制氧站氧氣管道設(shè)計

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制氧站氧氣管道設(shè)計研究

摘要:文章通過對氧氣管道燃燒的原因深入研究，提出了氧管設(shè)計防范措施，從設(shè)計根源上進(jìn)行防范制氧站氧氣管道爆燃事故的發(fā)生，為制氧站提供了安全、可靠運(yùn)行的重要保障。

關(guān)鍵詞:氧氣管道，燃燒，管道設(shè)計，研究

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1、站內(nèi)氧氣管道燃燒的原因

1.1氧氣中帶有可燃固體顆粒

當(dāng)管道內(nèi)殘存著鐵銹垢的時候，或者因堅硬固體顆粒、氣流沖刷管壁，而摩擦消耗脫落的鐵粉，由于所需點(diǎn)火能較低，在摩擦熱的作用下，便很簡單發(fā)生自燃。處于自燃狀態(tài)的赤熱鐵粉在高速氧氣流中高速運(yùn)動，當(dāng)通過流向急變的直轉(zhuǎn)彎部位,便以極大的動量撞擊其內(nèi)壁，消耗掉大部分動能后，沿管壁沉積下來造成赤熱鐵粉的蓄積，其在燃燒中會逐步熔化而粘敷在管道內(nèi)壁上。熔敷處的管壁在此高溫作用下，可發(fā)生鐵與氧的燃燒反應(yīng)，并以勢不可擋之勢，速耗管壁的鐵質(zhì)，造成管壁穿孔。管道內(nèi)若有凸凹之處，凹處則很簡單積集可燃物粉塵而造成熔敷燃燒，而凹的尖端又很簡單摩擦蓄熱，以致由此燒穿管道。

1.2氧管道中存在可燃物質(zhì)

管道中存在油脂以及管道墊片脫落的橡膠或石墨等碎片及粉末。由于它的燃點(diǎn)較低，譬如潤滑油的最低燃點(diǎn)為273℃-305℃，三氯乙烯的最低燃點(diǎn)為392℃，纖維的最低燃點(diǎn)為304℃，橡膠的最低燃點(diǎn)為341℃。而在高壓氧氣中，燃點(diǎn)要比上述數(shù)值還低100℃左右。該物質(zhì)與管道內(nèi)純氧接觸,便會馬上發(fā)生猛烈的化學(xué)反應(yīng)以至自燃;并且可燃物一經(jīng)燃燒起來，燃燒速度較在空氣中快，最終導(dǎo)致氧管爆燃。

1.3絕熱壓縮升溫

當(dāng)制氧站內(nèi)高壓氧氣經(jīng)由管道輸送時，氧氣閥門開啟前，管道內(nèi)閥前為高壓，閥后為低壓(相當(dāng)于大氣壓)。在氧氣管道閥門快速開啟時，由于將閥前高壓氧氣急劇充入至低壓狀態(tài)時，可產(chǎn)生近于絕熱狀態(tài)的壓縮過程。由于壓縮產(chǎn)生的熱量速度快,很難在瞬間傳遞出去，故會使壓縮系統(tǒng)急劇升溫,產(chǎn)生接近于絕熱壓縮的溫度。計算:

T2=T1(P2/P1)(r-1)/r(2)

t1=T1-273t2=T2-273(3)

式中:T2絕熱壓縮后的氣體溫度，k；

T1絕熱壓縮前的氣體溫度，k；

P2閥后(絕熱壓縮后)的氣體壓力，MPa；

P1閥前(絕熱壓縮前)的氣體壓力，MPa；

r氣體的比熱(氧氣為1.40)。

根據(jù)制氧站外送氧氣典型壓力計算，可得出氧氣閥門開啟前后氧氣溫度變化，見表1。

表1氧氣閥門開啟前后氧氣溫升表

表中可以看出，當(dāng)瞬間輸入13.1MPa的氧氣時，即使輸氧管道內(nèi)無可燃物，其急劇絕熱壓縮產(chǎn)生的溫度就能使管壁與氧之間的燃燒反應(yīng)發(fā)生。當(dāng)其內(nèi)部存留有鐵垢(312℃-315℃)、鐵粉(300℃-400℃)、潤滑油、纖維、橡膠、三氯乙烯等(300℃-500℃)可燃物時，瞬間輸入1.1MPa以上的氧氣，就可達(dá)到可燃物質(zhì)粉末的著火溫度300℃-400℃。

1.4電火花放電

氧氣與鋼管接觸，在氧氣鋼管之間的界面上形成雙電層，由于雙電荷中的一部分，隨著氧氣的滾動而被帶走，因而產(chǎn)生了靜電。當(dāng)產(chǎn)生的靜電積蓄到一定的能量，也就是說氣體的分子與管壁摩擦產(chǎn)生電位差，電位差達(dá)6000V時，就會出現(xiàn)電火花。成為引燃氧管火源。

