煤气化装置氧气管道的防火防爆措施

刘振兴

华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

氧气是煤气化装置中非常重要的原料气，目前国内煤气化装置的主流气化工艺(固定床、流化床和气流床等)的原理均为将煤与高纯氧反应，充分燃烧、高比率转化产生有效气，送至下游生产不同产品。煤气化装置氧气管道的氧气纯度高、压力高,当管道中出现杂质或缺陷时，易产生火灾或燃爆风险。笔者以亲身参与设计、建设的某煤气化装置为例，阐述氧气管道的防火防爆预防措施。

1 氧气管道燃烧爆炸的原因

煤气化装置的氧气纯度较高，达99.6%；管道压力较高，达5 MPa以上。该浓度下，可燃物的着火点会降低；该压力下，氧气介质流速较高。

(1)若管道存在夹渣、铁屑或油渍等小颗粒，随着高速流动的氧气与管壁磨擦、与弯头撞击、在凹槽积聚，都可能产生磨擦热，一旦达到小颗粒的自燃点，极易发生燃烧甚至爆炸。

(2)气化炉烧嘴前的氧气阀门突然打开或关闭，会造成阀后气体绝热压缩，温度急剧上升，若此环境中存在可燃物且达到燃点，极易引发燃爆事故。

(3)煤气化装置中管系较多，与氧气管线平行或交叉的管系繁杂，氧气管和相邻管道的静电若未及时导入静电接地网，易产生电火花，在高纯氧环境下就会引燃整个管系。

实验数据表明，弯头处的氧气流速≥44 m/s时，管道内产生的热量能将氧化铁皮和焊渣点燃；弯头处的氧气流速≥30 m/s时，焦炭颗粒可以被点燃；弯头处的氧气流速≥13 m/s时,煤颗粒可以被点燃。一旦着火引爆管道，爆炸能量与压力平方成正比[1]。

2 氧气管道的材料选择

高纯氧环境下的管道材质选择主要与氧气流速和温度压力有关。管道中若存在锈蚀、焊渣等杂质，当氧气流速超过该工况的最高允许流速时，杂质容易随气体流动与管道零部件冲击并引起微粒冲击着火，造成火灾或燃爆风险。在材料控制方面，规避此风险的方法主要有两种：

(1)从界区到气化装置的管廊输送段的管道，压力、流速较低，选材以不锈钢(如06Cr19Ni10)为主，尽量避免管道内壁锈蚀。

(2)气化炉烧嘴前的氧气管道和阀门，温度、压力、流速较高，选材以镍基合金为主，一方面防锈蚀耐高温，另一方面镍基合金在撞击场合的豁免压力较高，阻燃性也较高。

氧气管道材料除了需要符合设计文件和相应产品标准的规定外，在入场检验时应特别注意氧气管道、阀门及管件应无裂缝、鳞皮、夹渣等。接触氧气的表面必须彻底去除毛刺、焊瘤、焊渣、粘砂、铁锈和其他可燃物等，保持内壁光滑清洁，管道内、外表面除锈应进行到出现本色为止[2]。管道管件材料的质量证明文件完整，技术资料清晰无误，对材质的光谱分析抽查无误，并能够追溯到厂商的制造证明，以保证材质的准确性。

3 氧气管道的加工

3.1 氧气管道的切割

工程建设中等离子切割机使用较多，但等离子切割产生的熔钢易流入管内壁，产生熔渣、划道、凹坑等缺陷，因此氧气管道禁止使用等离子切割，宜采用机械加工或砂轮机切割，加工过程保证切口表面平整，无裂纹、重皮、熔渣、毛刺等缺陷，切口端面倾斜偏差不超过1 mm。

3.2 氧气管道的组对

氧气管道与管件常常由于厂家的选用标准不同、壁厚正负偏差不同，造成壁厚不一致，在氧管配对焊接前，宜把所有焊口的内径外径测量归档，挑选内外径尽量靠近的焊口组对焊接，以减少内壁打磨工作量，保证焊道根部质量。

3.3 氧气管道的焊接

氧气管道的所有焊接工作在三防棚里进行，焊接前后对场地及时清理，保证无灰尘杂质，并达到防风要求。氧气管段焊接组对前，要做管内清洁度检查，确认合格后再组对；对焊焊缝组对前，要将坡口及其内外侧表面周围的油漆、污垢、毛刺清除干净。为保证根部焊缝余高，大口径管道宜采用双人对焊法，小口径焊缝宜采用背部二次熔焊，根部焊道余高不超过1 mm，并且要圆滑过渡。支管台焊接过程中一定要背部进行充氩保护，主管开孔采用机械加工，加工后的焊口周围及管内要清理干净，务必焊透、且角焊缝内部要平滑。不锈钢和镍基合金材质焊接易收缩，在焊道组对时应垫置牢固，用三角定位的硬合金钢点块代替普通卡具，能确保组对间隙均匀，防止收缩变形。

