煤化工中氧阀的选型

    高温、高压氧气介质属于易燃易爆危险品，壳牌煤气化工艺中用到34台氧气开关阀和4台氧气调节阀，氧阀的安全问题一直是设计方、用户和制造厂非常重视的问题。笔者针对氧气控制阀及切断阀的选型问题进行探讨。

    1 阀门选型

    1.1 阀门形式

    在实际应用中证明，多次发生快开、快关阀门时，氧气流速会突然改变，若管道内有铁锈等颗粒，冲撞、摩擦激发能量就可能发生引燃、引爆事故。为避免该类事故发生，氧气管道上不允许使用快开、快关阀门。基于同样道理，闸阀不允许使用在压力大于0.1MPa氧气管道上，其他阀门形式未做规定。煤气化中控制阀一般选用柱塞式单座阀（大压差可选择套筒或迷宫阀），切断阀一般选用球阀。

    1.2 阀门口径

    阀门口径的选择除进行CV值计算外，还应考虑工作压力与流速的关系，见表1所列。

表1　管道中氧气最高允许流速    m/s

    使氧气流动方向突然改变或产生漩涡的位置，从而引起流体中颗粒对管壁的冲击，这样的位置称作冲击场合。冲击场合容易产生激发能量，引起燃烧与爆炸，在危险场合，氧气最高允许流速控制要求严格。

    球阀处于完全打开的状态时，流量被认为是平稳的，而且阀体和过流部分可按非冲击场合考虑。但是球阀在由全开到全关的过程中，阀芯对流体是有冲击与阻流的，实际选型也应按冲击场合考虑。柱塞型阀有迂回曲折的通道，也应按冲击场合考虑。氧气阀门口径的确定，要在高峰负荷情况下满足冲击场合安全流速（最高允许流速）的要求，并留有余地，确保安全。

    1.3 阀门材质

    阀门材质可根据表1中的流速进行选择。如球阀通常处于全开状态，流速不会有明显改变，阀体和过流部分的材料可根据阀门入口的流速进行选择。由于柱塞阀的迂回流路，使氧气通过阀芯处的流速不容易准确计算，因而可按照表2氧气阀门材质选用表要求选择，同时也可按表3氧气管道材质选用表选用等同或高于管道材质的材料。其他阀门若不能准确地计算流速，都可以遵照表2和表3的原则进行阀门材质的选择。

    依据表2虽然很容易得到一定压力下阀门的材质要求，但其范围较宽。如0.6MPa＜p≤10.0MPa可选用不锈钢、铜合金或不锈钢与铜合金组合（优先选用铜合金）、镍及镍基合金。煤气化氧气操作压力为4.5MPa，因而不容易判定是选用不锈钢，还是选用铜合金或镍基合金。

表2 阀门材料选用依据

    表3按压力范围分为四档，每档中又分为一般场合和非一般场合两种情况。“阀后5倍公称直径”未说明针对什么形式的阀门，应理解为所有形式的阀门。表3中0.6MPa＜p≤10.0MPa划分为两档，0.6MPa＜p≤3.0MPa和3.0MPa＜p≤10.0MPa。因此，煤气化氧气操作压力为4.5MPa情况下，阀门材质不能选用不锈钢，应选用铜及铜合金、镍及镍基合金。铜及铜合金由于其自身特性（易发生化学反应、强度较弱），应用的场合较窄：铜易于与氨反应，因而合成氨工程中禁止使用铜及铜合金；国内外工程公司经验及相关规定也明确指出在易燃、易爆、有毒介质及高温、高压管线应尽量不使用铜及铜合金（考虑到铜及铜合金强度较弱，一旦发生破裂，将造成严重事故）。煤气化氧气管线属于易爆、压力较高场合，也应尽量不使用铜及铜合金。因此，此种工况一般选用镍及镍基合金。

    关于氧气阀门是否可以采用软阀座，IGCDOC13/02E氧气管道系统协调文件5.3节指出：“球阀和旋塞阀采用任何高弹体/聚合物材料，就要特别关注绝热压缩的情况”；“用于低泄漏率的蝶阀既可使用弹性体密封也可用金属密封”；“截止阀通常采用免除材料”。其中“高弹体/聚合物材料”、“弹性体密封”可理解为软密封，因而球阀及蝶阀可采用软密封，但一定要满足软密封阀门使用的温度条件，且氧阀对其使用压力还有一定的限制（相关标准对软密封使用的压力范围没有明确规定，但可参照氧气管道垫片规定，即p≤0.6MPa可以使用聚四氟乙烯垫片）。氧气阀门由于其应用场合非常危险，应慎用软密封阀门。

