氧氣閥門(mén)材質(zhì)的選擇及配管設(shè)計(jì)的探討

齊菲

(中國(guó)天辰化學(xué)工程公司，天津 300400)

目前，在煤化工裝置中輸送高壓純氧時(shí)，稍有不慎，容易引起爆炸事故。由于氧氣助燃，因而閥門(mén)的選型、結(jié)構(gòu)、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(jìn)行氧氣閥門(mén)配管時(shí)，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(guò)程中，氧氣在管道系統(tǒng)中流動(dòng)會(huì)發(fā)生改變，歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(huì)(EIGA)制定的標(biāo)準(zhǔn)IGC Doc 13/12/E《OxygenPipelineandPipingSystems》中將氧氣工況劃分為“撞擊場(chǎng)合”和“非撞擊場(chǎng)合”。同樣在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》中也參考了EIGA的劃分方式。其定義： 使氧氣流動(dòng)方向突然改變或產(chǎn)生漩渦的位置，從而引起氧氣中夾帶的顆粒對(duì)管壁的撞擊，這樣的位置稱作“撞擊場(chǎng)合”，否則稱為“非撞擊場(chǎng)合”?！白矒魣?chǎng)合”容易發(fā)生激發(fā)能源，引起燃燒與爆炸，是危險(xiǎn)場(chǎng)合，安全控制要求更加嚴(yán)格。氧氣閥門(mén)就是典型的“撞擊場(chǎng)合”。

2 氧氣管道閥門(mén)

2.1 材質(zhì)的選取

在進(jìn)行材質(zhì)選擇時(shí)，根據(jù)不同金屬的可燃性，對(duì)氧氣的流速會(huì)有一定的限制要求。如果阻燃合金在管道的設(shè)計(jì)壓力下能夠阻燃，則此時(shí)不需要考慮流速限制。因此，在EIGA規(guī)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(duì)于豁免壓力仍需考慮金屬材料的厚度，相對(duì)于IGC Doc 13/02《OxygenPipelineSystems》，厚度在IGC Doc 13/12/E規(guī)范中有較大調(diào)整，且豁免壓力也略有調(diào)整?？偨Y(jié)常用的金屬豁免壓力和最小厚度要求見(jiàn)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(jiàn)表2所列(表2與EIGA標(biāo)準(zhǔn)一致)。該標(biāo)準(zhǔn)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(shí)沒(méi)有限制。

通過(guò)上述規(guī)范對(duì)比，選擇氧氣閥門(mén)的閥體及閥內(nèi)件材料時(shí)，推薦使用國(guó)標(biāo)結(jié)合EIGA規(guī)范進(jìn)行選擇。但需注意EIGA規(guī)范的溫度適用范圍為-30～200℃，壓力在21MPa以下，露點(diǎn)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(jì)算值為7.07m/s。pv=53.752MPa·m/s。通過(guò)查表2，閥門(mén)材料不允許使用奧氏體不銹鋼；通過(guò)查表1，壓力為7.6MPa 低于monel 400，monel K500的豁免壓力，對(duì)于閥芯閥座的選擇，可以考慮選擇monel合金?，F(xiàn)階段閥門(mén)廠家的常規(guī)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(zhì)堆焊，因?yàn)槎押笗r(shí)由于工藝水平限制，易產(chǎn)生一定的不安全因素，所以氧氣閥門(mén)盡量不宜使用硬質(zhì)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(shí)需考慮管道材質(zhì)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(diào)整閥門(mén)法蘭連接的壓力等級(jí)，并注意與管道專業(yè)的配合。

2.2 閥體結(jié)構(gòu)的選擇

氧氣管道上的閥門(mén)應(yīng)選用氧氣專用閥，國(guó)內(nèi)氧氣管道上多選用截止閥，普通閥門(mén)介質(zhì)的流動(dòng)方向是下進(jìn)上出。在氧氣工況下，閥門(mén)流道與普通閥門(mén)有所不同，選擇上進(jìn)下出，以保證閥桿受力良好，且閥芯快速關(guān)閉。同時(shí)，流道內(nèi)腔需光滑、流暢、無(wú)尖角，內(nèi)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(dòng)過(guò)程中無(wú)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(mén)配管的設(shè)計(jì)

