管有诸多优点，但其价格远高于泡沫玻璃，由于存在泄漏点，其保冷效果会随着时间的推移逐渐降低。所以根据装置实际情况每隔几年应更换一批真空管以确保装置正常运行。

以上三种管道保温形式的选择应根据装置规模大小、设备的布置情况、系统的繁复程度及资金的情况进行综合考虑后确定。

表2 真空管最大冷损量

3 结语

由于液氧管线的特殊性，其配管及保冷要求较高，国外的成套供货商对于这类管道的配管及保温在其公司内部已有明确的规定。目前的国内成套供货商在逐渐吸收国外几大空分供货商的经验后也已初步掌握了该类管道的要求，但细节问题往往被忽略，设计人员应结合国外优秀供货商的流程及管道设计要求，完善流程及管道布置，并选择合理的保冷形式，防止事故的发生。

1 SH/T 3010 -2013，石油化工设备和管道隔热技术规范［S］.