探讨空分装置立式液氧泵的管道设计及运行过程中的问题

李晶晶

摘 要：本文梳理了空分装置中立式液氧泵管道设计需要满足的条件，围绕立式液氧泵管道的应力标准界定、管道管口载荷校验、液氧泵管道法兰泄露三项环节，基于实例介绍了空分装置立式液氧泵管道设计过程。该液氧泵运行一个月后，发生液氧泵冷箱底部结霜的问题，通过CAESAR II模型对泄漏原因进行查找及分析，最终成功找到泄漏点和导致该问题的原因，经过调整后成功解决该问题。

关键词：空分装置;立式液氧泵;管道设计;底部结霜问题;管口载荷校验

0.引言

空分装置是指将空气中的各组分气体进行剥离，进而完成氧气及氮气生产的一套工业设备[1]。其中，液氧泵的作用必不可少。该设备是一种低温液体泵，能够提升液氧的压力，进而将之输送到目标位置。立式液氧泵是一种立式径向剖分多极低温液氧泵，适用于输送低温液氧（温度可达到-183℃）。为配合此种液氧泵完成低温液氧的输送，需搭配性能适宜的管道。本文围绕此种管道的设计运行问题展开分析。

1.空分装置立式液氧泵管道的设计综述

空分装置的运行原理为：①使用空压机设备对空气加进行压缩;②进行分子筛除作业，将空气中的水分、二氧化碳、碳氢化合物等杂质剔除;③经过处理后的空气中的一部分被送往精馏塔的上塔区域，另一部分经过膨胀器膨胀制冷处理后，送入下塔;④精馏塔中的上升蒸汽和下落液体经过热量交换，在上部形成高纯度氮气，在下部得到高纯度氧气。为保证该过程顺利完成，必须应用技术参数都达到要求的液氧泵以及管道。进行管道设计时，首先需要考虑管道的用途。比如与空分装置立式液氧泵进行搭配，目的在于完成低温液氧的稳定运输的管道，在性质、压力、温度、操作工况、外部环境方面都需要达到相应的要求。以此为前提，设计人员还应充分考虑经济因素，设计出性价比最高的管道组成件。需要注意的是，此种管道组成件的强度标准首先应该符合压力-温度设计准则，同时还必须达到一次、二次應力以及支吊架强度的相关标准。

进行空分装置立式液氧泵管道设计的具体要求如下：

（1）如本文引言部分所述，在立式径向剖分多极低温液氧泵的作用下，自蒸馏塔中生成的氧气会被压缩成液氧，且温度达到-183℃。此种液氧自液氧泵流出，进入输送管道时，管口必定承受极大的载荷。因此，根据物理学基本原理，管道管口的厚度必须足够，否则无法承受来自低温液氧的较大压力，进而在冲击作用下出现裂痕，导致泄漏。但仅仅增加管口管壁的厚度是不够的，还需提升管道材质的刚度系数。与此同时，还需考虑的一点是：在操作的状态下，由于管口载荷极大，会导致二次产生的应力较为复杂。换言之，低温液氧字液氧泵流出后，首先会对管道管口造成一次冲击;之后，受一次冲击影响，管口受到的二次冲击应力可能不仅仅来源于低温液氧，可能由多种应力构成。基于此，只有增强管口管壁厚度，使用刚度系数较大的材质，才能抵御一次、二次应力冲击。

（2）自液氧泵出口开始，到高压换热器为止的管道管系长度并不短，故必须保证低温液氧能够在如此长的区段内安全、平稳地运行。为实现该目的，管道必须能够承担运输过程中的二次应力。有研究表明，能够对液氧泵出口管系承受的二次应力以及管道荷载产生较大的影响的主要因素为：①立式液氧泵和高压换热器在垂直方向可能出现的变形情况;②运输低温液氧的管道管系在水平方向可能出现的变形情况;③设备出口处的阀门与冷箱的连接方式会决定液氧自带的载荷，而此种载荷作用于管道管系时，必定对管道造成一定的冲击;④管道穿过冷箱时究竟采用何种密封形式，也会影响荷载。

（3）进行液氧泵出口管道设计时，需要考虑吹扫要求，具体而言：第一，调整法兰、垫片、紧固件的设置方式，可使用回型结构完成布置。此种布置方式的目的在于：对泵体管口处管道管系因受垂直方向出现变形而产生的二次应力进行补偿，从而使液氧泵管口的管道在强度、载荷承受能力方面达到既定要求。第二，完成固定架的设置。此种装置存在的目的在于，可使液氧泵出口处止回阀后方管系对液氧泵产生的载荷应力进行部分或全部阻断，避免液氧泵的正常运转受到影响。第三，设置于液氧泵出口的截止阀宜选用角式形式，且与冷箱之间的连接方式应以“浮动式”为主。该截止阀的支架采用常规的托架式即可满足管系载荷应力要求。第四，运输低温液氧的管道“穿过”冷箱的部分，与冷箱之间的接触方式必须保持密封性，可采用一种较为特殊的“软连接”方式。此种方式的主要作用为：①实现对大小两种冷箱的隔绝;②根据具体的设置，在不同程度上降低一部分因管系变形而产生的负面影响。