氧气管道焊材使用专用的烘烤设备，建立专用发放记录，焊丝全部脱脂后才能使用，严禁用手直接接触焊丝，所有接触氧管焊材的人员，必须带脱过脂的手套。氧气管道焊接全部采用高频引弧焊机焊接，以避免电弧擦伤形成弧坑，必须在坡口内或焊道上引弧，严禁在坡口外引弧，管壁上的电弧擦伤必须磨平，发现缺陷及时清理，必要时做无损检测。充气保护采用100 mm厚海绵(白绸布包裹)作保护隔挡，注意待焊接完毕、无损检测合格后将充气隔挡拉出，保证管道内的清洁。最后对所有焊缝进行检查，重点检查焊缝表面不得有裂纹、气孔、夹渣等缺陷，咬边深度及焊缝余高[3]。

煤气化装置的氧气管系较长，最后的固定焊口宜留在管廊上，便于组对，保证焊接质量。固定口焊接前要求整个管系充氩，一端进气，另一端测量气体成分，满足焊接要求后方能施焊，施焊过程中随时监测气体成分，及时补充氩气。固定口氩弧焊打底后宜先进行无损检测，保证打底质量满足要求后，再行盖面填充，以免固定焊缝不合格，返工成本增加。

3.4 氧气管道的支管连接

煤气化装置中，氧气管道的分支管较多，所有的分支管道宜从主管上方或者侧方接出，以避免分支管道停用时，主管的颗粒杂质沉降堆积在分支连接处，一旦通气，大量颗粒杂质随气流冲击碰撞弯头和管内壁，造成隐患。

氧气管线的支管中包含高压氮气管线、中压氮气管线，用作吹扫和干燥等的气源。为了保证氧气管道内壁的清洁，从中、高压氮气储气罐到氧气主管这一段的氮气管线，选材和管内清洁方式要求与氧气主管保持一致。

4 氧气管道的化学清洗

虽然在前序工段中采取了多种防范措施，但在实际操作中仍存在遗留杂质颗粒、焊渣、油脂的风险，特别是油脂等易燃物，在纯氧环境下极易燃烧，甚至爆炸，所以在焊接、探伤、试压等工作完成后，需对氧气管道进行化学清洗工作。

4.1 化学清洗的步骤

氧气管道化学清洗的主要流程有：水冲洗→酸洗钝化→酸碱中和水冲洗→脱脂→水冲洗→干燥→检查验收。

4.1.1 水冲洗及试压

(1)目的：用脱盐水从高往低除去氧气管道内的沙尘、焊渣、碎屑、遗留物等，并在模拟清洗状态下对临时清洗钝化回路进行泄漏检查。

(2)操作步骤：用氯离子含量<25 ppm的脱盐水冲洗。冲洗时采用高位注水、低点排放，以便排尽系统内污物，控制进出水平衡。

4.1.2 酸洗钝化

(1)目的：利用酸洗钝化液与焊渣、焊瘤、铁锈、黏附物等进行化学反应，生成中和物溶解在酸洗液中一同冲走，同时在氧气管道内壁形成细密的保护膜。新的氧化保护膜能增强耐腐蚀力。

(2)操作步骤：水冲洗合格后，在清洗槽配置计算好的酸洗钝化液，系统循环均匀后，进行正反系统循环。当进、回液酸洗钝化浓度趋于平衡，监测管段上污物除尽，酸洗钝化结束。

4.1.3 酸碱中和水冲洗

(1)目的：冲洗出酸洗钝化脱落的焊渣等杂物，并将酸洗钝化液冲洗干净。

(2)操作步骤：酸洗钝化结束后，排尽酸洗钝化液，用水进行冲洗，除去残留的酸洗钝化液及洗落的固体颗粒，当PH达到中性(PH=7)时，冲洗至目测澄清，即可结束。

4.1.4 脱脂

(1)目的：脱除氧气管道安装工程中由于皮肤接触、衣物附着、机具溅蹭等沾染上的油脂。

(2)操作步骤：排净酸洗钝化液浓度达中性后，在清洗槽配置计算好的脱脂液，系统循环均匀后，进行正反系统循环，保证清洗液全部充满循环管道。当脱脂液浓度差小于0.1%时，脱脂结束。

