新余钢铁有限责任公司气体厂(以下简称: 新
钢气体厂) 18000m3 / h 空分设备于2003 年4 月投产,
该空分设备采用常温分子筛净化、增压透平膨胀机、
规整填料上塔和全精馏无氢制氩技术及氧、氮产品
外压缩的流程。两年运行过程中, 相继出现冷箱跑
冷严重, 冷箱壁多处结霜、结冰甚至出现裂缝, 基
础温度下降, 冷箱内压力上升; 夏季不得不运行两
台膨胀机才能维持空分设备正常运行的冷量, 液体
产量低、产品能耗高。为此, 2005 年7 月2 日～26
日, 新钢气体厂利用25000m3 / h 空分设备投产的机
会, 对18000m3 / h 空分设备进行了扒砂检修。
1 　故障现象
2004 年3 月, 上塔阻力满量程, 而差压变送器
正常, 因此判断阻力计的负管已断裂。2004 年10 月
后, 相继出现精氩塔底部液体回粗氩Ⅱ塔阀V757 管
路堵塞、增压空气出主换热器冷段阀V31 和中抽膨
胀气体总阀V32 皮套跑冷严重的现象。2005 年1 月,
因主换热器出现严重偏流, 利用炼钢检修机会, 对
空分设备进行加温解冻。在重新开车进入积液的过
程中, 冷箱内压力逐渐升高(冷箱下部压力升到
118kPa) , 主换热器冷箱顶部安全阀被冲开, 其内部
的不锈钢网破裂, 大量珠光砂向外喷出。下部冷箱
壁上阀门的皮套、人孔密封处开始泄漏冷气, 冷箱
基础北面外缘结冰。
由于基础温度下降及冷箱内压力偏高, 只有把
主塔其他安全阀撬开泄压。随着运行时间的延长,
基础温度不断降低, 其中最低是粗氩Ⅱ塔底部温度,
只有- 70 ℃ (正常时为- 12 ℃) 。主换热器冷箱及主
冷箱顶部结满冰, 厚度在50～80mm 之间。2005 年1
月底, 主冷箱顶部西面裂开1 条长约150mm的裂缝,
四楼的液面计电加热器电源箱泄漏出大量的冷气,
沿边有1 条约600mm 的裂缝。按当时事态分析, 冷
箱有可能出现大面积开裂。此时, 只有增加冷箱密
封气压力表, 监控冷箱内压力; 同时根据冷箱不同
部位的基础温度和冷箱内压力, 调整冷箱各处安全
阀的开度, 控制冷量在冷箱内的分布, 保证冷气经
最长的距离出冷箱, 尽量提高冷气出冷箱温度。
精氩塔底部液氩返回粗氩Ⅱ塔底部的管路, 每当
空分设备停车后再启动, 开启该管路不久后就发生
堵塞。2005 年3 月精氩塔系统管路相继出现堵塞
(主要有贮槽余气回精氩塔管、精氩液面计正管和液
氩进液氩泵管等) , 对精氩塔单体加温后再启动, 不
久仍出现以上现象。
进入5 月, 随环境温度上升, 基础温度有所回
升, 冷箱周围的结冰减少, 但空分设备的冷量明显
不足, 不得不运行两台膨胀机来保证空分设备正常
运行的冷量, 产品产量下降, 能耗增加。
2 　原因分析
18000m3 / h 空分设备于2005 年6 月停车后, 从
25000m3 / h 空分设备分子筛纯化系统后引1 股干燥的
空气对其容器、管道进行加温(气量约500m3 / h) ,
经过1 个月的加温, 于7 月2 日开始扒砂检修。在
扒砂过程中发现有部分珠光砂比较潮湿, 冷箱顶部
珠光砂还有结冰现象。冷箱内管道情况不理想, 有
4 处Φ18mm的管道断裂, 多处管道变形严重, 多处
支架变形或根部脱焊, 尤其是单臂托架和固定支架
变形严重, 粗氩Ⅱ塔(东面) 、上塔(南面) 拉杆根
