淺析降低氧閥潛在風(fēng)險(xiǎn)的措施

李穎（林德工程（杭州）有限公司)

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淺析降低氧閥潛在風(fēng)險(xiǎn)的措施

李穎*
（林德工程（杭州）有限公司)

摘要為防止氧氣在生產(chǎn)、儲運(yùn)和使用過程中發(fā)生事故，作為最關(guān)鍵的組件閥門，其設(shè)計(jì)及質(zhì)量控制非常重要。分析了氧閥潛在的風(fēng)險(xiǎn)，探討了降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的措施，并闡述了如何合理選擇氧閥材料。通過良好的工程設(shè)計(jì)可以降低氧閥存在的風(fēng)險(xiǎn)，從而保證用戶的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞氧閥著火機(jī)理流速限制氧兼容性氧氣風(fēng)險(xiǎn)

*李穎，女，1983年生，工學(xué)碩士。杭州市，310012。

隨著生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，氧氣廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、科學(xué)研究和醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)。在氧氣生產(chǎn)、儲運(yùn)、使用時(shí)，特別是在輸送氧氣的管線運(yùn)行時(shí)，閥門一旦出現(xiàn)故障，就極易引發(fā)火災(zāi)、爆炸，造成設(shè)備損壞和人身傷亡等惡性事故。為了避免氧閥事故、降低潛在的風(fēng)險(xiǎn)，首先應(yīng)從閥門的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)著手，充分考慮到正常和異常時(shí)的不同使用工況，通過良好的工程設(shè)計(jì)達(dá)到降低風(fēng)險(xiǎn)的目的。

1　氧閥潛在風(fēng)險(xiǎn)的原因

燃燒、爆炸、噴射火是氧閥發(fā)生事故時(shí)的典型現(xiàn)象。氧在加壓和管道輸送過程中，當(dāng)有油脂、氧化鐵屑或小粒燃燒物（有機(jī)纖維等）存在時(shí)，其潛在的風(fēng)險(xiǎn)就增加。隨著氣流的運(yùn)動(dòng)，氧氣與管壁、機(jī)體發(fā)生摩擦或撞擊產(chǎn)生大量摩擦熱，當(dāng)熱量積聚到一定程度時(shí)就可能發(fā)生火災(zāi)。另外，如果管路中閥門急驟打開，閥后的氣體接近于絕熱壓縮溫度，也會引起燃燒，破壞管道或閥門。被液氧浸漬的多孔有機(jī)物，當(dāng)遇火或受撞擊時(shí)，也會產(chǎn)生強(qiáng)烈爆炸。加壓的可燃物質(zhì)泄漏時(shí)形成噴射流，并可能在泄漏裂口處被點(diǎn)燃，瞬間就會產(chǎn)生噴射火。

氧閥系統(tǒng)的這些潛在的風(fēng)險(xiǎn)隨時(shí)都可能發(fā)生，其原因是燃燒的三要素對于氧閥系統(tǒng)來說常常是具備的。燃燒的三要素，即為助燃劑(氧氣)、可燃物(可燃的材料)和點(diǎn)燃能量(著火機(jī)理)。在氧氣管道輸送系統(tǒng)中，通常氧氣和可燃物總是存在的，而著火機(jī)理和點(diǎn)火鏈就是火災(zāi)的起因。

可以導(dǎo)致閥門故障的著火機(jī)理[1]包括下述幾項(xiàng)：(1)閥門零部件金屬或非金屬材料的沖擊引起的微粒沖擊著火；(2)絕熱壓縮(或氣動(dòng)沖擊)、聲音共振和流動(dòng)摩擦等，都可能產(chǎn)生溫度升高；(3)由有機(jī)材料燃燒或氧氣中殘留的污染物引起的助燃；(4)閥門中相鄰的運(yùn)動(dòng)件和固定件之間摩擦引起的摩擦力。

引發(fā)氧閥著火的原因很多，比如微粒沖擊是由于管道系統(tǒng)中潛在的顆粒源存在，甚至閥門中相鄰的運(yùn)動(dòng)件和固定件之間摩擦亦可產(chǎn)生顆粒物質(zhì)。管道系統(tǒng)如果受到高速微粒沖擊，就有可能引發(fā)著火。一旦著火，在氧氣壓力、純度、溫度等因素影響下，易燃材料或零部件燃燒產(chǎn)生的熱量更會加劇火災(zāi)。

