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1 氧氣控制閥設計規范氧氣閥門及管道內介質流速過快的原因分析

氧氣閥門及管道內氧氣介質流速過快是導致裝置發生爆炸的原因之一，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。可燃物在純氧環境下燃點非常低，氧氣在閥門內流動，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境要求很嚴格，零部件都需要清洗。石油資源緊缺是一個影響中國發展的大問題，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，轉化為氣體產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，氣化反應包括了一系列均相與非均相化學反應。所得氣體產物視所用原料煤質、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燃料煤氣，作為工業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。

煤化工行業氧氣控制閥選型煤氣化爐是煤化工產業的，粉煤氣化技術是發展煤基化學品、煤基液體燃料、IGCC發電、多聯產系統、制氫等工藝過程的共性技術和關鍵技術。由於合成氨、甲醇、二甲醚、煤制油、煤制烯烴等產業的快速發展，中國的煤炭氣化工藝正由老式的UGI爐塊煤間歇氣化迅速向*粉煤氣化工藝過渡，呈現出對各類粉煤氣化技術裝備的強勁需求。上世紀80年代，我國引進了魯奇固定床、U-gas流化床、德士古氣流床煤氣化技術，近期又形成新一輪引進殼牌技術的熱潮，世界上所有的類型煤氣化技術在我國幾乎都有應用。氣化工藝按進料方式不同分乾煤粉進料和水煤漿進料，按爐內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，按噴嘴的數量和布置分單噴嘴直噴和多噴嘴對噴，按氣化爐內是否襯有耐火保溫材料分熱爐壁和水冷壁，按進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，煤氣化裝置條件非常苛刻，煤制油、煤改油、煤氣化等煤化工項目對閥門的要求非常嚴格，要求閥門具有高耐磨、耐沖刷、防結垢、防結疤、快速切斷等功能。高壓（一般采用Class600至Class900壓力級）、高溫、介質（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，但它是一種化學性質極為活躍的助燃氣體，屬于強氧化劑。氧與其他物質化合生成氧化物的氧化反應無時不在進行，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生爆炸。其化學反應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，就會發生激烈的氧化反應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自燃。

1.2氧氣的爆炸和燃爆

1）物理爆炸。無化學反應，也沒有大幅升溫現象。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生物理性超壓爆炸。

2）化學爆炸。有化學反應，并產生高溫、高壓，瞬時發生爆炸，如氫、氧混合裝瓶，見火即爆。

3）氧氣的燃爆。發生燃爆需要可燃物、氧化劑和激發能源三要素同時存在。氧氣和液氧都是很強的氧化劑，當可燃物與氧混合并存在激發能源時，可能發生燃燒，但不一定爆炸。只有當氧與可燃氣體均勻混合，體積分數在爆炸極限范圍內時，遇到激發能源，才能引發爆炸。這也是燃燒條件和爆炸條件的*差別。

1.3 氧氣控制閥設計規范氧氣管道發生爆炸的原因

氧氣管道曾經發生過多起管道燃燒、爆炸的事故，并且多數是在閥門開啟時。氧氣管道材質為鋼管，鐵素體在有氧狀態中一旦著火，其燃燒熱非常大，溫度急劇上升，呈白熱狀態，鋼管會被燒熔化。分析其原因，必定要有突發性的激發能源，加之閥門內有油脂等可燃物質才能引起。激發能源包括機械能，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。

氧氣管道內的鐵銹、粉塵、焊渣與管道內壁或閥門入口摩擦產生高溫發生燃燒，和這些雜質的種類、粒度及氣體流速有關，鐵粉易與氧氣發生燃燒，且粒度越細，燃點越低，氧氣流速越快，越易發生燃燒。

1.4 氧氣閥門著火原因

氧氣閥門發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，氣流與管壁摩擦產生靜電，當電位積聚到一定數值時，就可能產生電火花，引起管道內氧氣燃燒。

1.5 氧氣閥門操作存在的潛在危險性

當氧氣管道中存在低著火點300～400℃的可燃物質時，低著火點的物質在氧氣中快速燃燒放出熱量產生的溫度可達800～900℃，而導致氧氣閥門燃燒。氧氣管道中的低著火點可燃物質一般主要是鐵（Fｅ）和氧化鐵（FｅO）固體顆粒或粉末，通常為鐵銹、焊渣等物質。當閥門開、關操作較快時，管道內氧氣流速帶動固體顆粒與閥門入口或管壁產生撞擊和摩擦，開、關閥門時間越短，即氧氣流速愈大，摩擦產生的熱量就會越高。此時氧氣產生絕熱壓縮溫升，理論計算可達到300～500℃的溫升，管道內的鐵銹、焊渣等低著火點物質就會燃燒。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以上就會產生火花放電。

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

2 氧氣流速對閥門材質選擇的影響

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

工藝參數條件：氧氣管道外徑為219MM，內徑為202MM，正常運行工況下，操作溫度為33℃，設計溫度為65℃，閥前壓力為表壓8.48MPa，設計壓力為表壓9.90MPa，標準密度為1.43kg/M3，操作密度為119kg/M3，標準正常流量約為4.16×104M3/h，標準zui大流量約為4.64×104M3/h。在該工藝操作條件下，經過計算，管道內氧氣的正常流速和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的選擇方案。

