空分、煤氣化裝置的氧氣閥門(mén)設(shè)計(jì)

王春景，馬和明，李靖鑫，許洪巖

(1.空氣化工產(chǎn)品(中國(guó))投資有限公司，上海 201203;2.蘇州紐威閥門(mén)股份有限公司，江蘇 蘇州 215129)

氧氣在空氣中占比21%，是一種相對(duì)豐富的元素，氧氣決定著植物和動(dòng)物的生命，并支持燃燒和氧化，從而導(dǎo)致鋼鐵生銹及金屬氧化物的形成。氧氣具有許多商業(yè)用途，在煤化工裝置中，氧氣是生產(chǎn)合成氣的氣化劑，其與煤粉、蒸汽或水以一定的比例在氣化爐內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，生成含有CO、H2、CO2等組分的合成氣。氧氣是助燃?xì)怏w，在干粉煤氣化裝置中，氧氣壓力為5 MPa左右，溫度接近200℃，在此條件下的氧氣非常危險(xiǎn)，當(dāng)氣化爐內(nèi)有異常情況時(shí)，需要通過(guò)氧氣開(kāi)關(guān)閥迅速切斷氧氣，防止過(guò)多氧氣進(jìn)入爐內(nèi)；同時(shí)，也防止高壓的合成氣或煤粉返串到氧氣管道內(nèi)，從而避免燃燒和爆炸情況發(fā)生。因此，氧氣系統(tǒng)上的閥門(mén)具有非常關(guān)鍵的作用，要求在極短的時(shí)間內(nèi)切斷系統(tǒng)與氣化爐隔離。由此，氧氣閥門(mén)設(shè)計(jì)也尤為重要，其一，要滿(mǎn)足煤化工生產(chǎn)工藝的要求，做到開(kāi)關(guān)到位和高密封等級(jí)；其二，氧氣條件苛刻，閥門(mén)材料選擇及內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮氧兼容性，避免在迅速開(kāi)關(guān)情況下引發(fā)任何燃燒機(jī)理。本文結(jié)合EIGA、ASTM和JB/T12955等標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)了氧氣閥門(mén)的設(shè)計(jì)原理，以滿(mǎn)足煤化工裝置對(duì)氧氣閥門(mén)的要求。

1 氧氣系統(tǒng)閥門(mén)的型式及特點(diǎn)

在氧氣系統(tǒng)中，通常按照閥門(mén)的功能將其分為開(kāi)關(guān)閥和調(diào)節(jié)閥兩類(lèi)，所謂開(kāi)關(guān)閥，即快開(kāi)型閥門(mén)，當(dāng)閥門(mén)有微量開(kāi)啟就會(huì)有大量流體通過(guò)，其僅能處在全開(kāi)或全關(guān)位置，不能開(kāi)在中間位置，從而產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)。通常閘閥、蝶閥、球閥可用作開(kāi)關(guān)閥。開(kāi)關(guān)閥不能在上下游帶有壓差下操作，通常會(huì)配有均壓的旁路，須先通過(guò)均壓旁路將閥門(mén)上下游的壓力平衡后再操作閥門(mén)。按照EIGA 13/12標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)開(kāi)關(guān)閥全部打開(kāi)時(shí)，氧氣流是平穩(wěn)的，閥體可認(rèn)為非撞擊場(chǎng)合，閥芯(閘板、蝶板、球)則按撞擊場(chǎng)合考慮。因此，閥體與閥芯的材料設(shè)計(jì)遵循不同的壓力流速限制。調(diào)節(jié)閥，顧名思義即用于調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的壓力或流量以滿(mǎn)足工藝生產(chǎn)要求。調(diào)節(jié)閥通常根據(jù)反饋的壓力、流量等參數(shù)來(lái)控制閥門(mén)開(kāi)度大小，開(kāi)關(guān)的動(dòng)作可快可慢，并且需要在高壓差下操作，因此對(duì)閥門(mén)的要求極為苛刻，按照EIGA 13/12標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)節(jié)閥處于高流速的撞擊和紊流場(chǎng)合，調(diào)節(jié)閥及下游8倍公稱(chēng)直徑范圍內(nèi)區(qū)域均須選用豁免材料，閥門(mén)的密封面可堆焊豁免材料，但應(yīng)滿(mǎn)足豁免材料的最小厚度要求。調(diào)節(jié)閥可為手動(dòng)或帶氣動(dòng)或電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)操作，通常為截止閥和蝶閥型式。