絕熱壓縮造成的著火機(jī)理：在閥門突然被開啟時(shí)，氧氣從低壓被壓縮到高壓會發(fā)生絕熱壓縮（沒有能量傳遞），此時(shí)氧氣溫度迅速上升，甚至達(dá)到很多金屬材料的燃點(diǎn)。這在閥門中是普遍存在的現(xiàn)象，尤其當(dāng)隔離閥打開時(shí)，閥座上形成壓差，容易產(chǎn)生高速、紊流、快速加壓和溫度升高的風(fēng)險(xiǎn)。

閥體乃至整個(gè)氧管道系統(tǒng)內(nèi)部的油脂、油污、氧化皮、焊接飛濺和油漆等其它的污染雜質(zhì)，包括不合格清潔程序殘留的可燃溶劑，都可能成為著火源，火甚至?xí)U(kuò)散到整個(gè)系統(tǒng)造成火災(zāi)。

摩擦生熱可以導(dǎo)致燃燒。閥門中相鄰的金屬零部件之間的摩擦也可以導(dǎo)致局部生熱。墊片或閥座處氧氣通過非金屬材料泄漏導(dǎo)致的流體摩擦也可造成燃燒。

2　降低氧閥火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的措施

降低氧閥火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的措施：在設(shè)計(jì)方面，主要是考慮沖擊流和非沖擊流流速及其相應(yīng)部位的金屬和非金屬材料的選擇。

為了確定系統(tǒng)或材料特性，以便確定是否必須采取氧氣流速限制，進(jìn)行了一些必要的試驗(yàn)，包括材料或功能部件的微粒沖擊試驗(yàn)和備選工程合金的助燃試驗(yàn)。試驗(yàn)的目的主要是為了降低微粒沖擊的風(fēng)險(xiǎn)。但是，由于試驗(yàn)環(huán)境所限，難以確定類似的顆粒試樣，且公開發(fā)表的顆粒沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)很少。普遍采用的助燃測試方法可以確定測試合金是否易燃，是否需要施加流速限制使不同厚度的合金有阻燃作用[1]。

工程中普遍遵循的流速免除壓力是指工程合金免除流速限制的最大壓力。在流速限制范圍內(nèi)，根據(jù)使用條件下金屬的可燃性選擇合適的合金材料，就可以通過中斷點(diǎn)火鏈限制燃燒的蔓延。例如，在有沖擊情況存在時(shí)，可根據(jù)圖1的沖擊流速曲線進(jìn)行材料選擇[1]。若低于其免除壓力，任何金屬材料都可以使用而不受流速限制。若超過其免除壓力，流速保持在沖擊流速曲線規(guī)定以下，則可選擇該材料。若高出沖擊流速曲線，就只能采用免除材料。

圖1　沖擊場流速限制

此外，工藝上常通過設(shè)置旁通系統(tǒng)來平衡隔離閥兩側(cè)的壓力，使下游系統(tǒng)緩慢升壓，減緩流速過快和急劇升壓的風(fēng)險(xiǎn)。但是，當(dāng)氧氣管道中只有不可燃燒物質(zhì)顆粒時(shí)，即便是在比較高的氧氣流速下，管道也沒有燃燒的危險(xiǎn)。有可燃物質(zhì)顆粒時(shí)，只要達(dá)到一定的流速，管道就可能燃燒。可燃物質(zhì)的著火點(diǎn)愈低，能引起氧氣管道燃燒的氧氣流速就愈低[2]。

3　氧閥材料的選擇

為了保證氧閥的密封性和工作安全性，應(yīng)根據(jù)閥門使用的環(huán)境、介質(zhì)、溫度、成本等，合理選擇氧閥材料。一般來說，作為旁通閥整個(gè)閥體都將經(jīng)受沖擊和高速紊流的作用，故對其材料的選擇和流速限制非常重要。火災(zāi)的后果主要取決于燃燒擴(kuò)展的程度和速度，因此在關(guān)鍵部位正確采用阻燃材料可限制管道內(nèi)火災(zāi)的擴(kuò)展。金屬材料的選擇與氣體流速和閥門的類型、功能及其設(shè)計(jì)有關(guān)，應(yīng)當(dāng)考慮是否存在沖擊。根據(jù)使用條件下金屬的可燃性，確

