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1 氧氣控制閥設(shè)計規(guī)范氧氣閥門及管道內(nèi)介質(zhì)流速過快的原因分析

氧氣閥門及管道內(nèi)氧氣介質(zhì)流速過快是導(dǎo)致裝置發(fā)生爆炸的原因之一，而流速過快有以下幾方面原因。氧閥必須是全不銹鋼，去脂處理。可燃物在純氧環(huán)境下燃點(diǎn)非常低，氧氣在閥門內(nèi)流動，及容易爆炸。即使手觸摸一下留下的油脂都很危險。所以氧閥裝配車間環(huán)境要求很嚴(yán)格，零部件都需要清洗。石油資源緊缺是一個影響中國發(fā)展的大問題，但中國的煤炭資源非常豐富，因此，采用煤炭代替石油在中國得到了迅速的發(fā)展，大量的煤化工項目以及煤制油項目正在我國興建。煤化工及煤制油項目首先要進(jìn)行煤氣化，煤氣化是將煤、焦炭等固體燃料，在高溫下與氣化劑反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為氣體產(chǎn)物和少量殘渣的過程。煤氣化用的氣化劑主要是水蒸氣、空氣(或氧氣)或它們的混合氣，氣化反應(yīng)包括了一系列均相與非均相化學(xué)反應(yīng)。所得氣體產(chǎn)物視所用原料煤質(zhì)、氣化劑的種類和氣化過程不同而具有不同的組成，可分為空氣煤氣、半水煤氣、水煤氣等。煤氣化過程可用於生產(chǎn)燃料煤氣，作為工業(yè)窯爐用氣和城市煤氣，也用於制造合成氣，作為合成氨、合成甲醇和合成液體燃料的原料。

煤化工行業(yè)氧氣控制閥選型煤氣化爐是煤化工產(chǎn)業(yè)的，粉煤氣化技術(shù)是發(fā)展煤基化學(xué)品、煤基液體燃料、IGCC發(fā)電、多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、制氫等工藝過程的共性技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)。由於合成氨、甲醇、二甲醚、煤制油、煤制烯烴等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，中國的煤炭氣化工藝正由老式的UGI爐塊煤間歇?dú)饣杆傧?粉煤氣化工藝過渡，呈現(xiàn)出對各類粉煤氣化技術(shù)裝備的強(qiáng)勁需求。上世紀(jì)80年代，我國引進(jìn)了魯奇固定床、U-gas流化床、德士古氣流床煤氣化技術(shù)，近期又形成新一輪引進(jìn)殼牌技術(shù)的熱潮，世界上所有的類型煤氣化技術(shù)在我國幾乎都有應(yīng)用。氣化工藝按進(jìn)料方式不同分乾煤粉進(jìn)料和水煤漿進(jìn)料，按爐內(nèi)氣流方向分上行和下行兩類，按換熱方式分廢鍋型和直接水激冷型，按噴嘴的數(shù)量和布置分單噴嘴直噴和多噴嘴對噴，按氣化爐內(nèi)是否襯有耐火保溫材料分熱爐壁和水冷壁，按進(jìn)料方式分一段式和兩段式等等。煤化工及煤制油項目首先要進(jìn)行煤氣化，煤化工閥門用於煤氣化后煤渣的排放，煤氣化裝置條件非?？量?，煤制油、煤改油、煤氣化等煤化工項目對閥門的要求非常嚴(yán)格，要求閥門具有高耐磨、耐沖刷、防結(jié)垢、防結(jié)疤、快速切斷等功能。高壓（一般采用Class600至Class900壓力級）、高溫、介質(zhì)（煤渣）硬度非常高、啟閉頻繁（半個小時動作一次）、口徑大（一般為DN300～DN450）、啟閉速度快（一般為3秒至10秒）、而且要求煤氣化閥門的密封性能好，可靠性高。

1.1 煤化工行業(yè)氧氣控制閥選型氧氣的特性

氧氣本身不能燃燒，但它是一種化學(xué)性質(zhì)極為活躍的助燃?xì)怏w，屬于強(qiáng)氧化劑。氧與其他物質(zhì)化合生成氧化物的氧化反應(yīng)無時不在進(jìn)行，與氫、乙炔、甲烷、煤氣、天然氣等可燃?xì)怏w，按一定比例混合后容易發(fā)生爆炸。其化學(xué)反應(yīng)的能力隨著氧氣壓力的增大和溫度的升高而顯著增強(qiáng)，氧氣的純度越高，壓力越高，危險性越大。各種油脂與高壓氧氣接觸，就會發(fā)生激烈的氧化反應(yīng)而迅速燃燒甚至爆炸。由此可見，氧氣既是助燃?xì)怏w，又可以促使某些易燃物質(zhì)自燃。

