空分裝置氧氣管道設計中的材料與閥門選型

＊王進飛

（杭氧集團股份有限公司 浙江 310014）

1.氧氣管道發生安全事故的原因分析

氧氣在管道內輸送的過程中其與管道內壁不斷地進行摩擦，在摩擦過程中氧氣和管道會發生化學反應，在這個過程中管道可能會產生較大磨損，同時極大可能會產生爆炸并對環境造成極大破壞，從而影響化工裝置或空分裝置的安全運行并產生極大的人員和經濟損失[1]。

2.氧氣管道的材料選型

(1)免除型材料

銅、鎳及其合金材料（Monel）應用于氧氣輸送系統中具有非常好的氧相容性，在21MPa以下，沒有流速限制，通常此類材料被定義為“免除型材料”，如高表面積和體積比率的過濾器絲網很容易燃燒，鎳和錫銅因具有很好的氧相容性，常用作此類過濾器絲網材料。雖然銅合金可稱之為“免除型材料”，但其鋁含量不得超過2.5%。

(2)不銹鋼

奧氏體不銹鋼可用于所有壓力，溫度在-200℃～+200℃氧氣中。奧氏體不銹鋼在中壓氧氣中具有一定抗燃性，當最大允許使用壓力低于1.4MPa、壁厚大于3.18mm的奧氏體不銹鋼，可不限制流速，若壁厚小于3.18mm，需流速限制。

(3)碳鋼

碳鋼可應用于壓力低于3MPa，溫度在-10℃～+200℃氧氣中。選擇-10℃是基于更安全考慮，參照歐標并且取決于管道壁厚，碳鋼也可用在更低溫度。進一步講，考慮到不同碳鋼成分和操作壓力，低于-10℃也可適用。如果碳鋼在低于-10℃使用有任何疑問或不確定性，需進行風險評估和論證后確定。在濕氧系統（如露點高于-15℃）操作壓力大于1MPa，碳鋼不可用。

(4)鋁及鋁合金

鋁及鋁基合金即使在大氣中也可燃燒，并且燃燒時迅速釋放出很高的能量，一般情況下，冷箱外傳送氧氣和液氧不能使用鋁管道。除出冷箱用法蘭轉換成不銹鋼管道前一小段鋁管道或者連接至安全閥很短的一小段管道可用鋁合金，或者標準的低溫板翅換熱器、空浴式汽化器（由于表面具有氧化鋁阻燃保護）。

(5)非金屬材料

非金屬材料（例如：墊片、閥座、閥門填料等）和金屬相比更易燃燒。很多非金屬材料即使在常壓，氧氣純度大于23.5%時也可燃燒。在氧氣管道中應盡量避免使用非金屬材料并且減少或消除非金屬材料和氧氣之間的直接接觸，非金屬材料必須要物理和化學穩定性良好，并且必須選擇在實踐中已經驗證良好效果的可以用于氧氣流體當中。全氧化的非金屬材料或者柔性石墨（穩定的碳結構）具有很好的氧相容性。一般評估非金屬材料的氧相容性，主要看其自燃溫度和燃燒熱（不同供應商使用的加工工藝不同，非金屬材料的自然溫度和燃燒熱也不同），一般選擇的非金屬自燃溫度需比最大使用溫度高100℃。盡量選擇有過使用經驗并且進行過沖擊、燃燒等測試的非金屬材料（可參考ASTM G63）。具有很好氧相容性的材料，如：①氟聚合物，如PTFE，FEP或PCTFE；②人造橡膠，如Neoflon，Kalrez，Viton或Flourel；③非晶質聚合物。

3.氧氣管道流速限制

如果最大可能工況在流速曲線以下，可用碳鋼（3MPa以下）或不銹鋼管道，若在此曲線以上則需選用免除型材料或考慮用其他保護措施。最高允許的流速是指管系最低工作壓力、最高工作溫度時的實際流速。

當流體方向突然發生改變、撞擊或管道中由于流體漩渦擾動的造成顆粒對撞擊管壁的場合，對于撞擊場合下的流程規定按以下要求：管道中氧氣的最高允許流速，根據管道材質、工作壓力，不應超過以下規定[2]：