部脱焊。根据检修前空分设备运行状况及扒砂后冷
箱内情况分析, 冷箱内泄漏主要有以下几个原因。
211 　珠光砂结冰
(1) 塔内仪表电加热器电源箱镶嵌在冷箱壁上,
而下部有许多Φ8mm 左右的孔, 箱内底部经常积
水, 水从孔中流入冷箱内。
(2) 部分阀门安装时, 阀杆与冷箱阀门孔不对
中, 许多皮套不能很好密封, 水从阀门阀杆中渗入。
(3) 冷箱上人孔盖密封不严, 水渗入冷箱中。
(4) 当空分设备停车后冷箱内无密封气, 外界
湿空气中水分, 除从冷箱上述部位进入冷箱, 还可
能从呼吸筒中进入冷箱。
212 　小于Φ18mm 管道根部焊缝断裂及部分大管变
形
(1) 仪表导压管的保护架全部使用25°的角铁。
扒砂发现, 超过2m长的仪表导压管保护架变形非常
严重, 其中上塔阻力负管和上塔氩馏分抽口处分析
取样管AE22 , 是因仪表支架变形后受压迫断裂的。
(2) 液氩平衡器PV701 和精氩蒸发器液氮平衡
器PV702 不凝气排放管的根部断裂, 主要因为管道
走向和支架设置存在问题, PV701 不凝气排放管有
3m长而无固定支架或保护架, PV702 顶部不凝气排
放管与根部有5m多长无固定支架或保护架, 上述两
管均在冷箱的中部穿过, 因不能承受珠光砂的静重
而被压弯断裂。
(3) 管道变形。变形管道基本分布在冷箱项部
层, 其中产品液氮排放管、粗氩液化器氮气进污氮
管、液空平衡器液空进上塔管和粗氩液化器氮侧安
全阀导压管变形移位约200～300mm。主要原因: ①
2005 年元月加温时, 整个塔体由冷状态位置上升到
常温位置, 顶部管随塔向上移动, 可是珠光砂仍处
于0 ℃以下而且结冰, 这些管线不能克服冰层压力
而变形; ②由于支架设置不正确, 托架离管道距离
过大, 垂直管支架抱箍过紧, 托架的强度不够, 支
架焊接强度不足。
213 　精氩塔系统部分管道被堵
发生堵塞的管线均与精氩塔相接, 并且都位于
精氩蒸发器液氮平衡器PV702 的下方。管线内的工
作压力为0105MPa , 温度为- 180175 ℃, 液氩的凝固
点约为- 189115 ℃。PV702 内压力为015MPa , 温度
为- 177 ℃, 其不凝气排放管的根部断裂, 液氮从断
裂口向下流, 液氮压力迅速下降(从015MPa 降为冷
箱内压力) , 致使液氮温度由- 177 ℃降到- 193 ℃以
下, 这一温度低于液氩的凝固点。当精氩塔底部液
氩进入粗氩Ⅱ塔底部的管路、贮槽回精氩塔管及精氩
液面计正管等管线内, 液氩凝固, 堵塞管线。
3 　检修及处理
此次检修进行了系统安排, 对冷箱内可能存在
的隐患逐一排查和整改。
(1) 增加基础加温管, 珠光砂加入冷箱后进行
基础加温干燥。冷箱密封气管与纯氮总管相连, 当
空分设备临时停车时可切换到纯氮总管供密封气。
(2) 将经过冷箱中间的变形管改变走向, 尽量
沿冷箱壁铺设, 以便于设置支架、托架; 对于难以
设置支架的管路, 使用Φ6mm 铜管(经退火处理)
设置吊架, 此次检修使用了近500m铜管; 仪表测量
管保护架采用45°角铁, 并用215mm2 铜线把测量管
固定在保护架内; 对于较长的保护架而无法固定的
两边拉Φ6mm铜管, 以防承受珠光砂载荷时弯曲或
移动。
(3) 冷箱内仪表电缆线经引线孔从中引出并密