1.2氧氣的爆炸和燃爆

1）物理爆炸。無化學(xué)反應(yīng)，也沒有大幅升溫現(xiàn)象。一般是在常溫或比常溫稍高的溫度下，由于氣壓超過了受壓容器或管道的屈服極限乃至強(qiáng)度極限，造成壓力容器或管道爆裂，如氧氣鋼瓶使用年限過久，腐蝕嚴(yán)重，瓶壁變薄，又沒有檢查，以致在充氣時或充氣后發(fā)生物理性超壓爆炸。

2）化學(xué)爆炸。有化學(xué)反應(yīng)，并產(chǎn)生高溫、高壓，瞬時發(fā)生爆炸，如氫、氧混合裝瓶，見火即爆。

3）氧氣的燃爆。發(fā)生燃爆需要可燃物、氧化劑和激發(fā)能源三要素同時存在。氧氣和液氧都是很強(qiáng)的氧化劑，當(dāng)可燃物與氧混合并存在激發(fā)能源時，可能發(fā)生燃燒，但不一定爆炸。只有當(dāng)氧與可燃?xì)怏w均勻混合，體積分?jǐn)?shù)在爆炸極限范圍內(nèi)時，遇到激發(fā)能源，才能引發(fā)爆炸。這也是燃燒條件和爆炸條件的*差別。

1.3 氧氣控制閥設(shè)計規(guī)范氧氣管道發(fā)生爆炸的原因

氧氣管道曾經(jīng)發(fā)生過多起管道燃燒、爆炸的事故，并且多數(shù)是在閥門開啟時。氧氣管道材質(zhì)為鋼管，鐵素體在有氧狀態(tài)中一旦著火，其燃燒熱非常大，溫度急劇上升，呈白熱狀態(tài)，鋼管會被燒熔化。分析其原因，必定要有突發(fā)性的激發(fā)能源，加之閥門內(nèi)有油脂等可燃物質(zhì)才能引起。激發(fā)能源包括機(jī)械能，如：撞擊、摩擦、絕熱壓縮等；熱能如高溫氣體、火焰等；電能如電火花、靜電等。

氧氣管道內(nèi)的鐵銹、粉塵、焊渣與管道內(nèi)壁或閥門入口摩擦產(chǎn)生高溫發(fā)生燃燒，和這些雜質(zhì)的種類、粒度及氣體流速有關(guān)，鐵粉易與氧氣發(fā)生燃燒，且粒度越細(xì)，燃點(diǎn)越低，氧氣流速越快，越易發(fā)生燃燒。

1.4 氧氣閥門著火原因

氧氣閥門發(fā)生燃燒事故的必要條件是著火源，如果沒有著火源，氧氣閥門是不會燃燒的。著火源中的明火，是導(dǎo)致氧氣管道著火、爆炸的直接原因。引起明火的原因很多，如：顆粒撞擊、絕熱壓縮、摩擦、靜電等。管道安裝時，如果沒有良好的接地，氣流與管壁摩擦產(chǎn)生靜電，當(dāng)電位積聚到一定數(shù)值時，就可能產(chǎn)生電火花，引起管道內(nèi)氧氣燃燒。

1.5 氧氣閥門操作存在的潛在危險性

當(dāng)氧氣管道中存在低著火點(diǎn)300～400℃的可燃物質(zhì)時，低著火點(diǎn)的物質(zhì)在氧氣中快速燃燒放出熱量產(chǎn)生的溫度可達(dá)800～900℃，而導(dǎo)致氧氣閥門燃燒。氧氣管道中的低著火點(diǎn)可燃物質(zhì)一般主要是鐵（Fｅ）和氧化鐵（FｅO）固體顆粒或粉末，通常為鐵銹、焊渣等物質(zhì)。當(dāng)閥門開、關(guān)操作較快時，管道內(nèi)氧氣流速帶動固體顆粒與閥門入口或管壁產(chǎn)生撞擊和摩擦，開、關(guān)閥門時間越短，即氧氣流速愈大，摩擦產(chǎn)生的熱量就會越高。此時氧氣產(chǎn)生絕熱壓縮溫升，理論計算可達(dá)到300～500℃的溫升，管道內(nèi)的鐵銹、焊渣等低著火點(diǎn)物質(zhì)就會燃燒。因閥門快速打開，在閥門出口處氧氣流速可能達(dá)到音速，形成6～7kV的靜電，電位差達(dá)到2kV以上就會產(chǎn)生火花放電。

