水煤漿氣化裝置中氧氣切斷球閥的選型

賈瑋，李濤(華陸工程科技有限責任公司，西安 710065)

水煤漿氣化裝置中氧氣切斷球閥的選型

賈瑋，李濤
(華陸工程科技有限責任公司，西安 710065)

水煤漿氣化裝置中的氧氣切斷球閥根據流程的需要必須在規定的時間內準確打開或者關閉，從閥門型式的確定、閥體和閥內件材質的選擇、閥門泄漏等級要求以及相關配套附件的選擇上，闡述了氧氣閥門的選型。隨著國內某些裝置的開車運行投產，業內已經開始嘗試氧氣切斷球閥備品的部分國產化，并在實際使用后運行狀況良好。

煤氣化技術 水煤漿技術 氧氣切斷球閥 閥門選型 國產化

近十年來受到國際油價持續攀升、國內外投資環境日趨變好等因素的綜合影響，促使國內的煤制甲醇，煤制油、烯烴和二甲醚(CH3OCH3)等具有能源替代概念的新建和改擴建煤化工產業項目持續升溫。煤氣化技術是煤化工產業中不可缺少的一步，即將固體煤轉化成含有CO，H2，CH4等可燃氣體和CO2，N2等非可燃氣體的粗合成氣，在提純、分離后為下游產品使用。

1 工藝流程簡介

本文主要分析在煤氣化行業氣化流程中使用的氧氣閥門。煤氣化技術的分類有多種，如果是根據爐內氣-固狀態和運動形式來分類，則主要有三大類： 以塊煤(10～50 mm)為原料的固定床；以碎煤(小于6 mm)為原料的流化床；以粉煤(小于0.1 mm)為原料，在1300～1500 ℃溫度下進行反應的氣流床。

目前，國內在建或者投運的裝置中，大多數采用氣流床技術。具有代表性的有： 進口技術GE(德士古)爐、殼牌爐和國產技術航天爐、四噴嘴等。隨著技術的不斷發展和成熟，氣流床氣化爐的反應壓力已經從2.0 MPa提升到6.5 MPa，并且成為主流裝置使用的反應壓力。近期，也有向更高壓力等級發展的趨勢，且已有少數項目裝置使用的反應壓力達到8.7 MPa。

2 氧氣切斷球閥的選型

O2在煤氣化工藝流程中是不可缺少的反應介質。O2不僅具有助燃性，而且是以蒸氣形式在高溫高壓環境下與煤粉混合進入氣化爐反應。因此，氧氣管線上的閥門發生任何外漏或者內漏情況，都會引發燃燒甚至爆炸等嚴重后果，更嚴重的還可能造成生命財產的重大損失。

下面以典型的GE氣化爐流程中用到的氧氣切斷閥為例，簡單介紹一下特殊工況下切斷閥的選型。

2.1GE氣化爐裝置中氧氣切斷球閥位置及參數特殊性

目前，GE技術流程中的氧氣切斷球閥的安裝位置如圖1所示。

圖1 GE爐氣化流程氧氣切斷球閥位置示意

以氧氣上游切斷球閥(XV-03)和下游切斷球閥(XV-04)為例，國內某已投產項目6.5 MPa(表壓)氣化爐反應壓力的流程中，閥門的參數為： 管徑200 mm；所在管道材質為0Cr18Ni9(即304SS)；閥前壓力為8.1 MPa(表壓)；閥后壓力為8.06 MPa(表壓)；管線溫度為32 ℃(下游閥管線最高溫度450 ℃)；閥門最大切斷壓力為13.2 MPa(表壓)。

2.2閥門型式的確定

根據上文所述的閥門位置和參數情況，氧氣切斷閥的應用場合是： 緊急情況下阻斷上游介質(O2)進入下游氣化爐反應區。但是，如果工藝管線的尺寸突然變小，會使得經過管線的O2介質的流速發生變化，流速的變化又會使O2介質對所在管線造成一定破壞影響。因此，為避免O2因流速造成的影響，氧氣管線內必須避免出現影響流速變化的因素存在。由此可見，全通徑球閥是最佳選擇。

鑒于O2具有助燃性，從安全角度考慮，用于O2介質的閥門應該采用金屬密封；另外，閥門必須具備防靜電處理和耐火結構，如閥體法蘭配靜電連接導出機構(靜電連接螺絲及導線)。

2.3閥門材料的選擇

2.3.1選擇材料所依據的規范及對允許流速的要求

GB 50030—2007《氧氣站設計規范》第12.0.8條對流速的具體要求：

1) O2工作壓力為10 MPalt;p≤20 MPa，銅及其合金材質的管道，流速不應大于6 m/s，不銹鋼材質的管道，流速不應大于4.5 m/s。

2) 氧氣工作壓力為3 MPalt;p≤10 MPa，不銹鋼材質的管道，流速不應大于10m/s，碳鋼材質的管道，流速不應大于4.5 m/s。

3) 氧氣工作壓力為1.5 MPalt;p≤3 MPa，不銹鋼材質的管道，流速不應大于25m/s，碳鋼材質的管道，流速不應大于15 m/s。

4) 氧氣工作壓力為0.1 MPalt;p≤1.5 MPa，不銹鋼或者碳鋼材質的管道，流速不應大于30 m/s。

5) 氧氣工作壓力p≤0.1 MPa，應按該管系允許的壓力降確定。

GB 16912—2008 《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程》中規定管道中的最高允許流速見表1所列。