2、氧管設(shè)計防范措施

依據(jù)以上分析，要保證氧氣管道輸送安全，可靠，我們應(yīng)在設(shè)計中采取如下措施，才能有效防止防止輸氧管道燃燒和燃爆。

2.1氧氣管道材質(zhì)的設(shè)計選型

我國制氧站內(nèi)氧氣管道多項(xiàng)選擇用金屬材質(zhì)。氧氣純度愈高，燃燒速度愈快;氧氣壓力愈高，金屬越易燃燒。常用金屬材料的燃燒特性見表2。

表2常用金屬材料燃燒特性表

從表中可得出，在一定氧氣壓力下，A.銅材質(zhì)導(dǎo)熱率最大，散熱快，燃燒速度慢，且銅管在燃燒前先熔化，不擴(kuò)散燃燒，抗腐蝕性能好。但銅管價格較高，強(qiáng)度低，焊接性能不好。B.碳鋼管燃燒溫度稍低，燃燒速度快，抗燃燒性能差，著火能消散之后仍繼續(xù)燃燒。C.不銹鋼燃燒溫度比碳鋼高，著火較困難，但一旦燃燒起來比碳鋼的燃燒速度還要快，在著火能消散之后仍繼續(xù)燃燒。D.鋁管在氧氣中燃燒得十分急速，抗燃燒能力最差，一般不選用。

依照我國GB16912-2023規(guī)定，結(jié)合以上分析，從輸氧安全性及經(jīng)濟(jì)性方面綜合考慮，制氧站內(nèi)氧氣管材宜依據(jù)以下原則進(jìn)行設(shè)計:

(1)空分冷箱送出的低壓氧氣管(壓力約0.1mpa)，材質(zhì)宜選用碳鋼管道。其中管徑大于等于200mm，宜采用螺旋焊管或焊接鋼管；管徑小于200mm，宜采用無縫鋼管。

(2)中壓氧氣管(含內(nèi)壓縮流程空分冷箱送出)，當(dāng)壓力小于等于3.0mpa時，材質(zhì)可根據(jù)用戶需要，選用碳鋼管或不銹鋼管。其中管徑大于等于500mm可采用成品焊接鋼管，管徑小于500mm，宜采用無縫鋼管;當(dāng)壓力大于3.0mpa而小于10mpa時，應(yīng)采用不銹鋼無縫管。

(3)氧壓車間內(nèi)送單個氧壓機(jī)的低壓氧氣支管、氧壓機(jī)內(nèi)聯(lián)管道，由于經(jīng)壓縮后的氧氣溫度升高,(一般在160℃-180℃左右)管徑由于機(jī)器附近受空間位置

的限制，管徑選用偏小，氣流速度大，為防止管壁鐵銹進(jìn)入壓縮機(jī)內(nèi)部，造成危險，材質(zhì)宜選用不銹鋼管。調(diào)理閥組前后，管內(nèi)氣流速度變化很大一般采用不銹鋼管，也有采用脫氧銅管。

(4)氧氣球罐區(qū)氧氣管道，區(qū)域主管可根據(jù)用戶需要，材質(zhì)宜選用不銹鋼管，進(jìn)出氧氣球罐支管應(yīng)選用不銹鋼管。

（5）高壓氧氣管(壓力大于等于10.0mpa)，應(yīng)采用不銹鋼無縫管或擠制、拉制的銅及銅合金管。

（6）輸送溫度低于-20的低溫氣氧管道，液氧管道，考慮低溫影響，材質(zhì)選用不銹鋼管。

2.2管件設(shè)計選型

(1)氧氣管道的彎頭嚴(yán)禁采用折皺彎頭，當(dāng)采用冷彎或熱彎彎制碳鋼彎頭時，彎曲半徑不應(yīng)小于公稱直徑的5倍;當(dāng)采用壓制對焊彎頭時，宜選用長半徑彎頭。工作壓力不大于0.1mpa的鋼板卷焊管，可用彎曲半徑不小于公稱直徑1.5倍的斜接彎頭，90彎頭應(yīng)采用中間為大于或等于二段管制作的管件。

(2)氧氣管道的變徑管宜采用壓制對焊管件。焊接制作時，變徑部分長度不宜小于兩端管外徑差值的3倍。

(3)氧氣管道宜采用壓制對焊三通。

(4)氧氣管道法蘭及墊片按表3選用

(5)氧氣調(diào)理閥前宜設(shè)過濾器。氧氣過濾器殼體應(yīng)用不銹鋼或銅及銅合金，過濾器內(nèi)件應(yīng)用銅及銅合金。濾網(wǎng)宜優(yōu)先選用鎳銅合金材質(zhì)，其次為銅合金材質(zhì)，網(wǎng)孔尺寸宜為60-80目。

2.3氧氣閥門選用

(1)氧氣管道的閥門應(yīng)選用專用氧氣閥門；

(2)公稱壓力大于或等于1.0mpa且公稱直徑大于或等于150mm口徑的手動氧氣閥門，選用帶旁通的閥門；

(3)經(jīng)常操作的公稱壓力大于或等于1.0mpa且公稱直徑大于或等于150mm口徑的氧氣閥門,宜采用氣動遙控閥門。

2.4氧氣流速

氧氣管道中的最高工況流速，根據(jù)管道材質(zhì)、工作壓力及工作溫度來確定。

2.5防雷、防靜電接地措施

制氧站區(qū)架空氧氣管道應(yīng)在管道分岔處、與架空電纜的交織處、無分岔管道每隔80-100