空分、煤氣化裝置的氧氣閥門設計

王春景，馬和明，李靖鑫，許洪巖

(1.空氣化工產品(中國)投資有限公司，上海 201203;2.蘇州紐威閥門股份有限公司，江蘇 蘇州 215129)

氧氣在空氣中占比21%，是一種相對豐富的元素，氧氣決定著植物和動物的生命，并支持燃燒和氧化，從而導致鋼鐵生銹及金屬氧化物的形成。氧氣具有許多商業用途，在煤化工裝置中，氧氣是生產合成氣的氣化劑，其與煤粉、蒸汽或水以一定的比例在氣化爐內發生反應，生成含有CO、H2、CO2等組分的合成氣。氧氣是助燃氣體，在干粉煤氣化裝置中，氧氣壓力為5 MPa左右，溫度接近200℃，在此條件下的氧氣非常危險，當氣化爐內有異常情況時，需要通過氧氣開關閥迅速切斷氧氣，防止過多氧氣進入爐內；同時，也防止高壓的合成氣或煤粉返串到氧氣管道內，從而避免燃燒和爆炸情況發生。因此，氧氣系統上的閥門具有非常關鍵的作用，要求在極短的時間內切斷系統與氣化爐隔離。由此，氧氣閥門設計也尤為重要，其一，要滿足煤化工生產工藝的要求，做到開關到位和高密封等級；其二，氧氣條件苛刻，閥門材料選擇及內部結構設計要考慮氧兼容性，避免在迅速開關情況下引發任何燃燒機理。本文結合EIGA、ASTM和JB/T12955等標準，總結了氧氣閥門的設計原理，以滿足煤化工裝置對氧氣閥門的要求。

1 氧氣系統閥門的型式及特點

在氧氣系統中，通常按照閥門的功能將其分為開關閥和調節閥兩類，所謂開關閥，即快開型閥門，當閥門有微量開啟就會有大量流體通過，其僅能處在全開或全關位置，不能開在中間位置，從而產生節流效應。通常閘閥、蝶閥、球閥可用作開關閥。開關閥不能在上下游帶有壓差下操作，通常會配有均壓的旁路，須先通過均壓旁路將閥門上下游的壓力平衡后再操作閥門。按照EIGA 13/12標準，當開關閥全部打開時，氧氣流是平穩的，閥體可認為非撞擊場合，閥芯(閘板、蝶板、球)則按撞擊場合考慮。因此，閥體與閥芯的材料設計遵循不同的壓力流速限制。調節閥，顧名思義即用于調節系統中的壓力或流量以滿足工藝生產要求。調節閥通常根據反饋的壓力、流量等參數來控制閥門開度大小，開關的動作可快可慢，并且需要在高壓差下操作，因此對閥門的要求極為苛刻，按照EIGA 13/12標準，調節閥處于高流速的撞擊和紊流場合，調節閥及下游8倍公稱直徑范圍內區域均須選用豁免材料，閥門的密封面可堆焊豁免材料，但應滿足豁免材料的最小厚度要求。調節閥可為手動或帶氣動或電動執行機構操作，通常為截止閥和蝶閥型式。

2 氧氣閥門基礎設計標準

氧用截止閥設計應符合標準JB/T10530，氧用球閥設計應符合標準API 608/ASME B16.34；氧用蝶閥應符合標準API 609，氧用閥門結構長度應符合標準ASME B16.10，閥門檢驗和試驗應符合標準API 598。

