淺析國外氧氣安全技術(shù)規(guī)范選材原則

唐 麒 凱迪工程技術(shù)研究總院 武漢 430000

氧氣不屬于可燃易爆或有毒介質(zhì)，而是氧化性特別強(qiáng)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(yīng)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(fā)生。目前國內(nèi)外相關(guān)的權(quán)威組織機(jī)構(gòu)都在采取措施應(yīng)對此問題，并加快制訂和升版關(guān)于氧氣生產(chǎn)和應(yīng)用的相關(guān)安全技術(shù)規(guī)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(zhì)量控制和驗收要求等。各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都制訂了較為詳細(xì)的規(guī)定，但不同標(biāo)準(zhǔn)之間又各具差異。本文主要通過分析國外的氧氣安全技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，讓用戶針對氧氣介質(zhì)能更科學(xué)合理地選材。

1 國外氧氣安全技術(shù)規(guī)范介紹

氧氣管道系統(tǒng)在西歐和北美諸多發(fā)達(dá)國家開發(fā)和應(yīng)用了50 多年，并且出臺了一系列的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。盡管在設(shè)計和操作方面各國的做法不盡相同，而且大部分都不是強(qiáng)制性的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，但所建的氧氣管道系統(tǒng)均有著良好、安全的運(yùn)行記錄。這同國外工業(yè)氣體協(xié)會下屬的各大工業(yè)氣體生產(chǎn)商和使用商的共同努力研究和試驗是分不開的。

國外權(quán)威的氧氣安全技術(shù)規(guī)范大都由工業(yè)氣體協(xié)會和美國機(jī)械工程師協(xié)會頒布和修訂，較有代表性的有:歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(EIGA)頒布的IGC Doc 13/12/E 氧氣管線和管道系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)［1］，IGC Doc 33/06/E 氧氣使用設(shè)備的清潔指導(dǎo)方針［2］，IGC Doc 10/07/E 往復(fù)式氧氣壓縮機(jī)要求［3］等。另外還有美國機(jī)械工程師協(xié)會(ASTM)頒布的ASTM G88 -2005 氧氣設(shè)備系統(tǒng)設(shè)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(yè)氣體協(xié)會(AIGA)頒布的AIGA 021/12 氧氣管線和管道系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)［7］，AIGA 012/04 氧氣使用設(shè)備的清潔指導(dǎo)方針［8］，壓縮氣體協(xié)會(CGA)頒布的CGA - G -4.4 氧氣管線系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)［9］，CGA G -4.1 氧氣使用設(shè)備的清潔規(guī)范［10］等。

國內(nèi)的規(guī)范往往都出自于GB 國家標(biāo)準(zhǔn)或者SH、HG、JB 等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一般都是由大型國有冶金企業(yè)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(yè)的用氧量最大，而且氧氣用途廣泛，從生產(chǎn)、檢修到基建無時無處不用氧氣。但冶金行業(yè)用的氧氣工況不如煤化工行業(yè)惡劣，如果僅僅參考國內(nèi)規(guī)范，顯然已無法滿足實際設(shè)計要求。

2 氧氣管道材料的選取

根據(jù)氧氣介質(zhì)的實際工況，選擇正確的管道材料是保證整個裝置安全運(yùn)行的第一步，也是最關(guān)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(shè)計溫度、設(shè)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(qū)別了，所以不在低純度氧范圍之內(nèi);第二級為標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)險也隨之降低。在低純度氧氣中，即使設(shè)計壓力達(dá)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(biāo)準(zhǔn)純度氧氣。如果遇到氧氣含量介于低純度和標(biāo)準(zhǔn)純度之間的情況，即氧含量:35% ～99.5%，有兩種方式處理［1］:①當(dāng)作含99.5%的標(biāo)準(zhǔn)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(zhì)的設(shè)計壓力，以此數(shù)值當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)純度氧氣的設(shè)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(dǎo)體和電子工業(yè)中，氧氣濃度會達(dá)到超高純度。由于該行業(yè)的特殊性，對管道和設(shè)備的潔凈度要求極高但設(shè)計壓力不高，幾乎不存在任何顆粒物質(zhì)，也就不會產(chǎn)生顆粒物碰撞點火機(jī)制，所以宜采用不銹鋼材料。

2.2 設(shè)計溫度

關(guān)于設(shè)計溫度條件對氧氣管道材料選材的限制，國外的氧氣技術(shù)安全規(guī)范中有明確規(guī)定［1］。

(1)對于碳鋼的管道系統(tǒng)，氧氣介質(zhì)溫度不得超過150℃;對于不銹鋼和非鐵基管道系統(tǒng)，氧氣介質(zhì)溫度不得超過200℃。若超出了上述的溫度限制，須進(jìn)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(jīng)過金屬的可燃性或顆粒碰撞試驗［5］以便確保系統(tǒng)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(yè)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(zhì)，即設(shè)計溫度超過200℃的標(biāo)準(zhǔn)純度氧氣?？梢赃x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(fēng)險，比如殼牌煤氣化裝置中氧氣在經(jīng)過蒸氧混合器后，溫度可以達(dá)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(nèi)的氧氣技術(shù)安全規(guī)范中雖然未對設(shè)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(shè)計規(guī)范》GB 50030 -2013［12］的總則中規(guī)定:本規(guī)范適用于低溫或者常溫空氣分離法生產(chǎn)氧、氮、氬等氣態(tài)、液態(tài)產(chǎn)品的氧氣站及其管道工程設(shè)計;《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》GB 16912 -2008［13］在使用范圍中規(guī)定:本規(guī)范僅適用于新建、擴(kuò)建和改建的采用深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體的單位。

