李晶晶

摘 要：本文梳理了空分裝置中立式液氧泵管道設(shè)計需要滿足的條件，圍繞立式液氧泵管道的應(yīng)力標準界定、管道管口載荷校驗、液氧泵管道法蘭泄露三項環(huán)節(jié)，基于實例介紹了空分裝置立式液氧泵管道設(shè)計過程。該液氧泵運行一個月后，發(fā)生液氧泵冷箱底部結(jié)霜的問題，通過CAESAR II模型對泄漏原因進行查找及分析，最終成功找到泄漏點和導(dǎo)致該問題的原因，經(jīng)過調(diào)整后成功解決該問題。

關(guān)鍵詞：空分裝置;立式液氧泵;管道設(shè)計;底部結(jié)霜問題;管口載荷校驗

0.引言

空分裝置是指將空氣中的各組分氣體進行剝離，進而完成氧氣及氮氣生產(chǎn)的一套工業(yè)設(shè)備[1]。其中，液氧泵的作用必不可少。該設(shè)備是一種低溫液體泵，能夠提升液氧的壓力，進而將之輸送到目標位置。立式液氧泵是一種立式徑向剖分多極低溫液氧泵，適用于輸送低溫液氧（溫度可達到-183℃）。為配合此種液氧泵完成低溫液氧的輸送，需搭配性能適宜的管道。本文圍繞此種管道的設(shè)計運行問題展開分析。

1.空分裝置立式液氧泵管道的設(shè)計綜述

空分裝置的運行原理為：①使用空壓機設(shè)備對空氣加進行壓縮;②進行分子篩除作業(yè)，將空氣中的水分、二氧化碳、碳氫化合物等雜質(zhì)剔除;③經(jīng)過處理后的空氣中的一部分被送往精餾塔的上塔區(qū)域，另一部分經(jīng)過膨脹器膨脹制冷處理后，送入下塔;④精餾塔中的上升蒸汽和下落液體經(jīng)過熱量交換，在上部形成高純度氮氣，在下部得到高純度氧氣。為保證該過程順利完成，必須應(yīng)用技術(shù)參數(shù)都達到要求的液氧泵以及管道。進行管道設(shè)計時，首先需要考慮管道的用途。比如與空分裝置立式液氧泵進行搭配，目的在于完成低溫液氧的穩(wěn)定運輸?shù)墓艿?，在性質(zhì)、壓力、溫度、操作工況、外部環(huán)境方面都需要達到相應(yīng)的要求。以此為前提，設(shè)計人員還應(yīng)充分考慮經(jīng)濟因素，設(shè)計出性價比最高的管道組成件。需要注意的是，此種管道組成件的強度標準首先應(yīng)該符合壓力-溫度設(shè)計準則，同時還必須達到一次、二次應(yīng)力以及支吊架強度的相關(guān)標準。

進行空分裝置立式液氧泵管道設(shè)計的具體要求如下：

（1）如本文引言部分所述，在立式徑向剖分多極低溫液氧泵的作用下，自蒸餾塔中生成的氧氣會被壓縮成液氧，且溫度達到-183℃。此種液氧自液氧泵流出，進入輸送管道時，管口必定承受極大的載荷。因此，根據(jù)物理學(xué)基本原理，管道管口的厚度必須足夠，否則無法承受來自低溫液氧的較大壓力，進而在沖擊作用下出現(xiàn)裂痕，導(dǎo)致泄漏。但僅僅增加管口管壁的厚度是不夠的，還需提升管道材質(zhì)的剛度系數(shù)。與此同時，還需考慮的一點是：在操作的狀態(tài)下，由于管口載荷極大，會導(dǎo)致二次產(chǎn)生的應(yīng)力較為復(fù)雜。換言之，低溫液氧字液氧泵流出后，首先會對管道管口造成一次沖擊;之后，受一次沖擊影響，管口受到的二次沖擊應(yīng)力可能不僅僅來源于低溫液氧，可能由多種應(yīng)力構(gòu)成。基于此，只有增強管口管壁厚度，使用剛度系數(shù)較大的材質(zhì)，才能抵御一次、二次應(yīng)力沖擊。

