刘超
核工业工程研究设计有限公司 北京 101300
内容摘要：
气站管道作为压力管道的一部分，其选材与布置对工程的系统组成简单、工程条件单一，通过分析影响气站管道选材和布置的关键因素，以最简单的方法确定合适的管材和确定管道布置应考虑的因素。
关键词：气站 管道 选材 布置
引言：
本文中所指的气站是指利用储罐储存液化气体，通过汽化器连续气化低温液化气体，源源不断输出具有一定压力的供气系统。
该类气站规模较小，常见的介质为氧气、氮气、氩气、二氧化碳，广泛应用于食品、医辽、制造等行业或临时供气点。例如饮料厂二氧化碳系统、医院供氧设施、汽车车间焊接保护气系统等。没有专门的标准规范对该类项目进行归类分析。
本文旨在给从事该工作的初学者提供一点思路，也希望对相关项目的管道设计有一定的指导作用。
1.气站
1.1.定义
气站是指利用储罐储存液化气体，通过汽化器连续气化低温液化气体，源源不断输出具有一定压力的供气系统。
1.2.组成
气站系统由三部分组成：液化气体储罐、气化器、调压装置,其中：
低温储罐 根据储罐内介质的不同，设计温度介于-196～-40℃，容积介于5～50m3，工作压力为1.0～2.2Mpa。储罐采用双层容器组成，外层为碳钢，内层为不锈钢，内外两层之间充入珍珠岩并使其成为真空，以获得极高的绝热效果。内筒体由安全阀与防爆膜来共同保证内筒体的安全，共有两套，两套可同时使用，也可以一备一用。外筒顶部设有防爆装置，用以确促使储罐外筒体安全。
气化器 国内使用的气化器有电热式、电热水浴式、热木循环式、空温式几种，其中空温式气化器利用空气自然对流加热低温气体，其运行费用远远低于其它气化炉，因此越来越受到青睐。
调压装置
调压装置的作用主要是将气化后的气体的压力调节至用气点所需的压力。通常是由特定的安全阀、压力表、减压阀、截止阀等组合使用，以达到减压的效果。
阀门
阀门是控制流动的流体介质的流量、流向、压力、温度等的机械装置，是管道系统中基本的部件。
2.气站管道
常见气站有氧气站、 氮气站、氩气站以及二氧化碳气站，气站主要介质工作参数如下：
表1气站介质工作参数
由此可知，气站管道的工作压力均不高于2.2Mpa,根据根据国家质量监督检验检疫总局最新公布的对压力管道的定义和GB/T 20801.1-2006 《压力管道规范－工业管道》的定义与分级，当气站和管道的管径不小于DN50时，气站管道为GC2级或GC3级。
原本公称直径小于150mm的调压装置后的氮气、氩气以及二氧化碳气体管道不再属于CG3管道，根据GB20801.5-2006的相关规定，管道的探伤及检验标准有所下降，设计时应注意。
3.管道选材
气站管道压力较低，故一般管道均可满足其压力要求。储罐与气化器之间的管道内介质温度较低，最低工作温度为-196℃，最高工作温度为-40℃，液化气体由于低温特性，会使其接触的物质变得非常脆。所以影响气站管道选材的控制因素主要是温度，应选用耐低温的材料。
根据GB20801.2-2006：
金属材料随温度下降可能发生韧性向脆性的转变，工程上最常用的为20#钢, 韧—脆性转变温度在- 40 ℃左右, 一般建议用在- 20 ℃以上温度, 以确保安全。但如果用于低于- 20 ℃时,应根据GB50235 -200《工业金属管道工程施工及验收规范》的规定必须做同温度下的冲击韧性试验, 确定其韧—脆性转变温度。若需选用更低温度的管道用钢，一般可选用含Ni、Mn 等可明显改善钢材低温脆性的材料。低温用钢采用2. 25 %的镍钢, 可用于- 60 ℃的工况； 采用3. 5 %的镍钢， 可用于- 100 ℃的工况， 这两种钢均为铁素体钢。而采用9 %的镍钢， 可用于- 120～ -196 ℃的工况，这种钢为马氏体钢。而18 - 8 型奥氏体不锈钢则可用于- 196 ℃以下的更低温度。
