宋燕

煤化工中氧氣控制閥選用的安全措施

宋燕

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

針對《空分裝置安全運行規(guī)定》中的條款，應(yīng)重視氧氣閥門的安全操作，采取安全防范措施，避免因流速過快等原因發(fā)生爆炸。介紹了煤化工項目工程設(shè)計階段對氧氣控制閥材料的選擇上的重要性。通過對氧氣介質(zhì)的流速分析,給出了氧氣用控制閥閥體和閥芯材質(zhì)選用的安全措施，在源頭上解決流速過快可能引發(fā)的爆炸問題；對氧氣控制閥出廠檢驗提出要求，同時給出閥體材質(zhì)和閥芯材質(zhì)的匹配的建議，強調(diào)了氧氣閥門在操作時的注意事項。

氧氣 流速 控制閥 銅基合金 鎳基合金

1 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。

1.1 氧氣的特性

氧氣本身不能燃燒，但它是一種化學(xué)性質(zhì)極為活躍的助燃氣體，屬于強氧化劑。氧與其他物質(zhì)化合生成氧化物的氧化反應(yīng)無時不在進行，與氫、乙炔、甲烷、煤氣、天然氣等可燃氣體，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，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，氧氣既是助燃氣體，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)氧與可燃氣體均勻混合，體積分數(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唯一差別。

1.3 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，燃點越低，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300～400℃的可燃物質(zhì)時，低著火點的物質(zhì)在氧氣中快速燃燒放出熱量產(chǎn)生的溫度可達800～900℃，而導(dǎo)致氧氣閥門燃燒。氧氣管道中的低著火點可燃物質(zhì)一般主要是鐵(Fe)和氧化鐵(FeO)固體顆?；蚍勰ǔ殍F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，理論計算可達到300～500℃的溫升，管道內(nèi)的鐵銹、焊渣等低著火點物質(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到音速，形成6～7kV的靜電，電位差達到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

氧氣管道中控制最高允許流速是至關(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219 mm，內(nèi)徑為202 mm，正常運行工況下，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)準密度為1.43 kg/m3，操作密度為119 kg/m3，標(biāo)準正常流量約為4.16× 104m3/h，標(biāo)準最大流量約為4.64×104m3/h。在該工藝操作條件下，經(jīng)過計算，管道內(nèi)氧氣的正常流速和最大流速分別為4.33 m/s和4.84 m/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)準對管道內(nèi)氧氣介質(zhì)流速的規(guī)定

在GB 50030—2013《氧氣站設(shè)計規(guī)范》〔1〕中規(guī)定的氧氣管道內(nèi)的最高流速要求見表1所列。

表1 GB 50030—2013氧氣管道內(nèi)的最高允許流速

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》〔2〕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 GB 16912—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>10 MPa時，流速限制為8.0 m/s; ② 最高允許流速是指管系最低工作壓力、最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21.0 MPa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。

文獻[1]和[2]對于流速的定義，均參考了歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(EIGA)OxygenPipelineSystems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10 MPa左右，流速超過4.5 m/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 國際標(biāo)準對氧氣場合材質(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OxygenPipelineSystems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最小壓力。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 Doc 13/02/EOxygenPipelineSystems〔3〕中，對不同材質(zhì)的金屬豁免壓力和最小厚度給出了規(guī)定，見表3所列。而在2012年IGC Doc 13/12/EOxygenPipelineandPipingSystems〔4〕升版規(guī)范中， Inconel 600和Inconel 625的豁免壓力正好相反，同時對金屬管壁厚度也做了補充規(guī)定，見表4所列。

表3 IGC Doc 13/02/E 金屬豁免壓力和最小厚度要求

表4 IGC Doc 13/12/E金屬豁免壓力和最小厚度要求

從表3,表4中可以看出，Monel 400和Monel 500的豁免壓力在不大于20.68 MPa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8.61 MPa和Inconel 625的豁免壓力在不大于6.90 MPa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GB 16912—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 GB 16912—2008氧氣閥門材料選用規(guī)定

