淺析國外氧氣安全技術規范選材原則

唐 麒 凱迪工程技術研究總院 武漢 430000

氧氣不屬于可燃易爆或有毒介質，而是氧化性特別強的助燃劑，正常情況下很難在空氣中氧化或燃燒的材料，但在純氧中會變得容易燃燒，所以氧氣應用的危險性會成倍增加，氧氣管道和閥門燃燒爆炸的事故時有發生。目前國內外相關的權威組織機構都在采取措施應對此問題，并加快制訂和升版關于氧氣生產和應用的相關安全技術規范，其中包括管道材料的選用以及材料的脫油脫脂要求、氧氣管道的布置要求、管道施工安裝的質量控制和驗收要求等。各標準規范都制訂了較為詳細的規定，但不同標準之間又各具差異。本文主要通過分析國外的氧氣安全技術相關標準規范，讓用戶針對氧氣介質能更科學合理地選材。

1 國外氧氣安全技術規范介紹

氧氣管道系統在西歐和北美諸多發達國家開發和應用了50 多年，并且出臺了一系列的標準規范。盡管在設計和操作方面各國的做法不盡相同，而且大部分都不是強制性的標準規范，但所建的氧氣管道系統均有著良好、安全的運行記錄。這同國外工業氣體協會下屬的各大工業氣體生產商和使用商的共同努力研究和試驗是分不開的。

國外權威的氧氣安全技術規范大都由工業氣體協會和美國機械工程師協會頒布和修訂，較有代表性的有:歐洲工業氣體協會(EIGA)頒布的IGC Doc 13/12/E 氧氣管線和管道系統標準［1］，IGC Doc 33/06/E 氧氣使用設備的清潔指導方針［2］，IGC Doc 10/07/E 往復式氧氣壓縮機要求［3］等。另外還有美國機械工程師協會(ASTM)頒布的ASTM G88 -2005 氧氣設備系統設計指南［4］，ASTM G94 -2005 氧氣用金屬材料的評定指南［5］，ASTM G63 -2007 氧氣用非金屬材料評定指南［6］等。類似的還有很多，比如亞洲工業氣體協會(AIGA)頒布的AIGA 021/12 氧氣管線和管道系統標準［7］，AIGA 012/04 氧氣使用設備的清潔指導方針［8］，壓縮氣體協會(CGA)頒布的CGA - G -4.4 氧氣管線系統標準［9］，CGA G -4.1 氧氣使用設備的清潔規范［10］等。

國內的規范往往都出自于GB 國家標準或者SH、HG、JB 等行業標準，一般都是由大型國有冶金企業和冶金工程公司共同起草。因為在煤氣化裝置興建之前，冶金行業的用氧量最大，而且氧氣用途廣泛，從生產、檢修到基建無時無處不用氧氣。但冶金行業用的氧氣工況不如煤化工行業惡劣，如果僅僅參考國內規范，顯然已無法滿足實際設計要求。

2 氧氣管道材料的選取

根據氧氣介質的實際工況，選擇正確的管道材料是保證整個裝置安全運行的第一步，也是最關鍵的一步。在選取管道材料時，重點需要考慮的因素有氧氣濃度、設計溫度、設計壓力和流速。

2.1 氧氣濃度

氧氣濃度可分為三個等級，第一級為低純度氧，其含量介于23.5% ～35% (體積百分比)，如果低于23.5%，其助燃性就跟空氣沒有什么區別了，所以不在低純度氧范圍之內;第二級為標準純度氧，其含氧量≥99.5% (體積百分比);第三級為超高純度(UHP)氧，其含氧量≥99.999%(體積百分比)。

通常氧氣濃度降低后，金屬材料的燃燒風險也隨之降低。在低純度氧氣中，即使設計壓力達到21MPa，使用碳鋼材料也是安全的，此時氧氣流速不受限制［1］。在煤氣化裝置中，氧氣的濃度一般均大于99.5%，可以劃為標準純度氧氣。如果遇到氧氣含量介于低純度和標準純度之間的情況，即氧含量:35% ～99.5%，有兩種方式處理［1］:①當作含99.5%的標準純度氧來處理，該方法較為保守;②用氧氣的體積百分比乘以介質的設計壓力，以此數值當作標準純度氧氣的設計壓力。該方法是安全的，但不如第一個方法保守。然后按照IGC Doc 13/12/E中的要求選擇合適的阻燃合金材料。