定氧氣流速是否有限制要求。如果阻燃合金在系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力下能夠阻燃，則不需要流速限制。

氧閥中墊片、閥座、潤滑劑及填料可能選用非金屬材料。很多非金屬材料都是易燃的，即使在常壓、氧氣純度大于23.5%時(shí)也可燃燒。在燃燒鏈的著火過程中，非金屬部件常常促使大塊金屬材料著火，尤其是非金屬部件燃燒將產(chǎn)生大量的熱量。因此，在設(shè)計(jì)有非金屬材料的氧氣系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)盡量減少非金屬材料的使用量，多考慮纏繞金屬材料的使用，以便于擴(kuò)散熱量。應(yīng)盡量避免非金屬材料和氧氣直接接觸，所選擇的非金屬材料在氧氣中應(yīng)具有穩(wěn)定的物理化學(xué)性質(zhì)，并盡可能選擇通過論證可用于氧氣介質(zhì)的材料，也就是需評定非金屬材料的氧兼容性。

氧兼容性好的材料主要具備高自燃溫度（非金屬材料）、高免除壓力（金屬材料）、低燃燒熱、高熱容、高導(dǎo)熱性和氧指數(shù)高等特性。銅、鎳及其合金材料（Monel）應(yīng)用于氧氣輸送系統(tǒng)中具有非常好的氧兼容性，在21 MPa以下沒有流速限制，通常此類材料被定義為免除型材料。非金屬材料和金屬相比更易燃燒。一般評估非金屬材料的氧兼容性，主要看其自燃溫度和燃燒熱（不同供應(yīng)商使用的加工工藝不同，非金屬材料的自燃溫度和燃燒熱也不同）。

國標(biāo)GB 16912[3]和GB 50030[4]對氧氣閥門材料的選用作出了規(guī)定。也就是說，對于p≤0.6 MPa (g)，0.6 MPa (g) 10 MPa (g)的不同壓力，用于氧閥的各主要零部件的材料具有不同的要求。此外，GB 16912還對不同的工作壓力規(guī)定了奧氏體不銹鋼管系中最高允許流速。標(biāo)準(zhǔn)對選材的要求較為嚴(yán)格，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)各種閥門的特性，評估整個(gè)管系的著火機(jī)理，適當(dāng)選擇經(jīng)濟(jì)合理的材料。

4　結(jié)語

總之，氧氣管道系統(tǒng)的閥門應(yīng)適用于氧氣介質(zhì)，并由有資質(zhì)經(jīng)驗(yàn)的供應(yīng)商提供材料，進(jìn)行設(shè)計(jì)制造。閥門的選材和機(jī)械設(shè)計(jì)需考慮正常和非正常工況。閥門的設(shè)計(jì)與選型應(yīng)遵循設(shè)計(jì)單位的工程規(guī)定以及國標(biāo)和有關(guān)規(guī)范的規(guī)定。宜選用氧兼容性好的非金屬材料并盡量減少用量。在特定位置宜選擇免除性金屬材料。應(yīng)采用良好的設(shè)備設(shè)計(jì)和布置，采用正確的防火措施，力求使火災(zāi)后果減至最小。

參考文獻(xiàn)

[1]IGC Doc 13/02/E,氧氣管道系統(tǒng)[S] .2002.

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[3]GB 16912—2008深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程[S] .

[4]GB 50030—2013氧氣站設(shè)計(jì)規(guī)范[S] .

綜述

化機(jī)制造

Brief Analysis of Measures to Reduce the Potential Risk of Oxygen Valve

Li Ying

Abstract：In order to prevent the accidents in the production, storage and usage of oxygen, the design and quality control of the valve which is the most critical component are of vital importance.The potential risks of the oxygen valve are analyzed and the measures to reduce the fire risk are investigated.In addition, the material selection of the oxygen valve is described.The risks of the oxygen valve can be reduced by engineering design optimizaiton, thus ensuring the personal and property safety of the users.

Key words：Oxygen valve; Ignition mechanism; Velocity limitation; Oxygen compatibility; Oxygen; Risk

(收稿日期:2015-06-11)

中圖分類號TQ 055.8

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.02.013