注： ① 工作壓力為0.1 MPa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—2013Valves-flanged,Threaded,andWeldingEnd〔5〕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 Group 3.4，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 Group 3.8，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GB 16912—2008規(guī)范8.5.1條款中，給出了氧氣閥門材質(zhì)在p>10 MPa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，嚴禁法蘭與閥體焊接，同時鍛件閥體必須逐臺進行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)準進行，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%進行射線檢查，檢查方法和質(zhì)量評定按照ASME B16.34—2013標(biāo)準進行。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[6]。

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，其次是強度、經(jīng)濟性。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<10 MPa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<6.90 MPa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<8.61 MPa時，采用Monel 400閥體加Inconel 600閥芯；p<20.68 MPa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)文獻[2]中規(guī)定執(zhí)行。

4) 氧氣調(diào)節(jié)閥組應(yīng)設(shè)置獨立閥室或防火墻，手動閥桿宜伸出防火墻外操作。若不單獨設(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>1.0 MPa且公稱直徑D≥150 mm口徑的閥門，宜采用氣動控制閥，進行遠距離操作，避免事故傷人。

氧氣控制閥在施工、運行及維護時，還需注意以下幾方面[7]：

1) 施工、維修后的氧氣管道，在輸送氧氣前，應(yīng)確認氧氣過濾器內(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氣吹掃干凈，直至無鐵屑、塵埃及其他雜物為止，吹掃速度應(yīng)不小于20 m/s，且不低于氧氣管道設(shè)計流速，嚴禁用氧氣吹掃管道。

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行脫油脫脂處理。

5) 生產(chǎn)操作人員需要定期安全培訓(xùn)。

[1] 舒世安，陳霖新. GB 50030—2013氧氣站設(shè)計規(guī)范[S].北京： 中國計劃出版社,2013.

[2] 曾慕成，馬大方，劉凌燕.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]. 武漢： 中國標(biāo)準出版社,2008.

[3] European Industrial Gases Association. IGC Doc 13/02/E Oxygen Pipeline Systems[S]. European Industrial Gases Association, 2002.

[4] European Industrial Gases Association. IGC Doc 13/12/E Oxygen Pipeline and Piping Systems[S]. European Industrial Gases Association，2012.

[5] The American Society of Mechanical Engineers. ASME B16.34—2013 Valves — Flanged, Threaded, and Welding End [S]. New York： The American Society of Mechanical Engineers，2013.

[6] 技能士の友編輯部.金屬材料知識[M]. 李用哲，譯.北京： 機械工業(yè)出版社，2009.

[7] 馬大方. 氧氣管道安全措施[M]. 深冷技術(shù), 2009(06)： 57-58.

Safety Measures for Oxygen Control Valves Selection in Coal Chemical Industry

Song Yan

(Sinopec Ningbo Engineering Co.Ltd., Ningbo, 315103, China)

s: According to iterms inProvisionsonSafeOperationofAirSeparationUnit, safe operation of oxygen valves should be stressed. Feasible safety measures should be taken to avoid explosion caused by excessive oxygen flow rate, etc. Importance of selection of oxygen control valve material in design stage for coal chemical project is introduced. Based on analysis of oxygen flow rate, safety measures for material selection of body and trim for control valve are proposed. Possible explosion caused by excessive oxygen flow rate is solved from the beginning. Control of factory inspection requirements of oxygen valve is raised. Recommendations on material matching for valve body and trim are given. Precautions in operation of oxygen valve is stressed.

oxygen; oxygen flow rate; control valves; copper base alloy; nickel base alloy

宋燕， 1986年畢業(yè)于大連工學(xué)院化工自動化及儀表專業(yè)，現(xiàn)就職于中石化寧波工程有限公司，長期從事自動控制及儀表設(shè)計工作，任專業(yè)副總。

TH138.52

B

1007-7324(2017)02-0013-04

稿件收到日期： 2017-01-10。