在煤化工項(xiàng)目中，在氧氣進(jìn)入氣化爐前，閥門(mén)較多，且空間較小，因此，在設(shè)計(jì)中需要與管道專業(yè)做好配合工作，并給予相當(dāng)?shù)闹匾?。通常德士古氣化爐工藝中有2路氧氣(中心氧和環(huán)隙氧)進(jìn)入燒嘴，其中中心氧的配管更加復(fù)雜，包括測(cè)量流量的節(jié)流裝置、氧氣調(diào)節(jié)閥、氮?dú)獯祾咧?三通)及止逆閥。

除節(jié)流裝置應(yīng)滿足前后直管段要求外，氧氣閥門(mén)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(yīng)與閥門(mén)出口直接連接。調(diào)節(jié)閥組、干管閥門(mén)、供一個(gè)系統(tǒng)的支管閥門(mén)、車間入口閥門(mén)，其出口側(cè)的管道宜有長(zhǎng)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(shè)計(jì)規(guī)范》第12.0.18條提到： 氧氣管道的彎頭、分岔頭，不應(yīng)緊接安裝在閥門(mén)的下游；閥門(mén)的下游側(cè)宜設(shè)長(zhǎng)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(chǎng)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(jié)流閥和工藝控制閥紊流和撞擊工況不僅在閥門(mén)的閥芯閥座中存在，而且會(huì)延伸到下游8倍管道公稱直徑的長(zhǎng)度。

通過(guò)上述的規(guī)范對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)共同之處即閥門(mén)出口流速變化較快，沖擊較為嚴(yán)重，不宜緊接安裝彎通、三通，同時(shí)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(fā)生高速摩擦，容易積聚能量，如有雜質(zhì)進(jìn)入，將會(huì)引發(fā)起火，所以流道內(nèi)壁應(yīng)平滑、無(wú)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(xiǎn)性。因此在設(shè)計(jì)、加工、裝配、試驗(yàn)、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)，應(yīng)制訂嚴(yán)格的工藝規(guī)程，確保達(dá)到預(yù)定技術(shù)要求。同時(shí)，在工藝操作中也需要按照規(guī)程嚴(yán)格進(jìn)行操作，在純凈的氧氣環(huán)境下，如進(jìn)入任何一點(diǎn)油脂或顆粒物，均會(huì)造成重大危險(xiǎn)，所以對(duì)于工藝操作人員的安全培訓(xùn)也是重中之重。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，作為化工裝置中日益重要的一類管道，對(duì)氧氣管道設(shè)計(jì)和配管中存在的要點(diǎn)需要認(rèn)真研究，只有不斷提高氧氣管道的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，嚴(yán)把材料選用、管道布置、焊縫探傷、強(qiáng)度試驗(yàn)等環(huán)節(jié)，才能確保氧氣管道運(yùn)行安全和裝置的長(zhǎng)周期安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]王萬(wàn)榮.化工裝置中氧氣管道的設(shè)計(jì)和施工問(wèn)題的探討[J].小氮肥，2009，37(07)： 7-9.

[2]周璐.氧氣管道爆炸因素分析及預(yù)防措施[J].河北理工學(xué)院學(xué)報(bào)，1997，19(04)： 83-88.

[3]高秉申，吳越峰，吳禮學(xué).高參數(shù)氧氣管路閥門(mén)設(shè)計(jì)與研制[C]//第六屆全國(guó)閥門(mén)與管道學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.合肥： 合肥工業(yè)大學(xué)出版社，2009.

[4]樂(lè)精華，董霞，余雯鈺.氧氣管路專用閥門(mén)[J].閥門(mén)，2009，35(03)： 32-33.

[5]EIGA， IGC Doc 13/02/E Oxygen Pipeline Systems [S]. EIGA， 2002.

[6]EIGA， IGC Doc 13/12/E Oxygen Pipeline and Piping Systems [S]. EIGA， 2012.

[7]馬大方.氧氣管道的幾個(gè)安全問(wèn)題[J].工廠動(dòng)力，2010，61(01)： 26-34.

[8]袁自偉.水煤漿氣化工藝過(guò)程中的特殊閥門(mén)[J].石油化工自動(dòng)化，2009，45(03)： 33-36.

[9]高翔.氧氣管道設(shè)計(jì)及施工探討[J].山西化工，2011，31(06)： 53-55.