碳鋼：

0.1 Ma＜P≤1.0MPa,V≤20m/s；

1.0 Ma＜P≤3.0MPa,V≤15m/s。

不銹鋼：

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0.1 Ma＜P≤1.0MPa,V=30m/s；

1.0 Ma＜P≤1.8MPa,V=25m/s；

1.8 Ma＜P≤10MPa,PxV≤45MPa·m/s；

10MPa＜P,V=4.5m/s。

P=工作壓力；V=流速。

4.氧氣管道中的管道以及管件選型要點

（1）支管連接：支管連接（未加固和加固）和支管管件可以認為是沖擊影響區域。分支管件比如三通、半管接頭或者焊接支管臺、承插焊支管臺，分支連接口的主管道也可以認為是沖擊區域，主管上此位置不能采用承插焊或者是螺紋連接主管道的撞擊部位。當分支管小于或等于DN40（NPS 1/2）時，在主管道上安裝半接箍或鍛造三通，以此來保護主管道不受沖擊。在蒙乃爾合金和鎳合金管道系統中允許有承插焊或者是螺紋連接。

圖1 氧氣由支管流向主管時沖擊區域

圖2 氧氣由主管流向支管時沖擊區域

尺寸：h=80mm（3in）或使用標準管件尺寸；w=80mm（3in）或使用標準三通尺寸。

（2）管道安裝時應盡量避免產生灰塵聚集、顆粒碰撞、死角等場合。碳鋼、不銹鋼或銅合金、鎳及鎳基和金不應使用襯圈。鋁管道中也應盡可能少用襯圈。

圖3 氧氣管道變向時正確設計

（4）彎頭：氧氣管道的彎頭嚴禁采用褶皺彎頭，當采用冷彎或熱彎彎制時，彎曲半徑不應小于公稱直徑的5倍；當采用壓制對焊彎頭時，宜選用長半徑彎頭（≥1.5d）。操作壓力小于0.1MPa的鋼板卷焊管斜接彎頭是可以使用的，90。彎頭可以用大于或等于兩段制作的管件，彎頭內壁需要無焊瘤，并且要平滑無銳邊和毛刺。

（5）變徑管：變徑管的最大流速應按照小口徑段計算，若氧氣流速在小口徑處過高，變徑管需使用抗燃型材料。用于氧氣介質的管道大小頭應該采用壓制對焊，制作焊件的時候變徑總長度應該大于兩邊外徑差值的3倍，氧氣管道內部要光滑，無焊瘤和毛刺等。當使用偏心變徑管時，平面應處于底部。

圖4 變徑管口徑正確設計

說明：D為變徑管大端口徑；d為變徑管小端口徑；L為變徑管長度。

三通：氧氣管道的三通宜采用壓制對焊，當不能取得時，應在工廠或現場預制，加工到無銳角、無突出部位及焊瘤。三通安裝應避免產生灰塵聚集或顆粒碰撞等場合。

圖5 氧氣管道三通正確設計

（6）墊片：氧氣管道法蘭的墊片，應按以下規定選?。寒敼ぷ鲏毫Γ≒）低于1.6MPa（g）時，選擇聚四氟乙烯墊片（PTFE）；當工作壓力（P）大于等于1.6MPa（g）且小于12.0MPa（g）時，選擇纏繞式墊片；當工作壓力（P）大于等于12.0MPa（g）時，選擇退火軟化銅墊片。

（7）法蘭：法蘭連接處會產生靜電，故氧氣設備、管道、閥門上的法蘭連接處，應采用金屬導線跨接，其跨接電阻應小于0.03?。

（8）錐形過濾器：用于氧氣的錐形過濾器應該設計為帶孔的錐形篩網。過濾器應該安裝在管道系統中，以便網孔在上游流側，錐孔在下游流側。篩孔尺寸應該是100目，轉換成140μm的顆粒尺寸捕獲。

錐形過濾器的網格直接受到撞擊，是一個高風險區域，因為它的目的是捕獲碎片和顆粒。高表面積和薄材料容易在高流量顆粒撞擊時著火，所以禁止使用不銹鋼網。主要的濾網材料和反吹濾網（如果需要）應該是鎳200或合金400或銅或錫青銅，最好是鎳200，合金400（蒙乃爾）用于PN20（150級）壓力系統。鎳200應為用于壓力PN50（300級）或更高的系統。中心加強網合金400（蒙乃爾）適用于所有壓力等級。