2.1 國家標準對管道內氧氣介質流速的規定

在GB50030—2013《氧氣站設計規范》中規定的氧氣管道內的zui高流速要求見表1所列。

表1 GB50030—2013氧氣管道內的zui高允許流速

在GB16912—2008《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程》中對氧氣管道采用不同材質時對應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，均參考了歐洲工業氣體協會（EIGA）Oxygen Pipeline Systems規范中的流速定義。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，管道材質應優先選用鎳基合金INconel或銅基合金Monel材質。

2.2 標準對氧氣場合材質和流速的規定

在氧氣介質選擇管道材質時，根據不同金屬的可燃性，對氧氣的流速會有一定的限制要求。合金材質在管道的設計壓力下能夠阻燃，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期間該規范就銅基合金Monel材質和鎳基合金Inconel材質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，對不同材質的金屬豁免壓力和zui小厚度給出了規定，見表3所列。而在2012年IGCDoc13/12/E Oxygen Pipeline and Piping Systems升版規范中，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充規定，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 氧氣控制閥材質選用的規定

氧氣控制閥在打開和關閉時，氧氣流動方向突然發生了改變，并會產生旋渦，從而導致氧氣中夾帶的顆粒對閥芯產生撞擊，因而必須考慮閥芯材質的撞擊流速。在GB16912—2008中給出了在不同工作壓力下氧氣閥門材料選用規定，見表5所列。表5 GB16912—2008氧氣閥門材料選用規定注：1、工作壓力為0.1MPa以上的壓力或流量調節閥的材料，應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，在水煤漿氣化技術工程設計中，依據設計條件，如果氧氣介質設計溫度較低，設計壓力較高，流速較快等，結合表1，表2，表4，氧氣管道材質可選用鎳基合金或銅基合金；結合表5，氧氣控制閥閥體材質可選用鎳基合金或銅基合金，閥芯材質可選用鎳基合金Inconel 625或銅基合金Monel 500，即閥體材質和閥芯材質均為阻燃合金，此時氧氣介質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生火花，從而避免了氧氣管道介質壓力高流速而產生的安全隱患。

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規范8.5.1條款中，給出了氧氣閥門材質在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ASME B16.34—2013鍛造閥體和鑄造閥體材料規定可以看出，針對銅基合金和鎳基合金材料，對鍛造的材料等級有規定，而對鑄造材料等級幾乎沒有定義，德國DIN標準對特種合金材料鍛造和鑄造都有規定。因此，當需要銅基合金或鎳基合金材料做為閥體材質時，優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ASME B16.34—2013和以往工程經驗，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％液態滲透（PT）檢驗，檢驗和驗收按照ASME B16.34—2013標準進行，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，鑄造閥體應逐臺100％進行射線檢查，檢查方法和質量評定按照ASME B16.34—2013標準進行。檢查結果應符合：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致氣化爐爐頭氧氣管道局部高溫的現象，設計溫度約455℃。在該部位，對于氧氣控制閥閥體和閥芯材質匹配，必須考慮在該溫度下所能承受的壓力以及所選材質在高溫下可能產生的線膨脹系數的影響。銅基合金和鎳基合金材質在不同溫度下的平均線膨脹系數見表6所列。表6 銅基合金和鎳基合金材質平均線膨脹系數    1/℃

當閥體和閥芯選用不同組別的合金材質時，尤其是在出現高溫場合，應特別注意材質的線膨脹系數的匹配。根據表6中的銅基合金和鎳基合金材質線膨脹系數對比，100℃與500℃金屬的線膨脹系數變化還是比較大的，因而在氣化爐爐頭部位的控制閥，建議選用的閥芯材質的線膨脹系數比閥體的線膨脹系數小，以免發生在高溫情況下閥芯與閥體抱死的情況。

根據以上資料及以往工程項目應用經驗的積累，對氧氣閥門材料的選用，首先應考慮安全性，其次是強度、經濟性。合金材質做為閥體和閥芯時，在氧氣場合不同工況下，優先推薦以下控制閥閥體和閥芯的材質組合，閥體材質建議與管道材質一致。

1）根據表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 氧氣閥門在工程設計及應用中注意事項

氧氣控制閥在設計中需注意以下幾個方面：

1）設計中氧氣場合嚴禁采用閘閥。

2）氧氣控制閥應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，填料材質等可根據規定執行。

4）氧氣調節閥組應設置獨立閥室或防火墻，手動閥桿宜伸出防火墻外操作。若不單獨設置閥室防火墻時，氧氣調節閥前后8倍調節閥管道公稱直徑范圍內，應采用銅基合金Monel或鎳基合金Inconel材質的管道。

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：

1）施工、維修后的氧氣管道，在輸送氧氣前，應確認氧氣過濾器內清潔無雜物，氧氣過濾器應定期清洗。

2）氧氣管道在安裝、檢修后或長期停用后再投入使用前，應將管內殘留的水分、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，吹掃速度應不小于20M/s，且不低于氧氣管道設計流速，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）生產操作人員需要定期安全培訓。