综上所述，空分装置立式液氧泵管道设计的必须充分考虑多种形式、从多个方向产生作用的载荷应力。需要指出的是，一次、二次应力是不可避免的，故设计人员若发现某种应力及载荷通过常规的管道设计方式无法使之有效降低时，应调整思路，即对管系应力（能够导致变形的应力）进行合理运用，从而达到降低管道承受的二次应力、管架载荷的目的，全面提升管道管系的承载力、保证低温液氧运输的安全性。

2.基于实例的空分装置立式液氧泵管道设计过程

本文选用的案例为某化工企业新近引入的空分装置高压液氧泵出口管线管系段，设计过程相关事项如下。

2.1立式液氧泵管道应力标准界定

参照标准为《压力管道规范工业管道》GB/T 20801.3-2006中的第三部分——直管内压设计计算公式。根据该企业的生产需求，设计人员经过多次测算后，将管道管壁厚度设定为5.6毫米。除此之外，针对高压液氧泵出口附近管道设置固定支架，并对管系的应力及支架载荷进行分别计算。在此基础上，审核人员使用CAESAR II（美国COADE公司研发的压力管道应力分析专业软件，支持对管道进行动静态计算分析）软件，将检测方法设定为当量压力法，对可能引发法兰泄露的相关参数进行校验，最主动得出的结果为：

2.1.1设计条件方面

①管线号界定：OL-0523;

②介质名称：低温（常态运输温度-183℃，最低温度可达--196℃）液氧;

③设计压力：7.6MPa;

④管线公称直径：80mm;

⑤介质密度：0.0011kg/cm;

⑥管道制成材料选择：O6Cr19Ni10;

经过比对，空分装置历史液氧泵出口管线管系段的一次应力工况、二次应力工况各项参数均达到相关要求。

2.2立式液氧泵管道管口载荷校验

立式液氧泵管道管口载荷校验标准有二，其一，管口载荷计算结果;其二《API610石油石化及天然气工业用离心泵》标准中对管口载荷的规范允许值。

经过综合比对，立式液氧泵管道管口所承受的压力和力矩均符合相关规范，技术参数完全合格。

2.3立式液氧泵管道法兰泄露校验

针对空分装置历史液氧泵管道运输低温液氧过程中可能出现的法兰泄露防护标准进行校验时，同样需借助CAESAR II软件，其中常用的方法不止一种。本文选用的案例采用常规的当量压力测量法，经过内压计算、一次及二次应力校验、立式液氧泵管道管口载荷校验及管道法兰泄露校验之后可知，此种管道所有参数均达到相关要求，可投入使用。

3.基于实例的空分装置立式液氧泵管道运行过程中发生的问题简析

本文引为案例的立式液氧泵管口管道运行一个月后，出现如下问题：液氧泵冷箱底部结霜，经过检测，技术人员判断导致冷箱底部结霜的可能原因为液氧泵管线可能存在泄漏情况，如果放任此项问题发展，除了影响生产效率之外，还有可能造成恶性事故。结合低温液氧泵底部结霜面积的大小、时间，对泄漏点位置进行初步锁定之后，技术人员建议用户企业按照常规的安全操作规程，完成低温液氧泵的运行停止作业。待管道温度恢复至常温状态之后，对冷箱内的珠光砂也进行复温处理。现场技术人员为了进一步探明管道是否存在渗漏的问题，将珠光砂完全移出后，观察管道运行情况。在此期间，使用管道设计图纸及安装施工图纸、配置图等资料进行对照分析后得出导致管道发生渗漏的具体问题：

第一，立式低温液氧泵管道出口管导处设置的支架数量多出三个，导致液氧在运输的过程中，较长的管道在部分位置出现偏移情况，致使局部环境温度发生变化，最终导致冷箱底部结霜。按照计算，需要拆除三个多余的支架，才可完成对此种情况的调整。

第二，立式液氧泵管道出口处管道的法兰密封垫材质选择出现错误，在进行设计及安装过程中，应以材质型号为2232的金属材料完成缠绕垫的制作。

第三，固定法兰所用的装置中，有部分螺栓的性能、材质选择未达到相关标准，强度不足，且螺柱并非双头形式。经过对比和软件模拟，应调整为材质型号为A193.B8C1.2的全螺纹螺柱。

4.针对空分装置立式液氧泵管道运行期间问题的有效解决方式

上文所述的问题发生原因分析及解决方式仅仅是初步意见。在此基础上，需围绕立式液氧泵管道运行期间是否存在渗漏低温液氧情况进行全面分析。

4.1分析模型构建和计算结果

基于CAESAR II软件的分析模型够成为：自空分装置立式液氧泵出口开始，直到冷箱为止的管道共划定为10个区域，编号分别为1～10，逐段进行模拟检测，得出的结果为如下。

