探討空分裝置立式液氧泵的管道設(shè)計(jì)及運(yùn)行過(guò)程中的問(wèn)題

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(jì)需要滿足的條件，圍繞立式液氧泵管道的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)界定、管道管口載荷校驗(yàn)、液氧泵管道法蘭泄露三項(xiàng)環(huán)節(jié)，基于實(shí)例介紹了空分裝置立式液氧泵管道設(shè)計(jì)過(guò)程。該液氧泵運(yùn)行一個(gè)月后，發(fā)生液氧泵冷箱底部結(jié)霜的問(wèn)題，通過(guò)CAESAR II模型對(duì)泄漏原因進(jìn)行查找及分析，最終成功找到泄漏點(diǎn)和導(dǎo)致該問(wèn)題的原因，經(jīng)過(guò)調(diào)整后成功解決該問(wèn)題。

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

0.引言

空分裝置是指將空氣中的各組分氣體進(jìn)行剝離，進(jìn)而完成氧氣及氮?dú)馍a(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(jìn)而將之輸送到目標(biāo)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(dá)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(jì)運(yùn)行問(wèn)題展開分析。

1.空分裝置立式液氧泵管道的設(shè)計(jì)綜述

空分裝置的運(yùn)行原理為：①使用空壓機(jī)設(shè)備對(duì)空氣加進(jìn)行壓縮;②進(jìn)行分子篩除作業(yè)，將空氣中的水分、二氧化碳、碳?xì)浠衔锏入s質(zhì)剔除;③經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)熱量交換，在上部形成高純度氮?dú)猓谙虏康玫礁呒兌妊鯕?。為保證該過(guò)程順利完成，必須應(yīng)用技術(shù)參數(shù)都達(dá)到要求的液氧泵以及管道。進(jìn)行管道設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要考慮管道的用途。比如與空分裝置立式液氧泵進(jìn)行搭配，目的在于完成低溫液氧的穩(wěn)定運(yùn)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(dá)到相應(yīng)的要求。以此為前提，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)充分考慮經(jīng)濟(jì)因素，設(shè)計(jì)出性價(jià)比最高的管道組成件。需要注意的是，此種管道組成件的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)首先應(yīng)該符合壓力-溫度設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，同時(shí)還必須達(dá)到一次、二次應(yīng)力以及支吊架強(qiáng)度的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

進(jìn)行空分裝置立式液氧泵管道設(shè)計(jì)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(huì)被壓縮成液氧，且溫度達(dá)到-183℃。此種液氧自液氧泵流出，進(jìn)入輸送管道時(shí)，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(wú)法承受來(lái)自低溫液氧的較大壓力，進(jìn)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(shí)，還需考慮的一點(diǎn)是：在操作的狀態(tài)下，由于管口載荷極大，會(huì)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(huì)對(duì)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(lái)源于低溫液氧，可能由多種應(yīng)力構(gòu)成。基于此，只有增強(qiáng)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(zhǎng)度并不短，故必須保證低溫液氧能夠在如此長(zhǎng)的區(qū)段內(nèi)安全、平穩(wěn)地運(yùn)行。為實(shí)現(xiàn)該目的，管道必須能夠承擔(dān)運(yùn)輸過(guò)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(yùn)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(huì)決定液氧自帶的載荷，而此種載荷作用于管道管系時(shí)，必定對(duì)管道造成一定的沖擊;④管道穿過(guò)冷箱時(shí)究竟采用何種密封形式，也會(huì)影響荷載。

（3）進(jìn)行液氧泵出口管道設(shè)計(jì)時(shí)，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(duì)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(jìn)行補(bǔ)償，從而使液氧泵管口的管道在強(qiáng)度、載荷承受能力方面達(dá)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(duì)液氧泵產(chǎn)生的載荷應(yīng)力進(jìn)行部分或全部阻斷，避免液氧泵的正常運(yùn)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(dòng)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(yùn)輸?shù)蜏匾貉醯墓艿馈按┻^(guò)”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(shí)現(xiàn)對(duì)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(fù)面影響。

綜上所述，空分裝置立式液氧泵管道設(shè)計(jì)的必須充分考慮多種形式、從多個(gè)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(jì)人員若發(fā)現(xiàn)某種應(yīng)力及載荷通過(guò)常規(guī)的管道設(shè)計(jì)方式無(wú)法使之有效降低時(shí)，應(yīng)調(diào)整思路，即對(duì)管系應(yīng)力（能夠?qū)е伦冃蔚膽?yīng)力）進(jìn)行合理運(yùn)用，從而達(dá)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(yùn)輸?shù)陌踩浴?/p>

2.基于實(shí)例的空分裝置立式液氧泵管道設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)過(guò)程相關(guān)事項(xiàng)如下。