2.3 設(shè)計壓力和流速

氧氣流速在較高的壓力下，應(yīng)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(nèi)外的氧氣安全技術(shù)規(guī)范均認(rèn)為對于同一種合金材料，氧氣的設(shè)計壓力越高，最高允許流速越小。比如《氧氣站設(shè)計規(guī)范》GB 50030-2013 中對氧氣中的最高流速規(guī)定見表1。

表1 氧氣管道內(nèi)的最高流速

筆者認(rèn)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(yīng)力比較低，計算出來的管道材料壁會非常厚，不利于生產(chǎn)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(yīng)力值較高的鎳基合金。

國外的氧氣安全技術(shù)規(guī)范中對氧氣設(shè)計壓力和最高允許流速的規(guī)定較為復(fù)雜，并引入了三個全新的概念［1］。

2.3.1 沖擊區(qū)域和非沖擊區(qū)域

(1)沖擊區(qū)域指的是當(dāng)流體突然改變其方向或當(dāng)渦流產(chǎn)生而導(dǎo)致顆粒沖擊到系統(tǒng)壁的區(qū)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(jìn)口端和出口端直徑尺寸比大于3)、會產(chǎn)生壓力降的閥門(調(diào)節(jié)閥，安全閥等)其下游段8 倍管徑范圍內(nèi)，還有閥門、過濾器、限流孔板、消音器等管道器材內(nèi)件。圖1 為荷蘭皇家殼牌石油公司對氧氣工況中沖擊區(qū)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(yán)格，認(rèn)為調(diào)節(jié)閥后的10 倍管徑范圍都屬于沖擊區(qū)域。

圖1 陰影部分為氧氣工況中的沖擊區(qū)域

(2)非沖擊區(qū)域指的是介質(zhì)是平穩(wěn)流動的區(qū)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(jìn)口端和出口端直徑尺寸比小于等于3)，還包括不產(chǎn)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(guī)定的設(shè)計壓力、氧氣濃度和材料厚度的范圍內(nèi)，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(jìn)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(fā)生顆粒碰撞的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)的免除壓力的數(shù)值。設(shè)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(rèn)為是無流速限制材料了。值得注意的是，國外氧氣安全技術(shù)規(guī)范附錄D［1］中的免除壓力在升版后發(fā)生了部分較大的變化。比如歐洲工業(yè)氣體協(xié)會頒布的2002 版本IGC Doc 13/02/E 標(biāo)準(zhǔn)［14］中，Inconel600 鎳基材料對應(yīng)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(yīng)的免除壓力為8.7MPa，升版后的IGC Doc 13/12/E 標(biāo)準(zhǔn)2012年版本(表2)中卻將Inconel625 鎳基材料對應(yīng)的免除壓力降低為6.9MPa，Inconel600 鎳基材料對應(yīng)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(zhì)用管道材料的設(shè)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(zhì)(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(jù)沖擊區(qū)域和非沖擊區(qū)域?qū)?yīng)的壓力流速曲線來進(jìn)行具體的選材。圖2 和圖3 分別表示沖擊區(qū)域?qū)?yīng)的壓力流速曲線和非沖擊區(qū)域?qū)?yīng)的壓力流速曲線［1］，曲線以上的工況應(yīng)該根據(jù)表2選用無流速限制材料，曲線以下的部分可以根據(jù)設(shè)計溫度選擇碳鋼、不銹鋼或者鎳基合金材料。

3 結(jié)語

通過對國外氧氣安全技術(shù)規(guī)范中選材原則的分析，指出在工程項目氧氣管道選材設(shè)計時，既要考慮氧氣介質(zhì)的設(shè)計壓力、溫度、同時還要考慮氧氣介質(zhì)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(wěn)定、安全可靠的運(yùn)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(shè)計規(guī)定，以杜絕氧氣介質(zhì)安全事故的發(fā)生。

圖2 沖擊區(qū)域?qū)?yīng)的壓力流速曲線

圖3 非沖擊區(qū)域?qū)?yīng)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，F(xiàn)ire/Explosion hazard in SCGP Oxygen System rev1.SHELL COMPANY.2011.

12 GB 50030 -2013，氧氣站設(shè)計規(guī)范［S］.

13 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］.

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

15 唐宏青. 現(xiàn)代煤化工新技術(shù)［M］. 化學(xué)工業(yè)出版社，2009.11.