錐體材料應根據管道系統使用的材料來選擇，由于網格（100目大?。┍Ｗo錐體免受直接撞擊。不銹鋼錐體可用于碳鋼或不銹鋼管道系統。在Monel?管道系統錐體應為合金400（Monel）。錐體材料不能使用碳鋼

（9）y型過濾器：y型過濾器上的排污閥在氣態氧氣管道中是禁止使用的。

排污閥為清洗過濾器提供了一種簡單的方法。然而，排污閥門很容易在不適當的時間打開，并可能導致危險的局部富氧條件。

5.氧氣管道中的閥門選型要點

（1）材料形式：工作壓力對應的材料選擇,如表1所示。

表1 作壓力對應的材料選擇

（2）節流閥：節流閥有四種類型，分別為：調節閥，用于調節流量和壓力參數；旁通閥，用于維持氧氣輸送系統均壓；沒有旁通閥的隔斷閥，用于均壓或切斷下游裝置；排空閥。

圖5 旁路壓力平衡系統原理圖

節流閥下游8倍管徑（閥門口徑，并且長度不小于1.5m）的變徑管和管道，應分別計算流速。若其氧氣流速（變徑管按小口徑處計算）在流速曲線以上，應使用免除型材料。彎頭、三通不應與閥門出口直接連接，并且應安裝8倍管徑或1.5m的直管段。當工作壓力（P）小于等于3.0MPa（g）時，旁通閥采用不銹鋼。其下游管道可采用不銹鋼，但應將氧氣流速控制在25m/s以下。閥頭、閥座應采用堆焊Stellite合金。當工作壓力（P）大于3.0MPa(g)時，旁通閥應選用免除型材料，其下游管道亦應采用免除型材料。

旁路系統的設計應包括確認壓力平衡，例如，安裝上游和下游壓力表。使用差壓開啟隔離閥有兩個風險因素：閥門開啟期間的高速和湍流以及開啟后的快速壓降，通過使用旁路壓力平衡系統，可以完全消除這兩個風險，在開啟隔離閥之前，平衡隔離閥兩端的壓力[3]。

如果在主管線上的手動隔離閥門、控制閥或緊急關閉閥下游有止回閥，旁路管線應該回接到主管止回閥上游的工藝管線。這種布置防止止回閥下游側壓力過高，在隔離/控制/關閉閥和止回閥之間形成“死腔”。

旁路閥用于緩慢地對下游系統加壓以減輕過度壓力。旁路系統的尺寸應在可接受的時間內實現壓力平衡最大增壓速率為2bar/min（30psi）的周期。旁路系統尺寸從DN15（NPS 1/2）到DN40（NPS 1/2）。

（3）隔斷閥：隔斷閥處于全開或全關狀態，通常維修或停車時才會操作。手動隔斷閥當公稱壓力大于或等于1.0MPa且公稱直徑大于或等于150mm，需配有DN25～DN40的旁通閥。當開隔斷閥時，應先開啟旁通閥，使下游側先充壓，當隔斷閥兩側壓差小于或等于0.3MPa時才可開啟，推薦充壓速度低于0.2MPa/min（充壓時間不得小于1s）。隔斷閥禁止采用閘閥。

（4）安全閥：安全閥可視作節流閥，通常喉徑處流速非常高，甚至到聲速。所以安全閥喉徑處需用抗燃材料，推薦使用API526閥門，閥座閥瓣處使用抗燃材料，閥體至少為不銹鋼。

（5）止回閥：止回閥應具有適當壓降，避免發生振顫現象。應使用有資質和豐富經驗的供應商產品。

6.總結

在化工裝置的安全操作和運行過程中，氧氣管道的安全問題非常重要，雖然影響氧氣介質管道的因素比較多，但是只要認真研究其原因，并且對安全富有極大的責任心，從源頭消除其影響，嚴格按照國家規范和要求操作，在材料、設備和管道布置以及施工和驗收等方面采取嚴格的控制措施，就可以有效的保證氧氣管道的安全運行，進而保證化工裝置的安全。