綜上所述，煤化工空分裝置生產(chǎn)的氧氣純度為99.6％左右，管道內(nèi)氧氣輸送壓力高，閥門開、關(guān)時間短等是產(chǎn)生氧氣流速過快的主要因素。

2 氧氣流速對閥門材質(zhì)選擇的影響

氧氣管道中控制zui高允許流速是至關(guān)重要的安全問題。下面以某水煤漿氣化技術(shù)氧碳比控制閥的工藝參數(shù)為例，說明在設(shè)計條件下的高壓氧氣管道和氧氣控制閥的材質(zhì)選擇方案。

工藝參數(shù)條件：氧氣管道外徑為219MM，內(nèi)徑為202MM，正常運(yùn)行工況下，操作溫度為33℃，設(shè)計溫度為65℃，閥前壓力為表壓8.48MPa，設(shè)計壓力為表壓9.90MPa，標(biāo)準(zhǔn)密度為1.43kg/M3，操作密度為119kg/M3，標(biāo)準(zhǔn)正常流量約為4.16×104M3/h，標(biāo)準(zhǔn)zui大流量約為4.64×104M3/h。在該工藝操作條件下，經(jīng)過計算，管道內(nèi)氧氣的正常流速和zui大流速分別為4.33M/s和4.84M/s。通過下面分析給出管道和控制閥的材質(zhì)的選擇方案。

2.1 國家標(biāo)準(zhǔn)對管道內(nèi)氧氣介質(zhì)流速的規(guī)定

在GB50030—2013《氧氣站設(shè)計規(guī)范》中規(guī)定的氧氣管道內(nèi)的zui高流速要求見表1所列。

表1 GB50030—2013氧氣管道內(nèi)的zui高允許流速

在GB16912—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》中對氧氣管道采用不同材質(zhì)時對應(yīng)的流速也給出了定義，見表2所列。表2 GB16912—2008氧氣管道中流速定義

注：1、不銹鋼材質(zhì)在非撞擊場合，ｐ＞10MPa時，流速限制為8.0M/s；

2、zui高允許流速是指管系zui低工作壓力、zui高工作溫度時的實際流速；

3、銅及銅合金（含鋁銅合金除外）、鎳及鎳基合金，在不大于21.0MPa條件下，流速在壓力降允許時沒有限制；

1）使流體流動方向突然改變或產(chǎn)生旋渦的位置，從而引起流體中顆粒對管壁的撞擊，這樣的位置稱做撞擊場合，否則稱為非撞擊場合。

對于流速的定義，均參考了歐洲工業(yè)氣體協(xié)會（EIGA）Oxygen Pipeline Systems規(guī)范中的流速定義。從表1，表2可以看出，氧氣管道壓力p為10MPa左右，流速超過4.5M/s時，管道材質(zhì)應(yīng)優(yōu)先選用鎳基合金INconel或銅基合金Monel材質(zhì)。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)對氧氣場合材質(zhì)和流速的規(guī)定

在氧氣介質(zhì)選擇管道材質(zhì)時，根據(jù)不同金屬的可燃性，對氧氣的流速會有一定的限制要求。合金材質(zhì)在管道的設(shè)計壓力下能夠阻燃，則此時不需要考慮流速限制。EIGA在Oxygen Pipeline Systems規(guī)范中提出了豁免壓力，即在氧氣場合為金屬可免除考慮流速限制的zui小壓力。從2002—2012年10A期間該規(guī)范就銅基合金Monel材質(zhì)和鎳基合金Inconel材質(zhì)的豁免壓力和金屬管壁厚度有了較大修訂。

2002年IGC Doc13/02/E Oxygen Pipeline Systems中，對不同材質(zhì)的金屬豁免壓力和zui小厚度給出了規(guī)定，見表3所列。而在2012年IGCDoc13/12/E Oxygen Pipeline and Piping Systems升版規(guī)范中，Inconel 600和Inconel625的豁免壓力正好相反，同時對金屬管壁厚度也做了補(bǔ)充規(guī)定，見表4所列。表3 IGC Doc13/02/E金屬豁免壓力和zui小厚度要求表4 IGC Doc13/12/E金屬豁免壓力和zui小厚度要求從表3，表4中可以看出，Monel400和Monel500的豁免壓力在不大于20.68MPa時，氧氣流速在壓力降允許時沒有限制；而Inconel 600的豁免壓力在不大于8.61MPa和Incomel 625的豁免壓力在不大于6.90MPa時，氧氣流速在壓力降允許時沒有限制。