在半導體和電子工業中，氧氣濃度會達到超高純度。由于該行業的特殊性，對管道和設備的潔凈度要求極高但設計壓力不高，幾乎不存在任何顆粒物質，也就不會產生顆粒物碰撞點火機制，所以宜采用不銹鋼材料。

2.2 設計溫度

關于設計溫度條件對氧氣管道材料選材的限制，國外的氧氣技術安全規范中有明確規定［1］。

(1)對于碳鋼的管道系統，氧氣介質溫度不得超過150℃;對于不銹鋼和非鐵基管道系統，氧氣介質溫度不得超過200℃。若超出了上述的溫度限制，須進行另外的分析和研究。在提高溫度的情況下，組件或材料必須經過金屬的可燃性或顆粒碰撞試驗［5］以便確保系統的安全。

(2)如果操作溫度低于-20℃，就需要使用有足夠抗低溫斷裂韌性的鋼材，這對于其它工業氣體來說也是一樣的，比如304/304L 或者316/316L 牌號的奧氏體不銹鋼就具備足夠的抗低溫斷裂韌性，非常適合氧氣的低溫工況使用。

(3)對于高溫氧氣介質，即設計溫度超過200℃的標準純度氧氣。可以選用鎳基合金材料，比如鎳含量在50%以上的鎳鉻鐵合金Inconel 600 和鎳鉻鉬鈮合金Inconel 625。如果是不純的高溫氧氣，可以考慮選用鎳含量稍低一些的鎳鉻鐵鉬銅合金，同時還需要考慮高溫下其他不純氣體帶來的腐蝕風險，比如殼牌煤氣化裝置中氧氣在經過蒸氧混合器后，溫度可以達到425℃左右，并且在靠近氣化爐燒嘴附近的地方還含有微量的H2S 氣體，此時可以選用含有鎳、鉻、鐵、鉬、銅元素的Incoloy 825 合金［11］。一般來說鎳和銅都屬于比較好的阻燃元素，其含量越高，合金的阻燃性越好。

目前國內的氧氣技術安全規范中雖然未對設計溫度條件做出具體限制，但在使用總則中已明確指出僅適用于常溫或者低溫氧氣工況，比如《氧氣站設計規范》GB 50030 -2013［12］的總則中規定:本規范適用于低溫或者常溫空氣分離法生產氧、氮、氬等氣態、液態產品的氧氣站及其管道工程設計;《深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程》GB 16912 -2008［13］在使用范圍中規定:本規范僅適用于新建、擴建和改建的采用深度冷凍法生產氧氣及相關氣體的單位。

2.3 設計壓力和流速

氧氣流速在較高的壓力下，應該存在一個最高限定值，如果超過最高允許流速，可能會造成材料的燃燒和爆炸。國內外的氧氣安全技術規范均認為對于同一種合金材料，氧氣的設計壓力越高，最高允許流速越小。比如《氧氣站設計規范》GB 50030-2013 中對氧氣中的最高流速規定見表1。

表1 氧氣管道內的最高流速

筆者認為其中的銅基合金不太適合用于高壓工況，因為大部分銅基合金，例如Monel400 等，其材料許用應力比較低，計算出來的管道材料壁會非常厚，不利于生產制造和施工。所以目前工程項目中用于高壓氧氣的合金材料一般選用許用應力值較高的鎳基合金。

國外的氧氣安全技術規范中對氧氣設計壓力和最高允許流速的規定較為復雜，并引入了三個全新的概念［1］。

2.3.1 沖擊區域和非沖擊區域

(1)沖擊區域指的是當流體突然改變其方向或當渦流產生而導致顆粒沖擊到系統壁的區域，比如:對焊三通(流體從支管到主管)、承插焊三通和彎頭、短半徑彎頭(彎曲半徑小于1.5D)、異徑管(進口端和出口端直徑尺寸比大于3)、會產生壓力降的閥門(調節閥，安全閥等)其下游段8 倍管徑范圍內，還有閥門、過濾器、限流孔板、消音器等管道器材內件。圖1 為荷蘭皇家殼牌石油公司對氧氣工況中沖擊區域的典型選材要求［11］，從圖中可以看出殼牌公司的要求更加嚴格，認為調節閥后的10 倍管徑范圍都屬于沖擊區域。

圖1 陰影部分為氧氣工況中的沖擊區域

(2)非沖擊區域指的是介質是平穩流動的區域，比如直管、對焊三通(流體從總管到支管)、長半徑彎頭(彎曲半徑大于等于1.5D)、異徑管(進口端和出口端直徑尺寸比小于等于3)，還包括不產生壓力降的閥門(比如全通徑球閥的閥體部分)。