（2）自液氧泵出口開始，到高壓換熱器為止的管道管系長度并不短，故必須保證低溫液氧能夠在如此長的區(qū)段內(nèi)安全、平穩(wěn)地運行。為實現(xiàn)該目的，管道必須能夠承擔(dān)運輸過程中的二次應(yīng)力。有研究表明，能夠?qū)σ貉醣贸隹诠芟党惺艿亩螒?yīng)力以及管道荷載產(chǎn)生較大的影響的主要因素為：①立式液氧泵和高壓換熱器在垂直方向可能出現(xiàn)的變形情況;②運輸?shù)蜏匾貉醯墓艿拦芟翟谒椒较蚩赡艹霈F(xiàn)的變形情況;③設(shè)備出口處的閥門與冷箱的連接方式會決定液氧自帶的載荷，而此種載荷作用于管道管系時，必定對管道造成一定的沖擊;④管道穿過冷箱時究竟采用何種密封形式，也會影響荷載。

（3）進行液氧泵出口管道設(shè)計時，需要考慮吹掃要求，具體而言：第一，調(diào)整法蘭、墊片、緊固件的設(shè)置方式，可使用回型結(jié)構(gòu)完成布置。此種布置方式的目的在于：對泵體管口處管道管系因受垂直方向出現(xiàn)變形而產(chǎn)生的二次應(yīng)力進行補償，從而使液氧泵管口的管道在強度、載荷承受能力方面達到既定要求。第二，完成固定架的設(shè)置。此種裝置存在的目的在于，可使液氧泵出口處止回閥后方管系對液氧泵產(chǎn)生的載荷應(yīng)力進行部分或全部阻斷，避免液氧泵的正常運轉(zhuǎn)受到影響。第三，設(shè)置于液氧泵出口的截止閥宜選用角式形式，且與冷箱之間的連接方式應(yīng)以“浮動式”為主。該截止閥的支架采用常規(guī)的托架式即可滿足管系載荷應(yīng)力要求。第四，運輸?shù)蜏匾貉醯墓艿馈按┻^”冷箱的部分，與冷箱之間的接觸方式必須保持密封性，可采用一種較為特殊的“軟連接”方式。此種方式的主要作用為：①實現(xiàn)對大小兩種冷箱的隔絕;②根據(jù)具體的設(shè)置，在不同程度上降低一部分因管系變形而產(chǎn)生的負面影響。

綜上所述，空分裝置立式液氧泵管道設(shè)計的必須充分考慮多種形式、從多個方向產(chǎn)生作用的載荷應(yīng)力。需要指出的是，一次、二次應(yīng)力是不可避免的，故設(shè)計人員若發(fā)現(xiàn)某種應(yīng)力及載荷通過常規(guī)的管道設(shè)計方式無法使之有效降低時，應(yīng)調(diào)整思路，即對管系應(yīng)力（能夠?qū)е伦冃蔚膽?yīng)力）進行合理運用，從而達到降低管道承受的二次應(yīng)力、管架載荷的目的，全面提升管道管系的承載力、保證低溫液氧運輸?shù)陌踩浴?/p>

2.基于實例的空分裝置立式液氧泵管道設(shè)計過程

本文選用的案例為某化工企業(yè)新近引入的空分裝置高壓液氧泵出口管線管系段，設(shè)計過程相關(guān)事項如下。

2.1立式液氧泵管道應(yīng)力標準界定

參照標準為《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道》GB/T 20801.3-2006中的第三部分——直管內(nèi)壓設(shè)計計算公式。根據(jù)該企業(yè)的生產(chǎn)需求，設(shè)計人員經(jīng)過多次測算后，將管道管壁厚度設(shè)定為5.6毫米。除此之外，針對高壓液氧泵出口附近管道設(shè)置固定支架，并對管系的應(yīng)力及支架載荷進行分別計算。在此基礎(chǔ)上，審核人員使用CAESAR II（美國COADE公司研發(fā)的壓力管道應(yīng)力分析專業(yè)軟件，支持對管道進行動靜態(tài)計算分析）軟件，將檢測方法設(shè)定為當(dāng)量壓力法，對可能引發(fā)法蘭泄露的相關(guān)參數(shù)進行校驗，最主動得出的結(jié)果為：

