李 霞，陳 靜

（1.上海梅山工業(yè)民用工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇南京 210039；2.湖南化工醫(yī)藥設(shè)計(jì)院，湖南長沙 410021）

淺談鋼鐵廠氧氣管道的設(shè)計(jì)

李 霞1，陳 靜2

（1.上海梅山工業(yè)民用工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇南京 210039；2.湖南化工醫(yī)藥設(shè)計(jì)院，湖南長沙 410021）

論述了鋼鐵廠氧氣管道設(shè)計(jì)中的管道材質(zhì)、管徑、壁厚、管件、閥門及配套法蘭墊片的選擇，管道焊縫檢測，壓力試驗(yàn)及氣密性試驗(yàn)，為鋼鐵廠氧氣管道的安全設(shè)計(jì)提供參考。

鋼鐵廠；氧氣管道；設(shè)計(jì)

在鋼鐵企業(yè)中，氧氣對高爐煉鐵生產(chǎn)有著極為重要的作用，富氧鼓風(fēng)操作是往高爐鼓風(fēng)中摻混氧氣，使鼓風(fēng)含氧量超過大氣含氧量，目的是提高冶煉強(qiáng)度以增加高爐產(chǎn)量。隨著高爐冶煉的技術(shù)進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)富氧還能發(fā)揮高風(fēng)溫、噴吹燃料降低焦比的作用。所以高爐富氧在當(dāng)今鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)中的作用不可或缺。鋼鐵廠一般用氧純度≥99.96%，壓力通常為0.4～1.8MPa，具有純度高和壓力高的特點(diǎn)，氧氣本身是一種助燃?xì)怏w，極易引起火災(zāi)從而影響高爐生產(chǎn)順行及終產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，合理的氧氣管道設(shè)計(jì)可以減少或者避免事故的發(fā)生。作者根據(jù)自己多年的燃?xì)夤艿涝O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合2015年梅山鋼鐵公司2號高爐大修工程新建氧氣減壓閥站的設(shè)計(jì)，現(xiàn)從設(shè)計(jì)方面談?wù)勅绾未_保設(shè)計(jì)的規(guī)范合理，為氧氣管道的安全設(shè)計(jì)提供一些參考。

2 氧氣減壓閥站的流程

來自南京梅山普萊克斯氧氣球罐區(qū)的氧氣送至本項(xiàng)目閥站外1m，總管為DN150，進(jìn)口設(shè)置切斷總閥，留吹掃及放散頭，閥后設(shè)置阻火器，過濾器，現(xiàn)場壓力表監(jiān)測過濾器使用效果，為過濾器的濾芯更換提供依據(jù)，后設(shè)置流量計(jì)，流量計(jì)前后預(yù)留足夠的直管段，經(jīng)過自立式減壓閥后管道壓力變低，管道擴(kuò)徑至DN200，設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥（由高爐工藝操作和控制流量及壓力微調(diào)），調(diào)節(jié)閥后設(shè)置安全閥，以保之后的管道及設(shè)備安全，安全閥后設(shè)置閥站內(nèi)最后一道閥門–快速氣動(dòng)切斷閥，以備高爐緊急減風(fēng)操作停氧，沿途敷設(shè)至高爐本體附近的冷風(fēng)總管，進(jìn)風(fēng)管前設(shè)置止回閥及手動(dòng)氧氣切斷閥，止回閥用于預(yù)防冷風(fēng)倒入氧氣管道引起燃爆事故。流程如圖1所示：

3 嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)規(guī)范并結(jié)合工程實(shí)際優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 合理選擇管材

在工作壓力大于0.6MPa時(shí)，氧氣管道不宜選用碳鋼材質(zhì)，本工程中氧氣減壓閥站閥門密集，三通、彎頭及變徑管很多，進(jìn)入氧氣減壓閥站的氧氣壓力為1.6MPa，所以在本項(xiàng)目中閥站內(nèi)氧氣管道全部選用奧氏體不銹鋼無縫鋼管。經(jīng)氧氣減壓閥站后進(jìn)入高爐本體附近管線復(fù)雜，而高爐富氧對高爐高產(chǎn)不可或缺，綜合權(quán)衡投資投入及帶來的利潤，本項(xiàng)目所有氧氣管道均選擇奧氏體不銹鋼材質(zhì)。

