氧氣閥門材質的選擇及配管設計的探討

齊菲

(中國天辰化學工程公司，天津 300400)

目前，在煤化工裝置中輸送高壓純氧時，稍有不慎，容易引起爆炸事故。由于氧氣助燃，因而閥門的選型、結構、材料和脫脂防靜電等處理中，需要有系列的措施和要求，并且在進行氧氣閥門配管時，也有特殊的要求，用以保證氧氣管路的安全可靠。

1 工況的定義

在氧氣流體輸送的過程中，氧氣在管道系統中流動會發生改變，歐洲工業氣體協會(EIGA)制定的標準IGC Doc 13/12/E《OxygenPipelineandPipingSystems》中將氧氣工況劃分為“撞擊場合”和“非撞擊場合”。同樣在GB 16912—2008《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程》中也參考了EIGA的劃分方式。其定義： 使氧氣流動方向突然改變或產生漩渦的位置，從而引起氧氣中夾帶的顆粒對管壁的撞擊，這樣的位置稱作“撞擊場合”，否則稱為“非撞擊場合”。“撞擊場合”容易發生激發能源，引起燃燒與爆炸，是危險場合，安全控制要求更加嚴格。氧氣閥門就是典型的“撞擊場合”。

2 氧氣管道閥門

2.1 材質的選取

在進行材質選擇時，根據不同金屬的可燃性，對氧氣的流速會有一定的限制要求。如果阻燃合金在管道的設計壓力下能夠阻燃，則此時不需要考慮流速限制。因此，在EIGA規范中提出了豁免壓力的概念，即豁免壓力為金屬免除考慮流速限制的最小壓力。

但對于豁免壓力仍需考慮金屬材料的厚度，相對于IGC Doc 13/02《OxygenPipelineSystems》，厚度在IGC Doc 13/12/E規范中有較大調整，且豁免壓力也略有調整。總結常用的金屬豁免壓力和最小厚度要求見表1所列。

表1 常用的金屬豁免壓力和最小厚度要求

在GB 16912—2008中僅提出了碳鋼和奧氏體不銹鋼的流速限制，見表2所列(表2與EIGA標準一致)。該標準僅提出了部分合金的豁免壓力，即銅及銅合金(含鋁銅合金除外)、鎳及鎳銅合金，在小于或等于21.0MPa條件下，流速在壓力降允許時沒有限制。

通過上述規范對比，選擇氧氣閥門的閥體及閥內件材料時，推薦使用國標結合EIGA規范進行選擇。但需注意EIGA規范的溫度適用范圍為-30～200℃，壓力在21MPa以下，露點在-30℃ 或更低的氧氣。

例如： 氧氣管道公稱直徑為DN80，氧氣壓力為7.6MPa，溫度為40℃，流量為8000m3/h，流速計算值為7.07m/s。pv=53.752MPa·m/s。通過查表2，閥門材料不允許使用奧氏體不銹鋼；通過查表1，壓力為7.6MPa 低于monel 400，monel K500的豁免壓力，對于閥芯閥座的選擇，可以考慮選擇monel合金。現階段閥門廠家的常規配置為閥體使用monel 400，閥芯閥座為monel K500，且閥芯閥座不宜做硬質堆焊，因為堆焊時由于工藝水平限制，易產生一定的不安全因素，所以氧氣閥門盡量不宜使用硬質堆焊處理，且盡量不作縮頸處理，保持與原有管道同口徑。同時需考慮管道材質的溫壓曲線和閥體材料的溫壓曲線是否一致，如不能配合，需要調整閥門法蘭連接的壓力等級，并注意與管道專業的配合。

2.2 閥體結構的選擇

氧氣管道上的閥門應選用氧氣專用閥，國內氧氣管道上多選用截止閥，普通閥門介質的流動方向是下進上出。在氧氣工況下，閥門流道與普通閥門有所不同，選擇上進下出，以保證閥桿受力良好，且閥芯快速關閉。同時，流道內腔需光滑、流暢、無尖角，內部零件需保證倒角為圓角，且流道盡可能采用流線型，使得氧氣在流動過程中無壓力突變和流向突變。

表2 管道中氧氣最高允許流速

3 氧氣閥門配管的設計

在煤化工項目中，在氧氣進入氣化爐前，閥門較多，且空間較小，因此，在設計中需要與管道專業做好配合工作，并給予相當的重視。通常德士古氣化爐工藝中有2路氧氣(中心氧和環隙氧)進入燒嘴，其中中心氧的配管更加復雜，包括測量流量的節流裝置、氧氣調節閥、氮氣吹掃支路(三通)及止逆閥。

除節流裝置應滿足前后直管段要求外，氧氣閥門后管道也有特殊要求。GB 16912—2008第8.1.6 條提到： 氧氣管道的彎頭、三通不應與閥門出口直接連接。調節閥組、干管閥門、供一個系統的支管閥門、車間入口閥門，其出口側的管道宜有長度不小于5倍管道公稱直徑且不小于1.5m的直管段。GB 50030—2007《氧氣站設計規范》第12.0.18條提到： 氧氣管道的彎頭、分岔頭，不應緊接安裝在閥門的下游；閥門的下游側宜設長度不小于管外徑8倍的直管段。

IGC Doc 13/12/E第5.2.1條明確管道的沖擊場合包括且又不限于列出的工況，如三通、彎通等。且第5.3.2.3款指出節流閥和工藝控制閥紊流和撞擊工況不僅在閥門的閥芯閥座中存在，而且會延伸到下游8倍管道公稱直徑的長度。

通過上述的規范對比，可以發現共同之處即閥門出口流速變化較快，沖擊較為嚴重，不宜緊接安裝彎通、三通，同時宜保證5～8倍的直管段。

4 其他要求

凡接觸氧氣的零件必須除水、除油，確保干凈清潔。因高壓氧氣流速較快，若碰到毛刺、凹槽、凸肩等發生高速摩擦，容易積聚能量，如有雜質進入，將會引發起火，所以流道內壁應平滑、無銳邊、毛刺及焊瘤。氧氣管道的彎頭、異徑管等處是氣流沖擊和摩擦劇烈的地方，這些位置比直管更具有危險性。因此在設計、加工、裝配、試驗、運輸等環節，應制訂嚴格的工藝規程，確保達到預定技術要求。同時，在工藝操作中也需要按照規程嚴格進行操作，在純凈的氧氣環境下，如進入任何一點油脂或顆粒物，均會造成重大危險，所以對于工藝操作人員的安全培訓也是重中之重。

5 結束語

綜上所述，作為化工裝置中日益重要的一類管道，對氧氣管道設計和配管中存在的要點需要認真研究，只有不斷提高氧氣管道的設計和施工質量，嚴格執行相關標準規范，嚴把材料選用、管道布置、焊縫探傷、強度試驗等環節，才能確保氧氣管道運行安全和裝置的長周期安全運行。

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