封好, 液面计正管加热器配电箱由原来镶嵌在冷箱
内改成安装在冷箱外壁, 镶嵌孔用钢板满焊, 所有
冷箱壁裂缝全部满焊。
(4) 冷箱人孔、管道进出冷箱结合部橡皮垫的
两面采用玻璃胶密封。冷箱壁上阀门密封皮套采用
双层, 新的在内, 旧的在外。
(5) 冷箱内支架全部逐一检查, 对支架与冷箱
焊接处未满焊的全部整改; 管道与托架距离不足的,
重新设置; 压弯的托架增设斜撑, 斜撑设置点与冷
箱垂直距离大于水平肩长的2/ 3 ; 大于DN80mm的管
道采用双肩支架。
(6) 冷箱内珠光砂结冰是这次泄漏的主要原因
之一, 珠光砂的干燥与否也是冷箱长期安全运行的
关键。检修后, 新钢气体厂利用公司6# 高炉改造期
间, 继续利用25000m3 / h 空分设备分子筛纯化系统
后空气对冷箱内珠光砂进行干燥。
4 　经验与体会
大型空分设备冷箱比较高, 管系比较复杂, 要
保证长期安全、稳定运行, 必须从设计、安装到日
常维护做到科学性和系统性的统一。
(1) 设计时考虑冷箱上、中、下基础加温管,
以便日常运行中充压均匀及扒砂检修时能把冷箱内
珠光砂加温透彻, 避免较低温的珠光砂出冷箱后吸
潮和珠光砂冰块掉下砸坏设备。冷箱内管道、容器
不仅要充分考虑热胀冷缩及自补偿, 而且要考虑便
于管架、阀架的安装, 从精馏塔体上进出的液体管
或比较小的气体管, 塔体应考虑有设置支架的地方,
以便管道可以和塔体自由收缩。工艺管道尽量采用
大于Φ25mm管道, 小于Φ25mm时应考虑设置保护
架。冷箱密封气管不应从冷箱中央穿过, 应沿冷箱
壁铺设。
(2) 高质量的冷箱内设备安装是确保冷箱长期
运行的重要措施之一, 而阀门、容器和管道的安装
质量又是整个冷箱设备安装最关键的部分。阀架、
管架与冷箱壁焊接处必须满焊。容器的拉架在精馏
塔整体冷调试前应处于自由状态, 避免在低温下因
容器收缩造成损坏或影响垂直度。管架的设置应保
持被设管架的管道有足够的稳定性, 不能随便晃动,
并且要考虑到管道的热胀收缩及自补偿; 垂直走向
的管道应设置必要的固定支架, 大于DN80mm 的管
道采用双肩支架, 卡箍与管道之间不能过紧也不能
过松。测量管路与测量仪表相连时, 管路应向上铺
设, 且应安装在托架内, 测量管从根部到冷箱壁之
间的上部必须设保护架, 保护架应采用45°角铁, 材
质最好使用不锈钢, 对于固定点在上部的容器或管
道上的测量管, 保护架与测量管有一定的距离, 距
离必须大于容器或管道上移长度(比如精氩塔下部
测量管与保护架的距离应大于18mm) 。小于Φ90mm
管道尽量沿冷箱壁铺设, 便于设置支架。安装过程
中注意冷箱的防水、防潮。安装过程中支架抱箍上
的四氟材料垫, 防止在焊接过程中被烧坏, 不能有
焊瘤直接与管道接触, 避免管道伸缩移动磨破管道。
(3) 虽然有科学合理的设计和高质量的安装,
正常的维护是必不可少的。空分设备投产后约1 个
月, 应打开顶部人孔, 检查珠光砂充满情况, 若缺
少应及时补充。为了防止外界空气中的水分进入冷
箱, 当精馏塔内处于低温时应往冷箱中充入惰性气
体, 保持冷箱内压力约为200～300Pa , 特别在空分
设备临时停车时也不应忽视。冷箱壁上阀门密封皮
套因露天日晒雨淋, 常常1 年左右就开始老化破损,
必须更换已老化破损的皮套, 最好采用双层皮套或
外面增加保护层。