3 煤化工氧氣閥門的特點

與傳統空分行業的氧氣系統不同，干粉煤氣化工藝中，氧氣需要加熱至180℃以上，當與蒸汽混合后溫度約200℃，在此高溫條件下的氧氣危險性極高，多數非金屬材料和潤滑脂極容易燃燒，甚至金屬材料也容易被點燃。因此，系統上的氧氣閥門設計也極具挑戰。首先，要考慮在此苛刻條件下快速開關、無泄漏等性能，閥門設計應盡可能地減少外泄漏點；其次，還要評估由于閥門開關時所產生的摩擦、絕熱壓縮、顆粒物撞擊而可能引發燃燒和爆炸的概率，在設計中流道盡可能光滑平緩，過氧零件設計確保無尖角銳邊，同時要通過選擇兼容性高材料、避免絕熱壓縮產生及增強密封面的抗摩擦性等以增強閥門的安全可靠性。干粉煤氣化工藝中，常用的氧氣閥門型式為球閥和截止閥，氣動球閥通常作為氧氣系統的開關閥，迅速開啟或關閉以實現工藝操作的要求，氣動截止閥通常作為調節閥用于調節和控制氧氣的流量和壓力。按照EIGA13/12氧氣系統設計規范，球閥屬于快開型，當閥門打開時，由于上下游的高壓差，氧氣以聲速迅速將下游氣體壓縮，從而在末端發生絕熱壓縮而產生高溫，對于壓差5 MPa的氧氣發生絕熱壓縮可使終端的溫度達到600℃以上，足以將一些非金屬、潤滑脂等點燃。此外，球體流道邊緣處需要設計圓角過渡，如果設計銳角邊，通常球閥在打開和關閉時，此銳角邊與高流速的氧氣發生沖擊和摩擦，存在很大風險；而當球閥全部打開時，氧氣的流動可考慮為平穩，與閥體和球無沖擊。結合上述特點，氧氣球閥設計中要考慮如下幾點。

(1)壓旁路系統，避免高壓差開關閥門而產生絕熱壓縮。如圖1所示的絕熱壓縮升溫原理，當快速開啟球閥時，上游高壓氧會迅速通過閥門，將下游的低壓氧壓縮升溫，從而將末端的非金屬墊片或密封圈等點燃。按照EIGA13/12和JB/T12955要求，開關閥上下游應按圖2所示的旁路系統進行均壓，避免高壓差下開啟閥門，旁路管道應從氧氣主管的中心線或中心線以上接入，減少顆粒物等帶入旁路系統。旁路與主管的接頭應采用半管接頭插入主管內部，以避免氧氣與主管開孔邊緣處的撞擊和摩擦，此外，還要控制氧氣的流速，避免旁路的氧氣直接沖擊主管的底部，旁路管道及管件都需要按豁免材料設計。旁路上閥門為控制均壓的速度，具有節流功能，需承受氧氣的沖擊及可能的顆粒物撞擊，因此，通常選用豁免材料的硬密封截止閥。煤化工氧氣旁路閥的設計有些不同，通常選用氣動球閥加限流孔板設計，雖然球閥快速打開流量很大，但可通過限流孔板來限定流量，且下游不應有死端，避免絕熱壓縮。旁路球閥和孔板都屬于撞擊場合，應按豁免材料設計。

圖1 壓縮升溫點燃死端非金屬物

圖2 旁路均壓系統設計

(2)球閥的密封圈、填料等非金屬材料要考慮高溫氧氣工況，多數非金屬材料在氧氣下燃燒或變形，如氧兼容性較好的氟橡膠和氟塑料均不適用于此工況。石墨或石墨復合型材料也具有良好的氧兼容性，且石墨材料有耐高溫的特性，但純石墨脆性較大，用作填料材料時需考慮與閥桿摩擦而引起的脫落問題，設計中應考慮防止顆粒進入氧氣系統，此外，石墨及石墨復合型材料的墊片和填料在加工過程中要禁油并進行脫脂處理，按EIGA13/12要求，用于氧氣系統的非金屬材料應取得BAM認證，以確保此類產品在氧氣環境中的良好性能。所謂的BAM測試，是指在德國聯邦材料研究和測試所在氧氣環境下對非金屬材料進行的自發燃點測試，即在一定壓力和純度的氧氣條件下，對試樣材料進行加熱，從而能夠得知材料自發燃燒的最低溫度。目前，一些墊片和填料供應商對其氧用產品已經取得了BAM認證，設計者在設計中應明確此要求，并要求供應商提供相應報告。