2 氧氣閥門(mén)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

氧用截止閥設(shè)計(jì)應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)JB/T10530，氧用球閥設(shè)計(jì)應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)API 608/ASME B16.34；氧用蝶閥應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)API 609，氧用閥門(mén)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)ASME B16.10，閥門(mén)檢驗(yàn)和試驗(yàn)應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)API 598。

3 煤化工氧氣閥門(mén)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)空分行業(yè)的氧氣系統(tǒng)不同，干粉煤氣化工藝中，氧氣需要加熱至180℃以上，當(dāng)與蒸汽混合后溫度約200℃，在此高溫條件下的氧氣危險(xiǎn)性極高，多數(shù)非金屬材料和潤(rùn)滑脂極容易燃燒，甚至金屬材料也容易被點(diǎn)燃。因此，系統(tǒng)上的氧氣閥門(mén)設(shè)計(jì)也極具挑戰(zhàn)。首先，要考慮在此苛刻條件下快速開(kāi)關(guān)、無(wú)泄漏等性能，閥門(mén)設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能地減少外泄漏點(diǎn)；其次，還要評(píng)估由于閥門(mén)開(kāi)關(guān)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦、絕熱壓縮、顆粒物撞擊而可能引發(fā)燃燒和爆炸的概率，在設(shè)計(jì)中流道盡可能光滑平緩，過(guò)氧零件設(shè)計(jì)確保無(wú)尖角銳邊，同時(shí)要通過(guò)選擇兼容性高材料、避免絕熱壓縮產(chǎn)生及增強(qiáng)密封面的抗摩擦性等以增強(qiáng)閥門(mén)的安全可靠性。干粉煤氣化工藝中，常用的氧氣閥門(mén)型式為球閥和截止閥，氣動(dòng)球閥通常作為氧氣系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)閥，迅速開(kāi)啟或關(guān)閉以實(shí)現(xiàn)工藝操作的要求，氣動(dòng)截止閥通常作為調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)和控制氧氣的流量和壓力。按照EIGA13/12氧氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范，球閥屬于快開(kāi)型，當(dāng)閥門(mén)打開(kāi)時(shí)，由于上下游的高壓差，氧氣以聲速迅速將下游氣體壓縮，從而在末端發(fā)生絕熱壓縮而產(chǎn)生高溫，對(duì)于壓差5 MPa的氧氣發(fā)生絕熱壓縮可使終端的溫度達(dá)到600℃以上，足以將一些非金屬、潤(rùn)滑脂等點(diǎn)燃。此外，球體流道邊緣處需要設(shè)計(jì)圓角過(guò)渡，如果設(shè)計(jì)銳角邊，通常球閥在打開(kāi)和關(guān)閉時(shí)，此銳角邊與高流速的氧氣發(fā)生沖擊和摩擦，存在很大風(fēng)險(xiǎn)；而當(dāng)球閥全部打開(kāi)時(shí)，氧氣的流動(dòng)可考慮為平穩(wěn)，與閥體和球無(wú)沖擊。結(jié)合上述特點(diǎn)，氧氣球閥設(shè)計(jì)中要考慮如下幾點(diǎn)。

(1)壓旁路系統(tǒng)，避免高壓差開(kāi)關(guān)閥門(mén)而產(chǎn)生絕熱壓縮。如圖1所示的絕熱壓縮升溫原理，當(dāng)快速開(kāi)啟球閥時(shí)，上游高壓氧會(huì)迅速通過(guò)閥門(mén)，將下游的低壓氧壓縮升溫，從而將末端的非金屬墊片或密封圈等點(diǎn)燃。按照EIGA13/12和JB/T12955要求，開(kāi)關(guān)閥上下游應(yīng)按圖2所示的旁路系統(tǒng)進(jìn)行均壓，避免高壓差下開(kāi)啟閥門(mén)，旁路管道應(yīng)從氧氣主管的中心線(xiàn)或中心線(xiàn)以上接入，減少顆粒物等帶入旁路系統(tǒng)。旁路與主管的接頭應(yīng)采用半管接頭插入主管內(nèi)部，以避免氧氣與主管開(kāi)孔邊緣處的撞擊和摩擦，此外，還要控制氧氣的流速，避免旁路的氧氣直接沖擊主管的底部，旁路管道及管件都需要按豁免材料設(shè)計(jì)。旁路上閥門(mén)為控制均壓的速度，具有節(jié)流功能，需承受氧氣的沖擊及可能的顆粒物撞擊，因此，通常選用豁免材料的硬密封截止閥。煤化工氧氣旁路閥的設(shè)計(jì)有些不同，通常選用氣動(dòng)球閥加限流孔板設(shè)計(jì)，雖然球閥快速打開(kāi)流量很大，但可通過(guò)限流孔板來(lái)限定流量，且下游不應(yīng)有死端，避免絕熱壓縮。旁路球閥和孔板都屬于撞擊場(chǎng)合，應(yīng)按豁免材料設(shè)計(jì)。