(3)工艺条件：脱脂药剂为不锈钢专用脱脂剂(主要成份为氢氧化钠2%～3%、OP-10、促进剂)。

4.2 检测方法

(1)黑光法检验：以设备管道内表面无油污导致的荧光为合格。

(2)擦拭法检验：使用白色洁净无油滤纸擦拭内表面，以滤纸无油污痕迹为合格。

(3)除锈检验：以目视管道、管件与工艺介质接触一侧无局部锈蚀为合格。

(4)洁净度检验：以目视待检工件内表面呈干燥状态且无灰尘、异物为合格。

4.3 化学清洗注意事项

(1)建立专用脱脂池、废液中和池，保证脱脂彻底，防止污染环境。

(2)预制场地全部采用硬化处理，脱脂完成、检查合格的管道全部采用管口密封处理保证管道洁净度。

(3)为防止清洗过程中杂质被带入循环系统，在管道进口增加Y型过滤阀门。可以有效过滤杂质，定时清理过滤阀门，并在回液出口增加滤网。

(4)脱脂清洗时为防止脱脂液有油污染，先对中、高压氮气储罐等设备进行提前脱脂，并用紫光灯检查合格后再进行整体循环，循环用水为脱盐水。

5 氧气管道的吹扫

氧气管道化学清洗结束后，需要采用无油、干燥、洁净的压缩空气或氮气进行吹扫，一方面防止清洗积液残留，另一方面将化学清洗未冲洗彻底的颗粒夹渣吹除。在实际建设中，煤气化装置与空分装置联合吹扫，从空分装置的无油、干燥、洁净的压缩空气管线引临时管道到氧气主管是比较简单、经济的做法。

由于管道吹扫前需要拆卸易损元器件，如流量检测元件(流量孔板、限流孔板、文丘里、电磁流量计等)、调节阀、安全阀等，并接同尺寸短管，相关操作人员必须穿干净无油的工作服，带入的工具(绳索、氩弧把、气带、探伤工具等)必须用三氯乙烯进行脱脂；吹扫合格元器件复位时，所有需复位的法兰、阀门、流量计、垫片等需使用三氯乙烯进行脱脂处理。

煤气化装置的氧气管系加上中高压氮气管系较为庞杂，为减少后期氧气管道整体清洗脱脂的难度，在项目实际建设中宜进行两次吹扫，第一次为在水压试验前进行整体吹扫，清理管道内杂质;第二次待清洗脱脂后，进行整体吹扫，吹扫流速不宜小于20 m/s,在排气口用缠好洁净白布的靶板定时检验,待靶板上没有颗粒、铁锈、夹渣、水分时吹扫合格。

氧气管线进气化炉烧嘴前，管径较大，阀门、压力表、温度计特别多，且多为进口材料，该部分管段宜在安装前先行逐段试压、清洗、吹扫，合格后再与阀门、气化炉设备连接安装，减少拆卸工程量，避免材料损毁。

6 氧气管道的静电接地

氧气管道应设置导除静电的接地装置，并应符合下列规定：

(1)厂区架空或地沟敷设管道，在分岔处或无分支管道每隔80 m～100 m处，以及与架空电力电缆交叉处应设接地装置；进、出车间或用户建筑物应设置接地装置；车间或用户建筑物内部管道应与建筑物的静电接地干线相连接；每对法兰或螺纹接头间应设跨接导线，电阻值应小于0.03Ω[4]。氧气管道与其他管道平行布置的净距小于100 mm时，每20 m应加静电跨接线，与其他管道的交叉管道净距小于100 mm处，应加静电跨接线，跨接线最后并入静电接地网。

(2)用作静电接地的材料或零件，安装前不得作防腐处理。有关导电金属接触面应除锈、除油，并加防松螺帽及弹簧垫。为保证静电接地的效果，宜在静电跨接处焊接与管道相同材质的静电连接板，连接板厚度在3 mm～5 mm左右。

7 结语

氧气管线的安装是煤气化装置建设的重要环节，由于氧气的助燃性和高纯度，施工不当极易产生火灾爆炸安全隐患。因此工程建设中宜成立氧气管线施工质量监督小组，从到货到安装验收全过程实行书面确认制度。监管管材到货质量，逐件按照验收规范进行验收；对氧气管道安装的所有环节跟踪确认，如脱脂、酸洗、钝化、坡口、焊接、试压、吹扫等，形成验收确认制度；按照安装方案、焊接工艺方案、技术交底、逐个工序、逐根管线进行确认，形成书面的管线安装确认单和清洁度检查确认单。从各个环节杜绝火灾爆炸风险点的产生，有效保证氧气管道的安装使用安全。