表1 管道中的最高允許流速

由于有閥門的地方就會使流體產生漩渦，因而閥門所在的位置都是撞擊場合。流速是撞擊場合下選擇閥門材料的依據。從表1中不難看出，當pv≤45 MPa·m/s時，可以選擇不銹鋼或者其他無流速限制要求的材料。

EIGA IGC DOC 13/02/E《氧氣管線系統設計規范(歐洲工業氣體協會)》中規定的流速如圖2所示。

圖2 氧氣管線中壓力與流速的關系示意

從圖2曲線中，不難看出： 在撞擊場合下： 當0.3 MPalt;plt;1.5 MPa(A)時，v=30 m/s；當1.5 MPalt;plt;10 MPa(A)時，pv=45 MPa·m/s；當pgt;10 MPa(絕壓)時，v=4.5 m/s(撞擊場合)。

2.3.2閥門及其內件材質的選擇

閥門閥體及其相關內件的選材都要參考上述規范。一般情況下，由于閥內件直接接觸介質，因而閥內件的材質要高于閥體材質。而且考慮到安全性，鑄件存在的氣孔、夾渣、疏松等缺點可能會在高壓下泄漏介質，故閥體及內件都應選用鍛件，以減少氣孔等缺點出現的幾率。

經過多個項目及多種情況的積累，有如下幾類材質可供選擇：

1) 工作壓力小于1.6 MPa(G)時，閥體可以選擇碳鋼，閥內件應選不銹鋼。

2) 工作壓力在1.6～3.0 MPa(G)時，閥體應選用不銹鋼，閥內件應選擇不銹鋼堆焊Stellite。

3) 工作壓力在3.0～10.0 MPa(G)時，閥體應選用不銹鋼或耐高溫合金(如Monel,Inconel)，閥內件則應選用耐高溫合金(如Monel,Inconel)。

4) 工作壓力大于10.0 MPa(G)時，閥體和閥內件全部采用耐高溫合金。

結合上述氧氣規范及工程經驗，圖1中，XV-03/04的工作壓力為8.5 MPa(G)就應該是滿足pv≤45 MPa·m/s情況下的材料，即至少選用奧氏體不銹鋼或耐高溫合金，根據多個項目的使用經驗，筆者通常選用Inconel625為閥體材質。

在選擇閥內件材質時，還可以根據不同材質的自身特性，以提高閥門材質來降低對流速的要求。一般工況下，Monel，Inconel要求以流速不超過50 m/s為宜。因此，常規做氧氣閥門內件材質的只有Inconel和Monel。但是，由于Inconel625在高溫應用場合較Monel更有優勢，故閥門內件材質選擇如下： 閥門內件材質選用Inconel625加表面硬化處理(給出厚度要求)；閥桿/套筒材質選用Inconel X-750或Inconel 718；閥門密封環材質選用無油脂模壓石墨(含碳量低)；上閥蓋要用雙填料，填料選用耐高溫無油脂石墨(可耐468 ℃)。

由于接觸的介質是氣體，工作壓力又達到8.1 MPa(G)，根據項目中管道材料等級的規定，法蘭需要采用RTJ端面形式的整體鍛造法蘭。

2.4閥門密封等級

由于O2介質特殊的物性，氧氣切斷閥的密封要求較高，一般位置閥門要達到： ANSI B16.104 Ⅵ級，并為金屬密封。

上、下游的切斷球閥(XV-03/04)所處位置特殊，在裝置停車或者緊急停車情況下，需要對氧氣管線及閥門進行氮氣吹掃，因而這2臺閥門還要耐受高壓氮氣管線13.2 MPa(G)的反吹掃壓力。所以閥門(XV-03/04)還需要滿足雙向硬密封ANSI Ⅵ的特殊密封要求。

2.5閥門執行機構選擇

執行機構要確保在失去儀表氣源或者電源的情況下，氧氣切斷閥能夠回到關閉的位置。通常裝置現場儀表的儀表空氣壓力不低于0.4 MPa(G)，執行機構尺寸選擇要滿足在0.4 MPa(G)壓力下能夠完全使閥門動作。同時還需要確保執行機構尺寸的選擇應該能夠在最大壓差的1.25倍(作為最小值)時對關閉件進行定位，最大壓差可能出現在正常操作或者開車時，以大的值作為最大壓差。

根據上述要求，計算選擇執行機構，有必要時還需要配置儲氣罐。執行機構的動作時間也有特殊的要求。通常所涉及的氧氣切斷閥要求從開到關、從關到開的時間，都要控制在3 s以內。