2.1立式液氧泵管道應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)界定

參照標(biāo)準(zhǔn)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(jì)計(jì)算公式。根據(jù)該企業(yè)的生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)人員經(jīng)過(guò)多次測(cè)算后，將管道管壁厚度設(shè)定為5.6毫米。除此之外，針對(duì)高壓液氧泵出口附近管道設(shè)置固定支架，并對(duì)管系的應(yīng)力及支架載荷進(jìn)行分別計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，審核人員使用CAESAR II（美國(guó)COADE公司研發(fā)的壓力管道應(yīng)力分析專業(yè)軟件，支持對(duì)管道進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)計(jì)算分析）軟件，將檢測(cè)方法設(shè)定為當(dāng)量壓力法，對(duì)可能引發(fā)法蘭泄露的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行校驗(yàn)，最主動(dòng)得出的結(jié)果為：

2.1.1設(shè)計(jì)條件方面

①管線號(hào)界定：OL-0523;

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

③設(shè)計(jì)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(guò)比對(duì)，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(xiàng)參數(shù)均達(dá)到相關(guān)要求。

2.2立式液氧泵管道管口載荷校驗(yàn)

立式液氧泵管道管口載荷校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)有二，其一，管口載荷計(jì)算結(jié)果;其二《API610石油石化及天然氣工業(yè)用離心泵》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)管口載荷的規(guī)范允許值。

經(jīng)過(guò)綜合比對(duì)，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(yàn)

針對(duì)空分裝置歷史液氧泵管道運(yùn)輸?shù)蜏匾貉踹^(guò)程中可能出現(xiàn)的法蘭泄露防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，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(cè)量法，經(jīng)過(guò)內(nèi)壓計(jì)算、一次及二次應(yīng)力校驗(yàn)、立式液氧泵管道管口載荷校驗(yàn)及管道法蘭泄露校驗(yàn)之后可知，此種管道所有參數(shù)均達(dá)到相關(guān)要求，可投入使用。

3.基于實(shí)例的空分裝置立式液氧泵管道運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的問(wèn)題簡(jiǎn)析

本文引為案例的立式液氧泵管口管道運(yùn)行一個(gè)月后，出現(xiàn)如下問(wèn)題：液氧泵冷箱底部結(jié)霜，經(jīng)過(guò)檢測(cè)，技術(shù)人員判斷導(dǎo)致冷箱底部結(jié)霜的可能原因?yàn)橐貉醣霉芫€可能存在泄漏情況，如果放任此項(xiàng)問(wèn)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(shí)間，對(duì)泄漏點(diǎn)位置進(jìn)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(yùn)行停止作業(yè)。待管道溫度恢復(fù)至常溫狀態(tài)之后，對(duì)冷箱內(nèi)的珠光砂也進(jìn)行復(fù)溫處理?，F(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員為了進(jìn)一步探明管道是否存在滲漏的問(wèn)題，將珠光砂完全移出后，觀察管道運(yùn)行情況。在此期間，使用管道設(shè)計(jì)圖紙及安裝施工圖紙、配置圖等資料進(jìn)行對(duì)照分析后得出導(dǎo)致管道發(fā)生滲漏的具體問(wèn)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(gè)，導(dǎo)致液氧在運(yùn)輸?shù)倪^(guò)程中，較長(zhǎng)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(jì)算，需要拆除三個(gè)多余的支架，才可完成對(duì)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(cuò)誤，在進(jìn)行設(shè)計(jì)及安裝過(guò)程中，應(yīng)以材質(zhì)型號(hào)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(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，強(qiáng)度不足，且螺柱并非雙頭形式。經(jīng)過(guò)對(duì)比和軟件模擬，應(yīng)調(diào)整為材質(zhì)型號(hào)為A193.B8C1.2的全螺紋螺柱。

4.針對(duì)空分裝置立式液氧泵管道運(yùn)行期間問(wèn)題的有效解決方式

上文所述的問(wèn)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(yùn)行期間是否存在滲漏低溫液氧情況進(jìn)行全面分析。

4.1分析模型構(gòu)建和計(jì)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(gè)區(qū)域，編號(hào)分別為1～10，逐段進(jìn)行模擬檢測(cè)，得出的結(jié)果為如下。

4.1.1計(jì)算結(jié)果

（1）節(jié)點(diǎn)號(hào)計(jì)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(jì)算結(jié)果分別為120kPa和30kPa;

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

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

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

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

（6）百分比值計(jì)算結(jié)果：17.6%和157.3%。

4.1.2法蘭泄露檢驗(yàn)結(jié)果

（1）節(jié)點(diǎn)編號(hào)：100;

（2）軸向力絕對(duì)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(jì)溫度：-180℃;

（7）允許當(dāng)量應(yīng)力：9927.38kPa;

