淺析氧氣調(diào)節(jié)閥的選型要點

鄭世成（內(nèi)蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司025350）

一、文獻概述及研究背景

1.氧氣的特性

氧是自然界中分布最廣泛的元素之一，按容積計算，空氣中氧氣含量為20.93%，在常溫下為無色透明、無味、無臭的氣體，比空氣略重。氧氣的化學性質(zhì)比較活潑，是強烈的氧化劑和助燃劑。它除了與惰性氣體氦、氖、氬、氪以及活性小的金屬元素如金、銀、鉑在一般情況下不會發(fā)生化合反應(yīng)之外，與其他大部分的元素都能產(chǎn)生氧化反應(yīng)。

2.幾種常見氧氣管道、閥門燃燒爆炸原因分析

（1）管道內(nèi)的鐵銹、粉塵、焊渣與管道內(nèi)壁或閥口摩擦產(chǎn)生高溫發(fā)生爆炸，這種情況與雜質(zhì)的種類、顆粒以及氣流的速度有關(guān)，鐵粉易與氧氣發(fā)生燃燒，且顆粒越細，燃點越低；流速越快，越容易發(fā)生燃燒。

（2）管道內(nèi)或閥門存在油脂、橡膠等低燃點的物質(zhì)，在局部高溫下引燃。

（3）絕熱壓縮后產(chǎn)生的高溫可使燃燒物燃燒。

（4）高壓純氧中可燃物的燃點降低是氧氣管道閥門燃燒的誘因。氧氣管道和閥門在高壓純氧中，其危險性是非常大的，試驗證明，隨著氧的純度和壓力的增加，金屬在氧氣中的反應(yīng)會顯著加劇，這對氧氣管道和閥門構(gòu)成了極大的威脅。

隨著工業(yè)生產(chǎn)對氧氣用量的逐年增加，氧氣多采用管道輸送。管路長、分布廣，再加上急開或速閉閥門造成管道和閥門燃燒爆炸的事故時有發(fā)生，所以，充分了解氧氣的特性、分析氧氣管道和閥門存在的隱患、危險并采取相應(yīng)的措施至關(guān)重要。合理選擇氧氣調(diào)節(jié)閥，可以延長調(diào)節(jié)閥的使用壽命，優(yōu)化控制，提高生產(chǎn)效率，降低維護費用及生產(chǎn)成本，改善勞動條件，保障國家財產(chǎn)和人民的生命與健康。

二、調(diào)節(jié)閥的結(jié)構(gòu)及功能

1.調(diào)節(jié)閥的構(gòu)成

國際電工委員會IEC對調(diào)節(jié)閥做了定義：“工業(yè)過程控制系統(tǒng)中，由動力操作的裝置形成的終端元件，它包括一個閥體部件，內(nèi)部有一個改變過程流體流率的組件，閥體部件又與一個或多個執(zhí)行機構(gòu)相接。執(zhí)行機構(gòu)用來響應(yīng)元件送來的信號。”由此可見，調(diào)節(jié)閥是由執(zhí)行機構(gòu)和閥體部件兩部分組成，即：調(diào)節(jié)閥=執(zhí)行機構(gòu)+閥體部件。其中，執(zhí)行機構(gòu)是調(diào)節(jié)閥的推動裝置，它按信號壓力的大小產(chǎn)生相應(yīng)的推力或扭矩，使推桿或轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生相應(yīng)的位移或轉(zhuǎn)角，從而帶動調(diào)節(jié)閥的閥芯動作；閥體部件是調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)部分，它直接與介質(zhì)接觸，通過執(zhí)行機構(gòu)推桿的位移貨轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角，改變調(diào)節(jié)閥的截流面積，達到調(diào)節(jié)的目的。

2.控制閥組件與過程控制優(yōu)化

控制閥組件在取得控制回路的可能的最佳性能方面扮演著極其重要的角色。過程優(yōu)化意味著優(yōu)化整個過程，而不僅僅是用于控制室里的設(shè)備的控制算法。前人對幾千個過程回路進行的審計已經(jīng)提供了很強的證據(jù)，表明終端控制元件在取得真正的過程優(yōu)化方面扮演著非常重要的角色。當一個控制閥是為其應(yīng)用場合而精心設(shè)計制造時，工廠的盈利能力會增加。

三、氧氣調(diào)節(jié)閥的選型要點

1.閥型的選擇

氧閥的選擇，需盡量選擇流通效果好的單座柱塞閥或籠式閥，避免使用迷宮式閥芯，以盡量減少閥內(nèi)湍流及局部流速過快。一般情況下，小口徑時，優(yōu)先選擇流道設(shè)計簡單的柱塞閥。

2.基于流速及工作壓力的考慮對閥體材質(zhì)的選擇

歐洲標準對氧氣的具體規(guī)定，即IGC標準，是目前最嚴苛的標準。在IGCDoc13/02E有關(guān)章節(jié)中已對使用于氧氣介質(zhì)的多種材料的流速及耐壓限制情況進行了界定，例如材料Monel，IGCDoc13/02E中已明確說明只要壓力在21MPa以內(nèi)，Monel材料可以豁免(exem ption)流速限制。我國頒布實施的《氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》（GB16912-1997）對氧氣的規(guī)定與歐洲標準基本相同。詳見表[1]