2.1.1設(shè)計條件方面

①管線號界定：OL-0523;

②介質(zhì)名稱：低溫（常態(tài)運輸溫度-183℃，最低溫度可達--196℃）液氧;

③設(shè)計壓力：7.6MPa;

④管線公稱直徑：80mm;

⑤介質(zhì)密度：0.0011kg/cm;

⑥管道制成材料選擇：O6Cr19Ni10;

經(jīng)過比對，空分裝置歷史液氧泵出口管線管系段的一次應(yīng)力工況、二次應(yīng)力工況各項參數(shù)均達到相關(guān)要求。

2.2立式液氧泵管道管口載荷校驗

立式液氧泵管道管口載荷校驗標準有二，其一，管口載荷計算結(jié)果;其二《API610石油石化及天然氣工業(yè)用離心泵》標準中對管口載荷的規(guī)范允許值。

經(jīng)過綜合比對，立式液氧泵管道管口所承受的壓力和力矩均符合相關(guān)規(guī)范，技術(shù)參數(shù)完全合格。

2.3立式液氧泵管道法蘭泄露校驗

針對空分裝置歷史液氧泵管道運輸?shù)蜏匾貉踹^程中可能出現(xiàn)的法蘭泄露防護標準進行校驗時，同樣需借助CAESAR II軟件，其中常用的方法不止一種。本文選用的案例采用常規(guī)的當(dāng)量壓力測量法，經(jīng)過內(nèi)壓計算、一次及二次應(yīng)力校驗、立式液氧泵管道管口載荷校驗及管道法蘭泄露校驗之后可知，此種管道所有參數(shù)均達到相關(guān)要求，可投入使用。

3.基于實例的空分裝置立式液氧泵管道運行過程中發(fā)生的問題簡析

本文引為案例的立式液氧泵管口管道運行一個月后，出現(xiàn)如下問題：液氧泵冷箱底部結(jié)霜，經(jīng)過檢測，技術(shù)人員判斷導(dǎo)致冷箱底部結(jié)霜的可能原因為液氧泵管線可能存在泄漏情況，如果放任此項問題發(fā)展，除了影響生產(chǎn)效率之外，還有可能造成惡性事故。結(jié)合低溫液氧泵底部結(jié)霜面積的大小、時間，對泄漏點位置進行初步鎖定之后，技術(shù)人員建議用戶企業(yè)按照常規(guī)的安全操作規(guī)程，完成低溫液氧泵的運行停止作業(yè)。待管道溫度恢復(fù)至常溫狀態(tài)之后，對冷箱內(nèi)的珠光砂也進行復(fù)溫處理。現(xiàn)場技術(shù)人員為了進一步探明管道是否存在滲漏的問題，將珠光砂完全移出后，觀察管道運行情況。在此期間，使用管道設(shè)計圖紙及安裝施工圖紙、配置圖等資料進行對照分析后得出導(dǎo)致管道發(fā)生滲漏的具體問題：

第一，立式低溫液氧泵管道出口管導(dǎo)處設(shè)置的支架數(shù)量多出三個，導(dǎo)致液氧在運輸?shù)倪^程中，較長的管道在部分位置出現(xiàn)偏移情況，致使局部環(huán)境溫度發(fā)生變化，最終導(dǎo)致冷箱底部結(jié)霜。按照計算，需要拆除三個多余的支架，才可完成對此種情況的調(diào)整。