（8）百分比值：101.46%。

對(duì)上述計(jì)算機(jī)法蘭應(yīng)力及泄露模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)分析和實(shí)踐驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致冷箱底部結(jié)霜的主要原因?yàn)椋旱谝?，空分裝置立式液氧泵出口處管道的技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)方面并沒有問(wèn)題，但在安裝施工過(guò)程中，很多環(huán)節(jié)均存在未嚴(yán)格遵照設(shè)計(jì)圖紙，擅自更改安裝施工計(jì)劃的問(wèn)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(qiáng)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(jì)標(biāo)準(zhǔn)之間存在明顯的差異。第二，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)配置之前，客戶企業(yè)并未將設(shè)計(jì)方案形成書面資料并交給設(shè)計(jì)單位，在部分需要基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況完成最終設(shè)定的環(huán)節(jié)，并非設(shè)計(jì)人員最終決定。換言之，缺乏必要的設(shè)計(jì)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(gè)固定架之間的管道在二次應(yīng)力具體值方面，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)預(yù)定標(biāo)準(zhǔn)，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(duì)此問(wèn)題進(jìn)行深入分析后發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致二次應(yīng)力超出標(biāo)準(zhǔn)的原因?yàn)椋簭墓艿勒w來(lái)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(wú)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(wèn)題成因及初步解決方案，再次進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘查后，決定進(jìn)行初步調(diào)整，最終結(jié)果為：

第一，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行評(píng)估后，認(rèn)為將法蘭泄漏點(diǎn)上方位置與液氧泵法蘭所在位置之間存在“互相對(duì)應(yīng)”的關(guān)系，表明實(shí)際發(fā)生的泄露情況與機(jī)遇CAESAR II軟件計(jì)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(gè)多余支架”的方案可參考。現(xiàn)場(chǎng)完成對(duì)此三個(gè)支架的拆除后，經(jīng)過(guò)查驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)液氧泵出口管道處的成對(duì)法蘭螺栓孔位置出現(xiàn)約13mm的錯(cuò)邊情況。該情況即為初步解決方案中沒有考慮到的問(wèn)題，需立刻進(jìn)行原因分析。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)情況核驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，該問(wèn)題并非設(shè)計(jì)問(wèn)題，同樣出在安裝方面，主要因?yàn)榘惭b人員并未嚴(yán)格遵照安裝規(guī)范和設(shè)計(jì)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(dá)標(biāo)的原因）。在多種因素的共同影響下，當(dāng)管道運(yùn)輸?shù)蜏匾貉鯐r(shí)，發(fā)生了塑性變形;而當(dāng)運(yùn)輸作業(yè)結(jié)束，在一定時(shí)間內(nèi)恢復(fù)至正常溫度后，管道的塑性變形現(xiàn)象無(wú)法逆轉(zhuǎn)（位置變化不可逆）?？傊?，在現(xiàn)場(chǎng)初步調(diào)整作業(yè)結(jié)束后，現(xiàn)場(chǎng)管道呈現(xiàn)出的實(shí)際情況與CAESAR II軟件模擬的法蘭錯(cuò)邊數(shù)值、變形方向、計(jì)算結(jié)果均高度吻合，表明誘發(fā)問(wèn)題的根本因素已經(jīng)確定?；诖?，在完成三個(gè)不合理管道支架的拆除作業(yè)之后，需對(duì)管道進(jìn)行重新配置，具體的標(biāo)準(zhǔn)為：第一，務(wù)必保證法蘭封面處于“自由”的狀態(tài)時(shí)，間隙、錯(cuò)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(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)[2];第二，對(duì)型號(hào)錯(cuò)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(hào)正確。完成上述調(diào)整后，在為期一個(gè)月的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行試運(yùn)行檢測(cè)，未再發(fā)現(xiàn)冷箱底部結(jié)霜情況，表明問(wèn)題得到了根治。

結(jié)語(yǔ)：空分裝置立式液氧泵能夠?qū)⒁貉醯臏囟冉档椭?183℃，運(yùn)輸液氧至空分裝置系統(tǒng)目標(biāo)位置的過(guò)程中，管道將會(huì)承受較大的壓力?；诖?，在設(shè)計(jì)管道時(shí)，必須完成應(yīng)力分析，全面考慮法蘭相關(guān)問(wèn)題。在運(yùn)行期間，如果出現(xiàn)液氧泄漏情況，須通過(guò)法蘭泄露分析的方式，盡快找到泄漏點(diǎn)和導(dǎo)致該問(wèn)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(xiàn)：

[1]亓峰，王永鋒.空分裝置高壓蒸汽管道在設(shè)計(jì)中的常見問(wèn)題分析及改進(jìn)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(jì)及運(yùn)行過(guò)程中的問(wèn)題分析處理[J].化工設(shè)備與管道，2019，56（02）：70-72+84.

（杭州杭氧化醫(yī)工程有限公司，浙江杭州 310012）