因此，当介质为液态二氧化碳管道时，可采用铁素体钢、马氏体钢和奥氏体钢；当介质液氧、液氮和液氩时，管道可采用马氏体钢和奥氏体钢。理论上上述介质可以选用的材料种类比较多，但在实际工程应用中，结合市场供应情况和使用习惯，基本上使用的是06Cr19Ni10。
4.管道布置
4.1.一般要求
气站管道敷设方式有地面以上和地面以下两大类。
地面以上统称为架空敷设，是工业生产装置管道敷设的主要方式，具有便于施工、操作、检查、维修及经济等优点。
地下敷设分为埋地敷设和管沟敷设。埋地敷设：其优点是利用地下的空间，使地面以上空间较为简洁，并不需支承措施；其缺点是管道腐蚀性较强，检查和维修困难，在车行道处有时需特别处理以承受大的荷载，低点排液不便，隔热层管道很难保持其良好的隔热功能等。因此只有架空敷设不可能时，才予以采用。管沟敷设：其优点是充分利用地下空间，并提供方便的检查维修条件；还可敷设有隔热层的高温、易凝介质或腐蚀性介质的管道；其缺点是费用高、占地面积大，需设排水点，易积聚或窜入油气，增加不安全因素，污物清理困难等。
由于气站内管道的工程量一般较小，且液化气体管道需要进行保冷处理，因此绝大多数采用架空敷设的方式进行布置，很少采用埋地敷设和管沟敷设。特别是氧气管道，由于氧气密度大于空气，极易在低点聚积，只有当架空有困难时，方可采用不通行地沟敷设或直接埋地敷设。
在根据厂内气站的用户的位置和全厂总平面布置和地形情况确定气站管道系统的走向和线路时，应符合管道布置的一般原则。
4.2.特殊要求
由于氧具有强氧化和助燃特性，氧气管道布置时除需满足管道布置的一般规定外，还需要满足下列规定：
氧气管道宜采用架空敷设。当架空敷设有困难时，可采用不通行地沟敷设或直接埋地敷设。
采用架空敷设时，应符合下列规定：
?氧气管道应敷设在不燃烧体的支架上；
?除气氛管道专用的导电线路外，其他导电线路不得与氧气管道敷设在同一支架上；
?当沿建筑物的外墙或屋顶上敷设时，该建筑物应为一、二级耐火等级，并应是与氧气生产或使用有关的车间建筑物；
?氧气管道、管架与建筑物、构筑物、铁路、道路等之间的最小净距应符合表3的规定。
表2 厂区架空氧气管道、管架与建筑物、构筑物、铁路、道路等之间的最小净距（m）
5.小结
综上所述，管道选材的除了考虑介质的性质、敷设方式外，还应考虑市场供货情况。若设计过程中单纯只从理论角度选材的话，有可能选出的材料与工程条件最契合，但市面上生产很少，难以采购到或者价格过高，都对工程不利。因此选材时应从实际出发，进行技术经济比较，从而选出最合适的材料。
前文中，在其它条件相同的情况下，氧气管道因氧的氧化性和助燃性与其它气体有明显差别，所以在对氧气管道进行布置时，需要对这点性质进行充分考虑。比如需要考虑氧气管道与其它与建筑物、构筑物、铁路、道路等之间的最小净距，氧气管道的制作、安装和检验，以及控制氧气管道内介质的流速。。
因此进行其它压力管道设计时同理。
参考文献：
【1】建筑设计防火规范GB50016-2006
【2】氧气站设计规范GB50030-2013
【3】流体输送用不锈钢无缝钢管GB/T14976-2012
【4】压力管道安全技术监察规程-工业管道TSG D0001-2009
【5】特种设备安全监察条例国务院令第549号
【6】压力容器压力管道设计许可规则TSG R1001-2008
【7】压力管道规范GB/T20801.1~6-2006
【8】工业金属管道设计规范GB50316-2000（2008年版）
【9】工业设备及管道绝热工程设计规范GB50264-2013
【10】国家质量监督检验检疫总局公告（2014年第114号）