3.2 合理選擇管徑

來自南京梅山普萊克斯氧氣球罐區(qū)的氧氣最大流量達(dá)到10 000m3/h，壓力為1.6MPa。按最大流速計(jì)算管徑r=0.061m，為確保氧氣的流速不超過規(guī)定值，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)流速，確

圖1 氧氣減壓閥站流程圖

定管線公稱直徑為DN150。根據(jù)終端用戶高爐富氧需要，該氧氣減壓后工作壓力約0.4 MPa，按最大流速計(jì)算管徑r= 0.086m，為確保氧氣的流速不超過規(guī)定值，同時(shí)考慮到經(jīng)濟(jì)流速，確定管線公稱直徑為DN200。

3.3 合理選擇管道壁厚

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)直管計(jì)算厚度ts小于管子外徑D0的1/6時(shí)，承受內(nèi)壓直管的計(jì)算厚度不應(yīng)小于式（1）的計(jì)算值。

式中 ts—直管計(jì)算厚度（mm）；

p—設(shè)計(jì)壓力（MPa）；

D0—管子外徑（mm）；

[σ]t—在設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力（MPa）；

Ej—焊接接頭系數(shù)；

tsd—直管設(shè)計(jì)厚度（mm）；

C—厚度附加量之和（mm）；

C1—厚度減薄附加量（mm）；

C2—腐蝕或腐蝕附加量（mm）；

Y—計(jì)算系數(shù)。

式中設(shè)計(jì)溫度為常溫，一般取50℃，根據(jù)規(guī)范0Cr18Ni9在50℃時(shí)材料的許用應(yīng)力[σ]t為114MPa，焊接接頭系數(shù)Ej的取值為1，計(jì)算系數(shù)Y的取值為0.4。

3.3.1 管道壁厚計(jì)算

管道壁厚計(jì)算計(jì)算見表1。

表1 管道計(jì)算壁厚

3.3.2 厚度附加量

（1）C1厚度減薄附加量（mm），取鋼管允許厚度負(fù)偏差。根據(jù)規(guī)定：

熱軋（擠、擴(kuò)）鋼管壁厚＜15mm時(shí)，普通級允許厚度負(fù)偏差（12.5%）

高級允許厚度負(fù)偏差（12.5%）；

熱軋（擠、擴(kuò)）鋼管壁厚≥15mm時(shí)，普通級允許厚度負(fù)偏差（15%）

高級允許厚度負(fù)偏差（12.5%）；

冷拔（軋）鋼管壁厚≤3mm時(shí)，普通級允許厚度負(fù)偏差（14%）

高級允許厚度負(fù)偏差（10%）；

冷拔（軋）鋼管壁厚＞3mm時(shí)，普通級允許厚度負(fù)偏差（10%δ）

高級允許厚度負(fù)偏差（10%）。

綜上所述，考慮到氧氣管道用鋼管為熱軋（擠、擴(kuò)）鋼管，故厚度負(fù)偏差應(yīng)按照上面規(guī)定選擇。

（2）C2腐蝕附加量（mm），0Cr18Ni9鋼管的腐蝕裕量取0mm。

3.3.3 管道的設(shè)計(jì)厚度

管道設(shè)計(jì)壁厚見表2。

表2 管道設(shè)計(jì)壁厚

3.4 合理選擇管道管件

本項(xiàng)目中的彎頭、三通及變徑管均宜采用壓制對焊成品件。在施工現(xiàn)場不得開孔和插接。所有成品件管件的內(nèi)壁均應(yīng)平滑，無毛刺及焊瘤，以減少摩擦，防止氧氣減壓閥站燃爆事故發(fā)生。