2.3.2 無流速限制材料

指的是在規定的設計壓力、氧氣濃度和材料厚度的范圍內，如果合金材料能夠在任何氧氣流速下使用并且能夠通過在受粒子碰撞或在富氧氣氛下進行帶有助燃劑的點火試驗［5］，就定義該合金材料為無流速限制材料。

2.3.3 免除壓力

指的是一定厚度以上的材料在可能發生顆粒碰撞的標準純度氧氣中不受速率限制的最大壓力。表2［1］表示的是無流速限制材料的最小厚度對應的免除壓力的數值。設計壓力在免除壓力以下，表中的材料只要滿足了最小厚度要求就可以被認為是無流速限制材料了。值得注意的是，國外氧氣安全技術規范附錄D［1］中的免除壓力在升版后發生了部分較大的變化。比如歐洲工業氣體協會頒布的2002 版本IGC Doc 13/02/E 標準［14］中，Inconel600 鎳基材料對應的免除壓力為6.9MPa 并且沒有指定最小厚度，Inconel625 鎳基材料對應的免除壓力為8.7MPa，升版后的IGC Doc 13/12/E 標準2012年版本(表2)中卻將Inconel625 鎳基材料對應的免除壓力降低為6.9MPa，Inconel600 鎳基材料對應的免除壓力提高為8.7MPa 并且還指定出最小厚度為3.18mm。對于在煤氣化項目中選擇高壓氧氣介質用管道材料的設計人員，這個變化非常重要，特別對于水煤漿氣化工藝中的高壓氧氣介質(P=8.5MPa)［15］，必須引起高度重視。

表2 免除壓力和最小厚度表

然后可以根據沖擊區域和非沖擊區域對應的壓力流速曲線來進行具體的選材。圖2 和圖3 分別表示沖擊區域對應的壓力流速曲線和非沖擊區域對應的壓力流速曲線［1］，曲線以上的工況應該根據表2選用無流速限制材料，曲線以下的部分可以根據設計溫度選擇碳鋼、不銹鋼或者鎳基合金材料。

3 結語

通過對國外氧氣安全技術規范中選材原則的分析，指出在工程項目氧氣管道選材設計時，既要考慮氧氣介質的設計壓力、溫度、同時還要考慮氧氣介質的濃度、流速、是否是沖擊場合等各種因素。只有綜合考慮以上各種因素，氧氣管道長期、穩定、安全可靠的運行才能有保障;同時也期望我國能夠盡快出臺一部適合煤氣化裝置的高溫、高壓、高濃度、高流速工況氧氣管道的設計規定，以杜絕氧氣介質安全事故的發生。

圖2 沖擊區域對應的壓力流速曲線

圖3 非沖擊區域對應的壓力流速曲線

1 IGC Doc 13/12/E，Oxygen Pipeline and Piping System. EUROPEAN INDUSTRIAL GASES ASSOCIATION.2012.

2 IGC Doc 33/06/E，Cleaning of Equipment for Oxygen Service Guideline. EUROPEAN INDUSTRIAL GASES ASSOCIATION.2006.

3 IGC Doc 10/07/E. Reciprocating Compressor for Oxygen service. EUROPEAN INDUSTRIAL GASES ASSOCIATION.2007.

4 ASTM G88 -2005. Standard Guide for Designing Systems for Oxygen Service.

5 ASTM G94 -2005. Standard Guide for Evaluating Metals for Oxygen Service.

6 ASTM G63 -2007. Standard Guide for Evaluating Nonmetallic Materials for Oxygen Service.

7 AIGA 021/12，Oxygen Pipeline and Piping System. ASIA INDUSTRIAL GASES ASSOCIATION.2012.

8 AIGA 012/04，Cleaning of Equipment for Oxygen Service. ASIA INDUSTRIAL GASES ASSOCIATION.2004.

9 CGA - G -4.4，Oxygen Pipeline and Piping System. COMPRESS GASES ASSOCIATION.2008.

10 CGA G - 4.1，Cleaning of Equipment for Oxygen Service.COMPRESS GASES ASSOCIATION.2008.

11 LL 506，Fire/Explosion hazard in SCGP Oxygen System rev1.SHELL COMPANY.2011.

12 GB 50030 -2013，氧氣站設計規范［S］.

13 GB 16912 -2008，深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程［S］.

14 IGC Doc 13/02/E，Oxygen Pipeline and Piping System. EUROPEAN INDUSTRIAL GASES ASSOCIATION.2002.

15 唐宏青. 現代煤化工新技術［M］. 化學工業出版社，2009.11.