2.3 氧氣控制閥材質(zhì)選用的規(guī)定

氧氣控制閥在打開和關(guān)閉時，氧氣流動方向突然發(fā)生了改變，并會產(chǎn)生旋渦，從而導(dǎo)致氧氣中夾帶的顆粒對閥芯產(chǎn)生撞擊，因而必須考慮閥芯材質(zhì)的撞擊流速。在GB16912—2008中給出了在不同工作壓力下氧氣閥門材料選用規(guī)定，見表5所列。表5 GB16912—2008氧氣閥門材料選用規(guī)定注：1、工作壓力為0.1MPa以上的壓力或流量調(diào)節(jié)閥的材料，應(yīng)采用不銹鋼或銅基合金或以上兩種組合；

2、閥門的密封填料，應(yīng)采用聚四氟乙烯或柔性石墨材料。

綜上所述，在水煤漿氣化技術(shù)工程設(shè)計中，依據(jù)設(shè)計條件，如果氧氣介質(zhì)設(shè)計溫度較低，設(shè)計壓力較高，流速較快等，結(jié)合表1，表2，表4，氧氣管道材質(zhì)可選用鎳基合金或銅基合金；結(jié)合表5，氧氣控制閥閥體材質(zhì)可選用鎳基合金或銅基合金，閥芯材質(zhì)可選用鎳基合金Inconel 625或銅基合金Monel 500，即閥體材質(zhì)和閥芯材質(zhì)均為阻燃合金，此時氧氣介質(zhì)與閥芯在撞擊時是沒有流速限制的，即使氧氣中有夾帶顆粒也不會產(chǎn)生火花，從而避免了氧氣管道介質(zhì)壓力高流速而產(chǎn)生的安全隱患。

3 氧氣控制閥鍛造閥體和鑄造閥體的選擇及制造檢驗要求

3.1 氧氣控制閥鍛造閥體和鑄造閥體的選擇

在ASME B16.34-2013 Valves-flanged，Threaded，and Welding End中，給出了閥體選用銅基合金和鎳基合金的材料組別：

1）銅基合金材料組別Material Group3.4，鍛造Forgings Spec.No.B564，等級Grade N04400，即Monel 400，沒有鑄造定義。

2）鎳基合金材料組別Material Group3.8，鍛造Forgings Spec.No.B564，等級Grade N06625，即Inconel 625，沒有鑄造定義。

3）對于N05500銅基合金Monel 500，在Group 3 Materials中無論鍛造或鑄造均未定義。

4）在GB16912—2008規(guī)范8.5.1條款中，給出了氧氣閥門材質(zhì)在ｐ＞10MPa時，允許采用銅基合金、鎳基合金，沒有具體給出銅基合金和鎳基合金的具體材料組別。

根據(jù)ASME B16.34—2013鍛造閥體和鑄造閥體材料規(guī)定可以看出，針對銅基合金和鎳基合金材料，對鍛造的材料等級有規(guī)定，而對鑄造材料等級幾乎沒有定義，德國DIN標(biāo)準(zhǔn)對特種合金材料鍛造和鑄造都有規(guī)定。因此，當(dāng)需要銅基合金或鎳基合金材料做為閥體材質(zhì)時，優(yōu)先推薦采用鍛造閥體。

3.2 對氧氣閥門的制造檢驗要求的建議

鑒于氧氣控制閥（特別是高壓操作條件）的重要性，根據(jù)ASME B16.34—2013和以往工程經(jīng)驗，在氧氣控制閥采購時，對閥門的制造檢驗要求提出如下建議：

1）采用鍛件加工閥體時。法蘭和閥體整體鍛造，嚴(yán)禁法蘭與閥體焊接，同時鍛件閥體必須逐臺進(jìn)行100％超聲波（UT）檢驗和100％液態(tài)滲透（PT）檢驗，檢驗和驗收按照ASME B16.34—2013標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，并逐臺提供檢驗報告。

2）采用鑄造加工閥體時。法蘭和閥體整體鑄造，鑄造閥體應(yīng)逐臺100％進(jìn)行射線檢查，檢查方法和質(zhì)量評定按照ASME B16.34—2013標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。檢查結(jié)果應(yīng)符合：氣孔（A）不小于2級，夾砂（B）不小于2級，縮孔（CA，CB，CC，CD）不小于2級，熱裂紋和冷裂紋（D，E）無，夾雜、麻孔（F，G）無，同時逐臺提供檢驗報告。