2.6閥門其他附件選擇

氧氣切斷球閥需要參與流程中的聯鎖，因而需要在閥門上配套選用電磁閥、閥位開關和閥位變送器等附件。上、下游氧氣切斷球閥(XV-03/04)需要根據聯鎖事件的要求準確地打開或者關閉，因此，選用冗余連接的雙電磁閥，即保證在任意一只電磁閥動作失靈的情況下，另外一只電磁閥還可以及時動作使閥門關閉，避免了因為閥門沒有及時關閉導致O2介質提早進入反應爐，引發爆炸等危險情況。電磁閥冗余的連接方式如圖3所示。

圖3 電磁閥冗余連接方式示意

由于氧氣切斷閥都是參與氣化聯鎖的，根據安全儀表相關設計規范以及工藝要求，切斷閥上所配的電磁閥應該滿足SIL3等級認證。

另外，如果電磁閥安裝位置距離放置在機柜間內的電源柜較遠(以350 m為界)，建議電磁閥的供電電源選用220 V(AC)。如果裝置的環境溫度在極限時會達到或者低于-20 ℃時，建議選用耐低溫型電磁閥。

閥位開關一般選用本安型接近式閥位開關(NAMUR型)，開位和關位各一個，閥位開關提供1對NO/NC轉換接點，閥位開關的防爆等級為Ex ia II CT4，防護等級為IP65，帶小型防爆接線盒。SIS更關注XV-03/04對關位置的反饋信息，因而通常選用2個關位置開關和1個開位置開關。而對氧氣放空管線閥門(XV-05)更關注的是開位置的反饋，因而通常會選用2個開位置開關和1個關位置開關。

閥位變送器的作用也是將閥門的開或者關的狀態反映到SIS，由于上、下游切斷閥和放空管線切斷閥的位置狀態都十分重要，關系到停車時O2是否已經切斷或者開車時O2循環是否已經建立。因此，上述三處閥門都選用本安型閥位變送器，變送器的防爆等級為Ex ia II CT4，防護等級為IP65，并且帶有一體式接線盒。閥位變送器和閥位開關一起進行“3取2”選擇來判斷閥門的開、關狀態。

2.7其他要求

因為O2在流動中遇到毛刺或者凹槽，都會產生高速摩擦，積聚大量熱能，如果遇到碳化合物，可能就會產生爆炸，所以閥門內件表面的光潔度要達到ISO 8501-1 Sa2的要求。

閥體和閥內件在組裝前后都應該進行禁油脫脂處理，以防內腔在制造過程中產生或者遺留的鐵屑、油脂、灰塵、極小固體顆粒等，在O2介質通過閥門時產生摩擦，引起燃燒或者爆炸等危險后果。

3 氧氣閥門國產化的可行性

3.1長期使用進口產品的原因

從以上敘述不難看出，對于反應壓力較高裝置中氧氣切斷閥材質要求很高。為了提高氧氣切斷球閥抗高壓氮氣吹掃的能力，球體和閥座表面需進行硬化處理。硬化處理需考慮硬化材質與基體材質的結合強度、硬化層厚度、硬度、孔隙率及與O2的兼容性等。加上介質和工況的特殊性，對于閥門的泄漏等級要求極高，即有較高的加工精度才能實現。由于受到早期國內材料生產技術和閥門加工技術的制約，導致氧氣閥門依賴進口。

長期使用進口閥門，會使投資成本加大，另外生產加工周期長，導致工程進度受制約，從而使投資收益延緩。

3.2國產化的可行性

隨著近些年國內加工技術的快速發展和大型高精度設備的引進，Inconel和Monel等材料目前在國內已經可以有效供應，其品質完全可以滿足工藝要求。而且國內閥門制造商在生產時，還將閥體整體都選用鍛件，再配合高精度的加工設備。目前閥門的裝配精度和泄漏等級已經可以和國際產品媲美。

4 結束語

氧氣切斷球閥的選型對于整個氣化裝置是非常重要。從閥門型式確定、閥內件材質選擇以及相關附件的選擇等，都需要依據相關設計規定，并且根據具體的使用工況選擇適用的材質和附件。目前，國內的煤化工技術正在穩健發展，有的裝置已經部分使用了國產閥門，相信未來還將會有更好的發展。

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賽默飛第十屆ICP-MS用戶會取得圓滿成功

近期，科學服務領域的世界領導者賽默飛世爾科技(中國)有限公司(以下簡稱： 賽默飛)在桂林召開了第十屆ICP-MS用戶會，來自地質、高校科研院所、疾控、藥檢等各領域的130余名客戶參加了會議。各領域的客戶專家就地質礦產、金屬材料、環保等方面與參會客戶進行儀器使用經驗交流，取得了極好的會議效果。

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稿件收到日期：2013-05-08，修改稿收到日期2013-08-12。

賈瑋(1981—)，女，陜西西安人，2003年畢業于西安科技大學電控學院自動化專業，現就職于華陸工程科技有限責任公司電控室，從事化工自動化工程設計，任工程師。

TH138.52

B

1007-7324(2013)05-0072-04