圖1 壓縮升溫點(diǎn)燃死端非金屬物

圖2 旁路均壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(2)球閥的密封圈、填料等非金屬材料要考慮高溫氧氣工況，多數(shù)非金屬材料在氧氣下燃燒或變形，如氧兼容性較好的氟橡膠和氟塑料均不適用于此工況。石墨或石墨復(fù)合型材料也具有良好的氧兼容性，且石墨材料有耐高溫的特性，但純石墨脆性較大，用作填料材料時(shí)需考慮與閥桿摩擦而引起的脫落問(wèn)題，設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮防止顆粒進(jìn)入氧氣系統(tǒng)，此外，石墨及石墨復(fù)合型材料的墊片和填料在加工過(guò)程中要禁油并進(jìn)行脫脂處理，按EIGA13/12要求，用于氧氣系統(tǒng)的非金屬材料應(yīng)取得BAM認(rèn)證，以確保此類(lèi)產(chǎn)品在氧氣環(huán)境中的良好性能。所謂的BAM測(cè)試，是指在德國(guó)聯(lián)邦材料研究和測(cè)試所在氧氣環(huán)境下對(duì)非金屬材料進(jìn)行的自發(fā)燃點(diǎn)測(cè)試，即在一定壓力和純度的氧氣條件下，對(duì)試樣材料進(jìn)行加熱，從而能夠得知材料自發(fā)燃燒的最低溫度。目前，一些墊片和填料供應(yīng)商對(duì)其氧用產(chǎn)品已經(jīng)取得了BAM認(rèn)證，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)中應(yīng)明確此要求，并要求供應(yīng)商提供相應(yīng)報(bào)告。

(3)球閥通常有旁路均壓系統(tǒng)，因此，其閥體可定義為非撞擊場(chǎng)合，但對(duì)于球體、閥座等內(nèi)件開(kāi)關(guān)過(guò)程中承受氧氣的撞擊和摩擦，應(yīng)定義為撞擊場(chǎng)合。按照EIGA13/12和JB/T12955的要求(見(jiàn)表1)，不銹鋼應(yīng)用于非撞擊場(chǎng)合時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足PV≤80MPa·m/s，如用作閥體材料；不銹鋼應(yīng)用于撞擊場(chǎng)合應(yīng)滿(mǎn)足PV≤45MPa·m/s，如用于球體、閥座等材料。當(dāng)PV超過(guò)非撞擊和撞擊場(chǎng)合的限制時(shí)，應(yīng)選用豁免材料。EIGA 13/12和JB/T12955給出了豁免材料的最小厚度和豁免壓力，以供工程設(shè)計(jì)選用。表2列出閥門(mén)設(shè)計(jì)中常用豁免材料的最小厚度和豁免壓力。