4 氧氣控制閥閥體和閥芯材質(zhì)匹配的推薦

通常，煤化工中的空分裝置輸送到煤氣化裝置的氣態(tài)氧氣溫度接近常溫，而在靠近氣化爐爐頭安裝的控制閥，在故障情況下氣化爐回火會導(dǎo)致氣化爐爐頭氧氣管道局部高溫的現(xiàn)象，設(shè)計溫度約455℃。在該部位，對于氧氣控制閥閥體和閥芯材質(zhì)匹配，必須考慮在該溫度下所能承受的壓力以及所選材質(zhì)在高溫下可能產(chǎn)生的線膨脹系數(shù)的影響。銅基合金和鎳基合金材質(zhì)在不同溫度下的平均線膨脹系數(shù)見表6所列。表6 銅基合金和鎳基合金材質(zhì)平均線膨脹系數(shù)    1/℃

當(dāng)閥體和閥芯選用不同組別的合金材質(zhì)時，尤其是在出現(xiàn)高溫場合，應(yīng)特別注意材質(zhì)的線膨脹系數(shù)的匹配。根據(jù)表6中的銅基合金和鎳基合金材質(zhì)線膨脹系數(shù)對比，100℃與500℃金屬的線膨脹系數(shù)變化還是比較大的，因而在氣化爐爐頭部位的控制閥，建議選用的閥芯材質(zhì)的線膨脹系數(shù)比閥體的線膨脹系數(shù)小，以免發(fā)生在高溫情況下閥芯與閥體抱死的情況。

根據(jù)以上資料及以往工程項目應(yīng)用經(jīng)驗的積累，對氧氣閥門材料的選用，首先應(yīng)考慮安全性，其次是強(qiáng)度、經(jīng)濟(jì)性。合金材質(zhì)做為閥體和閥芯時，在氧氣場合不同工況下，優(yōu)先推薦以下控制閥閥體和閥芯的材質(zhì)組合，閥體材質(zhì)建議與管道材質(zhì)一致。

1）根據(jù)表2和表5，ｐ＜10MPa或流速小于4.5M/s時，采用316SS閥體加Inconel 625閥芯。

2）根據(jù)表4～6，ｐ＜6.90MPa時，采用Inconel 600閥體加Inconel 625閥芯；或采用Monel 400閥體加Inconel 625閥芯；ｐ＜8.61MPa時，采用Monel 400閥體加Inconel 600閥芯；ｐ＜20.68MPa時，采用Monel 400閥體加Monel 500閥芯。

不銹鋼不會生銹，銅基合金、鎳基合金在氧氣摩擦沖擊時不起火，阻燃性好，安全性高。

5 氧氣閥門在工程設(shè)計及應(yīng)用中注意事項

氧氣控制閥在設(shè)計中需注意以下幾個方面：

1）設(shè)計中氧氣場合嚴(yán)禁采用閘閥。

2）氧氣控制閥應(yīng)采用金屬硬密封型式，閥門泄漏等級要求ANSI V級以上。

3）閥門、閥桿材質(zhì)，填料材質(zhì)等可根據(jù)規(guī)定執(zhí)行。

4）氧氣調(diào)節(jié)閥組應(yīng)設(shè)置獨(dú)立閥室或防火墻，手動閥桿宜伸出防火墻外操作。若不單獨(dú)設(shè)置閥室防火墻時，氧氣調(diào)節(jié)閥前后8倍調(diào)節(jié)閥管道公稱直徑范圍內(nèi)，應(yīng)采用銅基合金Monel或鎳基合金Inconel材質(zhì)的管道。

5）氧氣壓力ｐ＞1.0MPa且公稱直徑D≥150MM口徑的閥門，宜采用氣動控制閥，進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作，避免事故傷人。

氧氣控制閥在施工、運(yùn)行及維護(hù)時，還需注意以下幾方面：

1）施工、維修后的氧氣管道，在輸送氧氣前，應(yīng)確認(rèn)氧氣過濾器內(nèi)清潔無雜物，氧氣過濾器應(yīng)定期清洗。

2）氧氣管道在安裝、檢修后或長期停用后再投入使用前，應(yīng)將管內(nèi)殘留的水分、鐵屑、雜物等用無油干燥空氣或氮?dú)獯祾吒蓛簦敝翢o鐵屑、塵埃及其他雜物為止，吹掃速度應(yīng)不小于20M/s，且不低于氧氣管道設(shè)計流速，嚴(yán)禁用氧氣吹掃管道。

3）定期檢查氧氣閥門法蘭連接處是否有漏氣。

4）氧氣管道及閥門需進(jìn)行脫油脫脂處理。

5）生產(chǎn)操作人員需要定期安全培訓(xùn)。