3.5 合理選用閥門

氧氣管道閥門是氧氣管網(wǎng)上的主要控制設(shè)備，也是事故多發(fā)點(diǎn)。氧氣管道閥門應(yīng)選用氧氣專用閥門，氧氣專用閥門的閥體材質(zhì)為銅合金或鎳基合金，一般為硅黃銅（氧氣壓力低時(shí)可選用不銹鋼、鑄鋼或球墨鑄鐵），阻燃性能好，摩擦、沖擊時(shí)不會產(chǎn)生火花。公稱壓力p≥1.0MPa且DN≥150mm的手動(dòng)氧氣閥門宜選用帶旁通的閥門，以方便操作，保證開閥安全。這類閥門若不帶均壓小旁通閥，突然打開主閥，大壓差會造成閥門出口側(cè)氧氣壓力驟升，高速氧氣流摩擦升溫，另外，如若氧氣壓力高，不帶均壓小旁通閥的手動(dòng)閥在現(xiàn)場開關(guān)閥門非常困難。若設(shè)置均壓小旁通閥，先緩慢開啟此小旁通閥均壓，出口側(cè)緩慢升壓，與進(jìn)口側(cè)壓差減小就避免了流速過快而導(dǎo)致溫升過高。本項(xiàng)目中管徑DN≥150mm的管道均選用配帶小旁通閥的閥門。

3.6 合理選用管道中的法蘭墊片

氧氣管道的法蘭墊片密封性要好，忌用可燃物。根據(jù)規(guī)范法蘭墊片的選擇如下表3。

表3 氧氣管道法蘭的墊片

鋼鐵廠用氧壓力主要在p≤0.6MPa、0.6 MPa

3.7 閥門后及管段中合理設(shè)置阻火器

作為與氧氣減壓閥站外分隔的節(jié)點(diǎn)，進(jìn)入氧氣減壓閥站的第一道總閥后設(shè)置一套閥后阻火器。如果是長距離輸氧管道，每隔400m左右設(shè)置一套管道阻火器，本項(xiàng)目站外至高爐本體附近的冷風(fēng)管道約300m，所以不設(shè)置阻火器。

3.8 按規(guī)范提出檢測要求、壓力試驗(yàn)、氣密性檢查

本工程管道采用氣壓試驗(yàn)，工作壓力1.6MPa，設(shè)計(jì)壓力1.8MPa。依據(jù)規(guī)范要求，應(yīng)100%射線探傷檢測，焊縫質(zhì)量等級不低于2級。本工程中管道設(shè)計(jì)壓力為1.8MPa，氣壓試驗(yàn)壓力為1.15倍設(shè)計(jì)壓力即2.07MPa。強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，緩慢升壓，升至試驗(yàn)壓力保壓30min，以保證有足夠時(shí)間對管道變形等情況進(jìn)行檢查。強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)束后，壓力降至設(shè)計(jì)壓力，進(jìn)行氣密性試驗(yàn)，保壓24h，計(jì)算每小時(shí)泄漏率，應(yīng)符合規(guī)范中室外管道泄漏率不大于0.5%的要求。

4 結(jié)束語

2016年3月，伴隨著梅山鋼鐵公司2號高爐開爐，氧氣減壓閥站成功投用，一年多來為高爐順行高產(chǎn)提供了必要保障，運(yùn)行狀況良好。氧氣具有強(qiáng)氧化性、助燃性，且純度越高，壓力越高，危險(xiǎn)性越大，要深刻認(rèn)識氧氣的特性，嚴(yán)格執(zhí)行國家的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，切實(shí)從設(shè)計(jì)這一基礎(chǔ)環(huán)節(jié)把好關(guān)，從根本上保證氧氣管網(wǎng)的安全穩(wěn)定順行。

[1] GB16912-2008，深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程[S].

[2] GB 50030-2012，氧氣站設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] GB/T 20801-2006，壓力管道規(guī)范[S].

Design of Oxygen Pipeline in Steel Plant

Li Xia，Chen Jing

Discuss the options of the material，diameter，thickness，tube piece，valve and gasket about oxygen pipeline，the detection of welding line，the experiments of the pressure and the gas tightness，and provide a reference for the design of oxygen piping in iron and steel works.

iron and steel work；oxygen pipeline；design

TF083.4

A

1003–6490（2017）03–0103–02

2017–02–06

李霞（1979—），女，河南信陽人，工程師，主要從事煤化工設(shè)計(jì)工作。