    绝热压缩升温：当氧气管道阀门快速开启时，阀后原来处于低压的氧气受到阀前高压氧气的剧烈压缩，在理论上可能产生接近于绝热压缩的温度，可采用式（1），式（2）计算：

        （1）

    t₂＝T₂－273       （2）

    式中：T₂———压缩后温度，K；T₁———压缩前温度，K；p₂———阀前压力，MPa；p₁———阀后压力，MPa；K———绝热指数；t₂———阀后温度，℃。

表3　氧气管道材质选用依据

    注：①碳钢钢板卷焊管宜用于工作压力小于0.1MPa，且管径超过现有焊接钢管、无缝钢管产品管径情况；

    ②表中阀指干管阀门、供一个系统的支管阀门、车间入口阀门；

    ③氧气储罐区内氧气管道宜采用不锈钢；

    ④工作压力大于3.0MPa的铜合金管不包括含铝铜合金。

    1）氧气阀后5倍公称直径（并不小于1.5m）范围内，气流紊乱，冲击剧烈；

    2）调节阀组前后各5倍公称直径（各不小于1.5m）范围内，因氧气调节阀通径往往比管径小1～2个等级，前后有变径管，阀口流速可达亚音速，气流冲击非常剧烈，摩擦生热严重，是爆炸事故多发源；

    3）氧压车间内部地位重要；

    4）放散阀后流速快，冲击场合；

    5）湿氧输送管道易生锈，危险部位。

    例如煤气化装置，氧气阀门阀前压力4.6MPa（绝压），温度180℃，阀后4.25MPa（绝压），K＝1.4。当阀门急剧打开时，阀后温升可按式（3），式（4）计算：

        （3）

    t₂＝T₂－273＝186（℃）          （4）

    由于此处阀门进出口压差较小，因而最终计算阀后温度与阀前温度相差不大。当阀门进出口压差较大时，阀后绝热压缩温度就会很大，若阀门材质选择不当，就可能达到材料的着火温度。几种金属在氧气中的燃烧温度、燃烧速度及抗燃烧能力见表4所列。

表4 氧气管道材质选用依据

注：燃烧速度栏中1，2，3，4数字系安全等级评价。

    1.4 阀门填料

    氧气阀门的填料应采用聚四氟乙烯或柔性石墨材料。聚四氟乙烯填料一般用于温度－180～200℃的场合；柔性石墨填料一般用于聚四氟乙烯无法使用的场合。

    1.5 硬化处理

    控制空化流体和含有固体颗粒的流体，一定要对氧阀进行硬化处理，对于一般的常温常压流体也要参照图1进行硬化处理。需要注意的是非所有的氧阀都需要硬化处理，只有温度压力处于阴影范围内的阀门需进行硬化处理。

图1 硬化处理对应的温压曲线

    1.6 防静电及防火

    氧气管路阀门在开关时，不可避免的有各种摩擦，产生静电，从而产生火花，这是十分危险的，必须有防静电装置；氧气阀门也应为防火型，满足API607第4版要求，须有相关的防火认证。

    2 阀门安装

    2.1 法兰和垫片

    氧气管道上的法兰应按国家、行业有关的现行标准选用，垫片宜按照表5选用。

表5 氧气管道法兰的垫片

    指出：氧气管道的连接应采用焊接，但与设备、阀门连接处可采用法兰或螺纹。螺纹连接处，应采用聚四氟乙烯薄膜作为填料，严禁使用涂铅红的麻、棉丝或其他含油脂的材料。因此，氧气阀门连接可采用法兰或螺纹，但为了减少泄漏危险，其他氧气管线的仪表尽量采用焊接形式。

    2.2 脱脂和禁油

    氧气阀门不允许有油污，油污在氧气中会引起失火或爆炸，因此，阀门应在研磨试压合格后进行脱脂，脱脂应满足《脱脂工程施工及验收规范》。脱脂前应将阀门拆成零件清除铁锈等杂物，浸入脱脂剂内1.0～1.5h。螺栓与金属垫片可采用同样方法脱脂。阀门壳体，可用擦拭法进行脱脂。氧气阀门必须有防尘和禁油隔离保护装置，并附有醒目的禁油标识，其阀杆应防止被油及灰尘污染。阀门安装过程中及安装后应采取有效的措施，防止受到油脂污染，防止可燃、锈屑、焊渣、沙土及其他杂物进入或遗留，并进行严格的检查。

    2.3 其他

    氧气调节阀前应设置可定期清洗的过滤器，氧气过滤器壳体应用不锈钢，内件应用铜及铜合金，在安装时应注意阀门的流向和定位正确无误。焊接阀门安装前应将阀门完全打开或取下阀盖件以防止阀门零部件的热变形，并应取下那些受热易损坏的软阀座及其他零部件，在焊接之后软阀座和其他易损坏部件应当装回原位。

    3 结束语

    综上所述，氧气管线阀门的形式除了规定压力大于0.1MPa禁止使用闸阀外，其他阀门形式未做规定。阀门选型中最重要的是阀门材质的选择，决定阀门材质的关键条件为氧气的流速和压力。