表1 碳鈣與奧氏體不銹鈣材料管道的流速r限制

表2 豁免材料的豁免壓力及厚度限制

(4)球閥密封副的設(shè)計(jì)也是尤為關(guān)鍵，通常固定球閥是靠介質(zhì)壓力推動(dòng)金屬閥座與球體密封面間形成密封，密封比壓大小、密封面材料的彈性性能、機(jī)加工精度等對(duì)閥門(mén)的密封及可靠性有重要影響，在保證密封的同時(shí)又要關(guān)注閥門(mén)開(kāi)啟的難易程度、密封面間的硬度、粗糙度、耐磨擦和劃傷等問(wèn)題。因此，球閥密封面材料設(shè)計(jì)尤為重要。從氧氣兼容性的角度，密封面的材料應(yīng)為豁免材料，如因科鎳爾或蒙乃爾等鎳基材料，但是單純的鎳基密封面材料硬度較低，多次開(kāi)關(guān)后密封面可能會(huì)有劃傷等問(wèn)題，因此需要通過(guò)對(duì)密封表面進(jìn)行硬化處理。ASTM G88允許通過(guò)堆焊提高密封面的氧兼容性和耐磨性，但是堆焊層的厚度應(yīng)為1mm到3mm，以防止堆焊層的脫落；按照J(rèn)B/T12955要求，堆焊層的厚度不小于2mm，并且要有30HBW的硬度差，但堆焊工藝煩瑣，少有使用。ASTM G88不允許通過(guò)電鍍工藝增強(qiáng)密封面的兼容性，因?yàn)殡婂儗虞^薄并容易脫落。現(xiàn)階段，氧氣球閥的密封面通常是將鎳基合金通過(guò)熱噴焊(噴涂+重熔)工藝提高其表面硬度，表面硬化涂層的厚度不小于0.8mm，硬度60HRC左右，具備良好的耐磨性能，密封面不易拉傷。熱噴焊工藝采用的是金屬冶煉的原理，將涂層與球體近似冶金結(jié)合，與堆焊工藝比較硬度更高，與電鍍工藝相比，熱噴焊涂層與球體不易脫落，但噴涂粉末的成分對(duì)涂層的氧兼容性有重要影響，應(yīng)根據(jù)金屬元素在氧氣環(huán)境下的燃燒特性進(jìn)行配比，以保證涂層的氧兼容性不低于閥座和球體材料的兼容性。金屬燃燒熱，也即氧化物形成熱，熱值越高，氧兼容性越低。如氧化鈹、氧化鋁的形成熱較高，這兩種材料不適合應(yīng)用于氧氣系統(tǒng)(見(jiàn)表3)。若結(jié)合元素周期表，也可洞察出金屬元素的氧兼容性的規(guī)律。結(jié)合表3和圖3發(fā)現(xiàn)，鈹、鎂、鈣列金屬元素以及錋、鋁列金屬元素都具有較高的燃燒熱，不可應(yīng)用于具有危險(xiǎn)性的氧氣環(huán)境中，而鎳、鈀、鉑列元素和銅、銀、鈾列元素具有較低燃燒熱，因此具有較高的氧兼容性的鎳基、鈷基硬質(zhì)合金是氧氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常采用的金屬元素。

表3 金屬和合金燃燒熱或氧化物形成熱

注：數(shù)據(jù)引自ASTM G94。

圖3 危險(xiǎn)氧氣環(huán)境下可應(yīng)用和不可應(yīng)用金屬元素

注：數(shù)據(jù)引自ASTMG94。

(5)氧氣閥門(mén)防靜電設(shè)計(jì)。氧氣閥門(mén)設(shè)計(jì)需要考慮防靜電設(shè)計(jì)，通常對(duì)于法蘭連接的閥門(mén)需要在法蘭外圓處設(shè)計(jì)防靜電導(dǎo)電螺栓，便于安裝防靜電導(dǎo)線(xiàn)。

綜上所述，煤化工氧氣閥門(mén)起著關(guān)鍵作用，其設(shè)計(jì)需要根據(jù)氧氣閥門(mén)使用工況，參考氧用閥門(mén)相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，從材料的氧氣兼容性、密封副設(shè)計(jì)、密封材料兼容性等方面考慮，以確保閥門(mén)的操作可靠性和安全性。此外，閥門(mén)和管道系統(tǒng)的脫脂清洗也是重要的環(huán)節(jié)，通過(guò)脫脂清洗可以將加工殘余的碳?xì)浠衔锛邦w粒物等徹底去除，以確保氧氣系統(tǒng)的清潔，杜絕任何可能支持燃燒的要素。由此可見(jiàn)，氧氣閥門(mén)設(shè)計(jì)和制造的每個(gè)環(huán)節(jié)都非常重要，需要設(shè)計(jì)者和制造者的共同努力和認(rèn)真對(duì)待，才能確保氧氣系統(tǒng)的安全性。