(3)球閥通常有旁路均壓系統，因此，其閥體可定義為非撞擊場合，但對于球體、閥座等內件開關過程中承受氧氣的撞擊和摩擦，應定義為撞擊場合。按照EIGA13/12和JB/T12955的要求(見表1)，不銹鋼應用于非撞擊場合時應滿足PV≤80MPa·m/s，如用作閥體材料；不銹鋼應用于撞擊場合應滿足PV≤45MPa·m/s，如用于球體、閥座等材料。當PV超過非撞擊和撞擊場合的限制時，應選用豁免材料。EIGA 13/12和JB/T12955給出了豁免材料的最小厚度和豁免壓力，以供工程設計選用。表2列出閥門設計中常用豁免材料的最小厚度和豁免壓力。

表1 碳鈣與奧氏體不銹鈣材料管道的流速r限制

表2 豁免材料的豁免壓力及厚度限制

(4)球閥密封副的設計也是尤為關鍵，通常固定球閥是靠介質壓力推動金屬閥座與球體密封面間形成密封，密封比壓大小、密封面材料的彈性性能、機加工精度等對閥門的密封及可靠性有重要影響，在保證密封的同時又要關注閥門開啟的難易程度、密封面間的硬度、粗糙度、耐磨擦和劃傷等問題。因此，球閥密封面材料設計尤為重要。從氧氣兼容性的角度，密封面的材料應為豁免材料，如因科鎳爾或蒙乃爾等鎳基材料，但是單純的鎳基密封面材料硬度較低，多次開關后密封面可能會有劃傷等問題，因此需要通過對密封表面進行硬化處理。ASTM G88允許通過堆焊提高密封面的氧兼容性和耐磨性，但是堆焊層的厚度應為1mm到3mm，以防止堆焊層的脫落；按照JB/T12955要求，堆焊層的厚度不小于2mm，并且要有30HBW的硬度差，但堆焊工藝煩瑣，少有使用。ASTM G88不允許通過電鍍工藝增強密封面的兼容性，因為電鍍層較薄并容易脫落。現階段，氧氣球閥的密封面通常是將鎳基合金通過熱噴焊(噴涂+重熔)工藝提高其表面硬度，表面硬化涂層的厚度不小于0.8mm，硬度60HRC左右，具備良好的耐磨性能，密封面不易拉傷。熱噴焊工藝采用的是金屬冶煉的原理，將涂層與球體近似冶金結合，與堆焊工藝比較硬度更高，與電鍍工藝相比，熱噴焊涂層與球體不易脫落，但噴涂粉末的成分對涂層的氧兼容性有重要影響，應根據金屬元素在氧氣環境下的燃燒特性進行配比，以保證涂層的氧兼容性不低于閥座和球體材料的兼容性。金屬燃燒熱，也即氧化物形成熱，熱值越高，氧兼容性越低。如氧化鈹、氧化鋁的形成熱較高，這兩種材料不適合應用于氧氣系統(見表3)。若結合元素周期表，也可洞察出金屬元素的氧兼容性的規律。結合表3和圖3發現，鈹、鎂、鈣列金屬元素以及錋、鋁列金屬元素都具有較高的燃燒熱，不可應用于具有危險性的氧氣環境中，而鎳、鈀、鉑列元素和銅、銀、鈾列元素具有較低燃燒熱，因此具有較高的氧兼容性的鎳基、鈷基硬質合金是氧氣系統設計中常采用的金屬元素。

表3 金屬和合金燃燒熱或氧化物形成熱

注：數據引自ASTM G94。

圖3 危險氧氣環境下可應用和不可應用金屬元素

注：數據引自ASTMG94。

(5)氧氣閥門防靜電設計。氧氣閥門設計需要考慮防靜電設計，通常對于法蘭連接的閥門需要在法蘭外圓處設計防靜電導電螺栓，便于安裝防靜電導線。

綜上所述，煤化工氧氣閥門起著關鍵作用，其設計需要根據氧氣閥門使用工況，參考氧用閥門相關設計標準，從材料的氧氣兼容性、密封副設計、密封材料兼容性等方面考慮，以確保閥門的操作可靠性和安全性。此外，閥門和管道系統的脫脂清洗也是重要的環節，通過脫脂清洗可以將加工殘余的碳氫化合物及顆粒物等徹底去除，以確保氧氣系統的清潔，杜絕任何可能支持燃燒的要素。由此可見，氧氣閥門設計和制造的每個環節都非常重要，需要設計者和制造者的共同努力和認真對待，才能確保氧氣系統的安全性。