第二，立式液氧泵管道出口處管道的法蘭密封墊材質(zhì)選擇出現(xiàn)錯誤，在進行設(shè)計及安裝過程中，應(yīng)以材質(zhì)型號為2232的金屬材料完成纏繞墊的制作。

第三，固定法蘭所用的裝置中，有部分螺栓的性能、材質(zhì)選擇未達到相關(guān)標準，強度不足，且螺柱并非雙頭形式。經(jīng)過對比和軟件模擬，應(yīng)調(diào)整為材質(zhì)型號為A193.B8C1.2的全螺紋螺柱。

4.針對空分裝置立式液氧泵管道運行期間問題的有效解決方式

上文所述的問題發(fā)生原因分析及解決方式僅僅是初步意見。在此基礎(chǔ)上，需圍繞立式液氧泵管道運行期間是否存在滲漏低溫液氧情況進行全面分析。

4.1分析模型構(gòu)建和計算結(jié)果

基于CAESAR II軟件的分析模型夠成為：自空分裝置立式液氧泵出口開始，直到冷箱為止的管道共劃定為10個區(qū)域，編號分別為1～10，逐段進行模擬檢測，得出的結(jié)果為如下。

4.1.1計算結(jié)果

（1）節(jié)點號計算結(jié)果：一次應(yīng)力和二次應(yīng)力（下文同此分列順序）的計算結(jié)果分別為120kPa和30kPa;

（2）彎曲應(yīng)力計算結(jié)果：1418.6kPa和487609.5kPa;

（3）扭轉(zhuǎn)應(yīng)力計算結(jié)果：88.9kPa和-7567.8kPa;

（4）規(guī)范應(yīng)力計算結(jié)果：224073.5kPa和500316.7kPa;

（5）允許應(yīng)力值計算結(jié)果：137013kPa和319549.6kPa;

（6）百分比值計算結(jié)果：17.6%和157.3%。

4.1.2法蘭泄露檢驗結(jié)果

（1）節(jié)點編號：100;

（2）軸向力絕對值：11859N;

（3）彎矩：339N·m;

（4）法蘭墊片上的有效部分直徑111.27mm;

（5）當(dāng)量壓力：10078.6kPa;

（6）設(shè)計溫度：-180℃;

（7）允許當(dāng)量應(yīng)力：9927.38kPa;

（8）百分比值：101.46%。

對上述計算機法蘭應(yīng)力及泄露模擬計算結(jié)果進行比對分析和實踐驗證后發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致冷箱底部結(jié)霜的主要原因為：第一，空分裝置立式液氧泵出口處管道的技術(shù)參數(shù)設(shè)計方面并沒有問題，但在安裝施工過程中，很多環(huán)節(jié)均存在未嚴格遵照設(shè)計圖紙，擅自更改安裝施工計劃的問題。比如上文提到的固定法蘭密封墊施工期間，除了選用的用于固定的裝置的螺栓材質(zhì)強度不符合相關(guān)要求外，法蘭密封墊的數(shù)量、緊固件及管架的樣式、數(shù)量等同樣與設(shè)計標準之間存在明顯的差異。第二，進行現(xiàn)場配置之前，客戶企業(yè)并未將設(shè)計方案形成書面資料并交給設(shè)計單位，在部分需要基于現(xiàn)場實際情況完成最終設(shè)定的環(huán)節(jié)，并非設(shè)計人員最終決定。換言之，缺乏必要的設(shè)計許可。第三，CAESAR II軟件構(gòu)建模型并完成分析后發(fā)現(xiàn)，自空分裝置立式液氧泵出口處管道的法蘭開始，直到出口法蘭第一個固定架之間的管道在二次應(yīng)力具體值方面，遠遠超過預(yù)定標準，換言之，該處管道的相關(guān)參數(shù)并不足以承受法蘭泄露壓力。對此問題進行深入分析后發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致二次應(yīng)力超出標準的原因為：從管道整體來看，其他區(qū)段的管道柔性足以承擔(dān)其他區(qū)段管道承受的二次應(yīng)力，但同樣的柔性參數(shù)在此區(qū)段卻無法承受該區(qū)段的二次應(yīng)力。具體而言，法蘭前后承受的壓力（或者是力矩）超出了最大允許值，最終導(dǎo)致管發(fā)生法蘭泄露情況。