4.1.1计算结果

（1）节点号计算结果：一次应力和二次应力（下文同此分列顺序）的计算结果分别为120kPa和30kPa;

（2）弯曲应力计算结果：1418.6kPa和487609.5kPa;

（3）扭转应力计算结果：88.9kPa和-7567.8kPa;

（4）规范应力计算结果：224073.5kPa和500316.7kPa;

（5）允许应力值计算结果：137013kPa和319549.6kPa;

（6）百分比值计算结果：17.6%和157.3%。

4.1.2法蘭泄露检验结果

（1）节点编号：100;

（2）轴向力绝对值：11859N;

（3）弯矩：339N·m;

（4）法兰垫片上的有效部分直径111.27mm;

（5）当量压力：10078.6kPa;

（6）设计温度：-180℃;

（7）允许当量应力：9927.38kPa;

（8）百分比值：101.46%。

对上述计算机法兰应力及泄露模拟计算结果进行比对分析和实践验证后发现，导致冷箱底部结霜的主要原因为：第一，空分装置立式液氧泵出口处管道的技术参数设计方面并没有问题，但在安装施工过程中，很多环节均存在未严格遵照设计图纸，擅自更改安装施工计划的问题。比如上文提到的固定法兰密封垫施工期间，除了选用的用于固定的装置的螺栓材质强度不符合相关要求外，法兰密封垫的数量、紧固件及管架的样式、数量等同样与设计标准之间存在明显的差异。第二，进行现场配置之前，客户企业并未将设计方案形成书面资料并交给设计单位，在部分需要基于现场实际情况完成最终设定的环节，并非设计人员最终决定。换言之，缺乏必要的设计许可。第三，CAESAR II软件构建模型并完成分析后发现，自空分装置立式液氧泵出口处管道的法兰开始，直到出口法兰第一个固定架之间的管道在二次应力具体值方面，远远超过预定标准，换言之，该处管道的相关参数并不足以承受法兰泄露压力。对此问题进行深入分析后发现，导致二次应力超出标准的原因为：从管道整体来看，其他区段的管道柔性足以承担其他区段管道承受的二次应力，但同样的柔性参数在此区段却无法承受该区段的二次应力。具体而言，法兰前后承受的压力（或者是力矩）超出了最大允许值，最终导致管发生法兰泄露情况。

4.2具体调整方式

根据上文所述的问题成因及初步解决方案，再次进行现场勘查后，决定进行初步调整，最终结果为：

第一，結合现场实际情况进行评估后，认为将法兰泄漏点上方位置与液氧泵法兰所在位置之间存在“互相对应”的关系，表明实际发生的泄露情况与机遇CAESAR II软件计算得出的结果相吻合。因此，初步解决方案中有关“拆除三个多余支架”的方案可参考。现场完成对此三个支架的拆除后，经过查验，发现液氧泵出口管道处的成对法兰螺栓孔位置出现约13mm的错边情况。该情况即为初步解决方案中没有考虑到的问题，需立刻进行原因分析。经过现场情况核验后发现，该问题并非设计问题，同样出在安装方面，主要因为安装人员并未严格遵照安装规范和设计图纸的相关要求，加之之前的管道支架数量设置及安装位置选择均出现了偏差（有管道柔性未达标的原因）。在多种因素的共同影响下，当管道运输低温液氧时，发生了塑性变形;而当运输作业结束，在一定时间内恢复至正常温度后，管道的塑性变形现象无法逆转（位置变化不可逆）。总之，在现场初步调整作业结束后，现场管道呈现出的实际情况与CAESAR II软件模拟的法兰错边数值、变形方向、计算结果均高度吻合，表明诱发问题的根本因素已经确定。基于此，在完成三个不合理管道支架的拆除作业之后，需对管道进行重新配置，具体的标准为：第一，务必保证法兰封面处于“自由”的状态时，间隙、错边等参数在ASME PCC-1-2010《压力边界螺栓法兰连接安装指南》的标准范围内[2];第二，对型号错误的法兰密封垫以及紧固件予以更换，务必保证材质、型号正确。完成上述调整后，在为期一个月的时间内进行试运行检测，未再发现冷箱底部结霜情况，表明问题得到了根治。

结语：空分装置立式液氧泵能够将液氧的温度降低至-183℃，运输液氧至空分装置系统目标位置的过程中，管道将会承受较大的压力。基于此，在设计管道时，必须完成应力分析，全面考虑法兰相关问题。在运行期间，如果出现液氧泄漏情况，须通过法兰泄露分析的方式，尽快找到泄漏点和导致该问题的原因并加以解决，使管道能够承担输送低温液氧的任务。

参考文献：

[1]亓峰，王永锋.空分装置高压蒸汽管道在设计中的常见问题分析及改进措施[J].肥料与健康，2020，47（03）：50-52.

[2]闫俊超，李超.空分装置立式液氧泵的管道设计及运行过程中的问题分析处理[J].化工设备与管道，2019，56（02）：70-72+84.

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