表[1]管道中氧氣最高允許流速

注：1.最高允許流速是指管系最低工作壓力，最高工作溫度時的實際流速。

2.使流體流動方向突然改變或產(chǎn)生漩渦的位置，從而引起流體中顆粒對管壁的撞擊，這樣的位置成為撞擊場合；否則，稱為非撞擊場合。

3.銅及銅合金（含鋁銅合金除外），鎳及鎳合金，在小于或等于21.0M pa條件下，流速沒有限制。

4.400號鑄造鎳-銅合金Monel400（M 35-1）的標準規(guī)格：

溫度范圍：-325至900°F（-198℃～677℃）成分（百分比）

Cu：26.0至33.0

C：0.35最大

Mn:1.5最大

Fe:3.5最大

S:0.03最大

P:0.03最大

Si:1.35最大

Nb:0.5最大

Ni:其余

3.閥內(nèi)件的選擇——閥芯及閥座的硬化處理

在壓差小于218psi(1.5M pa)時，內(nèi)件可不需加硬，但壓力溫度等級等于或超過900磅的高壓閥時，應(yīng)對閥內(nèi)件進行加硬處理。

在壓差大于218psi(1.5M pa)時，內(nèi)件的選擇建議采用硬質(zhì)材料或進行硬化處理。壓力范圍在218psi和500psi之間時，可采用堆焊司太萊（A lloy6）加硬處理；壓力范圍超過500psi時，可采用硬質(zhì)材料或NiCr-C(olmonoy6)堆焊。

閥籠的選擇，建議使用Ch romeCoating(鍍鉻)；化學鍍鎳（ENC）雖然具有良好的阻燃性，但易脫落，因此，不推薦使用在氧氣工況；電鍍（Plating）鍍層極易脫落，禁止使用于氧氣工況。

常用的閥體及閥內(nèi)件材質(zhì)，詳見表[2]。

表[2]常用閥體及閥內(nèi)件材質(zhì)

(260℃) 至600°F(316℃） 至800°F(427℃）溫度范圍至500°F

4.填料、墊片及密封方式的選擇

氧氣工況對填料的選擇，主要根據(jù)溫度條件：設(shè)計溫度范圍在-25℃～200℃時，多采用PTFE(聚四氟乙烯)V型填料；設(shè)計溫度范圍在-25℃～400℃時，選用石墨+Inconel填料；設(shè)計溫度范圍在-196℃～530℃時，選用純石墨填料；設(shè)計溫度范圍在-196℃～200℃時，選用石墨+PTFE填料。如閥后壓力小于14.5psi，則建議使用雙層PTFE填料或石墨填料。

墊片可使用適用于氧氣工況的特殊墊片。

密封建議采用金屬密封，軟密封雖可以使用，但不推薦。

5.其他影響氧氣調(diào)節(jié)閥使用的重要因素

（1）氧閥的脫脂（Degreasing）

壓縮氧氣接觸到少量的油脂會立即劇烈燃燒而引發(fā)爆炸，因此氧氣管道的管子、配件、墊片以及所有與氧氣接觸的材料都必須在安裝使用前進行嚴格的除銹、吹掃、脫脂。工業(yè)上常用的脫脂劑包括：四氯化碳、精餾酒精和工業(yè)用二氯乙烷等。碳素鋼、不銹鋼及銅的管道、管件的閥門宜用工業(yè)用四氯化碳。四氯化碳與二氯乙烷都是有毒的，在使用時必須有防毒措施。二氯乙烷與精餾酒精是易燃易爆的物質(zhì)，脫脂工作現(xiàn)場應(yīng)嚴禁煙火，遵守放火的有關(guān)規(guī)定。

脫脂完畢后，應(yīng)按設(shè)計規(guī)定進行脫脂質(zhì)量檢驗。當設(shè)計無規(guī)定時，脫脂質(zhì)量檢驗的方法及合格標準規(guī)定如下：

①用清潔干燥的白濾紙擦拭氧氣閥門通道內(nèi)壁，紙上應(yīng)無油脂痕跡。

②用紫外線燈照射，脫脂表面應(yīng)無紫藍熒光。

（2）氧氣調(diào)節(jié)閥的連接

①氧氣管道的連接，應(yīng)采用焊接，但與設(shè)備、閥門連接可采用法蘭式、絲扣連接。絲扣連接片，應(yīng)采用一氧化鉛、水玻璃或聚四氟乙烯薄膜作為填料，嚴禁用涂鉛用的麻或棉絲，或其他含油脂的材料。

②氧氣管道應(yīng)有導除靜電的接地裝置。廠區(qū)管道可在管道分岔處無分支管道每80～100m處以及進出車間建筑物處設(shè)一接地裝置。直接埋地管道可在埋地之前及出地后各接地一次；車間內(nèi)部管道，可與本車間的靜電干線連接，接地電阻值應(yīng)符合規(guī)范。當每對法蘭或螺紋接頭間電阻值超過0.03Ω時，應(yīng)設(shè)跨接導線。對有陰板保護的管道，不應(yīng)作接地。

③氧氣管道的彎頭、分叉頭，不應(yīng)緊接安裝在閥門的下游，閥門的下游側(cè)宜設(shè)長度不小于管外徑5倍的直管段。

總結(jié)語

世界著名的閥門制造商們，正在努力致力于為指定的工況設(shè)計和生產(chǎn)最適合的閥體類型、材質(zhì)和內(nèi)件組合，只有充分仔細地考慮閥的流通能力、系統(tǒng)壓力、溫度以及介質(zhì)等各方面的指標，才能夠選擇出最合適的控制閥，以確保整個控制系統(tǒng)能夠完整順利運行，創(chuàng)造最大的經(jīng)濟效應(yīng)。