4.2具體調(diào)整方式

根據(jù)上文所述的問題成因及初步解決方案，再次進行現(xiàn)場勘查后，決定進行初步調(diào)整，最終結(jié)果為：

第一，結(jié)合現(xiàn)場實際情況進行評估后，認為將法蘭泄漏點上方位置與液氧泵法蘭所在位置之間存在“互相對應(yīng)”的關(guān)系，表明實際發(fā)生的泄露情況與機遇CAESAR II軟件計算得出的結(jié)果相吻合。因此，初步解決方案中有關(guān)“拆除三個多余支架”的方案可參考?，F(xiàn)場完成對此三個支架的拆除后，經(jīng)過查驗，發(fā)現(xiàn)液氧泵出口管道處的成對法蘭螺栓孔位置出現(xiàn)約13mm的錯邊情況。該情況即為初步解決方案中沒有考慮到的問題，需立刻進行原因分析。經(jīng)過現(xiàn)場情況核驗后發(fā)現(xiàn)，該問題并非設(shè)計問題，同樣出在安裝方面，主要因為安裝人員并未嚴格遵照安裝規(guī)范和設(shè)計圖紙的相關(guān)要求，加之之前的管道支架數(shù)量設(shè)置及安裝位置選擇均出現(xiàn)了偏差（有管道柔性未達標的原因）。在多種因素的共同影響下，當(dāng)管道運輸?shù)蜏匾貉鯐r，發(fā)生了塑性變形;而當(dāng)運輸作業(yè)結(jié)束，在一定時間內(nèi)恢復(fù)至正常溫度后，管道的塑性變形現(xiàn)象無法逆轉(zhuǎn)（位置變化不可逆）。總之，在現(xiàn)場初步調(diào)整作業(yè)結(jié)束后，現(xiàn)場管道呈現(xiàn)出的實際情況與CAESAR II軟件模擬的法蘭錯邊數(shù)值、變形方向、計算結(jié)果均高度吻合，表明誘發(fā)問題的根本因素已經(jīng)確定?；诖?，在完成三個不合理管道支架的拆除作業(yè)之后，需對管道進行重新配置，具體的標準為：第一，務(wù)必保證法蘭封面處于“自由”的狀態(tài)時，間隙、錯邊等參數(shù)在ASME PCC-1-2010《壓力邊界螺栓法蘭連接安裝指南》的標準范圍內(nèi)[2];第二，對型號錯誤的法蘭密封墊以及緊固件予以更換，務(wù)必保證材質(zhì)、型號正確。完成上述調(diào)整后，在為期一個月的時間內(nèi)進行試運行檢測，未再發(fā)現(xiàn)冷箱底部結(jié)霜情況，表明問題得到了根治。

結(jié)語：空分裝置立式液氧泵能夠?qū)⒁貉醯臏囟冉档椭?183℃，運輸液氧至空分裝置系統(tǒng)目標位置的過程中，管道將會承受較大的壓力?；诖耍谠O(shè)計管道時，必須完成應(yīng)力分析，全面考慮法蘭相關(guān)問題。在運行期間，如果出現(xiàn)液氧泄漏情況，須通過法蘭泄露分析的方式，盡快找到泄漏點和導(dǎo)致該問題的原因并加以解決，使管道能夠承擔(dān)輸送低溫液氧的任務(wù)。

參考文獻：

[1]亓峰，王永鋒.空分裝置高壓蒸汽管道在設(shè)計中的常見問題分析及改進措施[J].肥料與健康，2020，47（03）：50-52.

[2]閆俊超，李超.空分裝置立式液氧泵的管道設(shè)計及運行過程中的問題分析處理[J].化工設(shè)備與管道，2019，56（02）：70-72+84.

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