淺析空分裝置高壓氧氣管道選材原則

馮 光 北京石油化工工程有限公司 西安 710000

在氧氣管線系統的著火三角[1]中，首先，氧氣本身是助燃劑，燃燒與爆炸的危險性隨氧氣的濃度、溫度、壓力以及流量的升高而增大；其次，燃燒物是金屬/非金屬管道和潤滑劑，以及可能出現的污染物包括金屬微粒、殘余油脂等；另外，金屬/非金屬微粒沖擊、絕熱壓縮或管件摩擦導致的溫升是達到著火點的主因。所以，在空分裝置的高壓氧氣管線系統中，管道以及管件材質的選用是氧氣管路安全穩定的重要保證。為保證安全，管線的脫油脫脂要求、布置要求、管道施工安裝的質量控制和驗收要求也尤為重要。

1 氧氣安全技術規程

1.1 IGC Doc 13/12/E

IGC Doc 13/12/E (下文簡稱：IGC)為各大工業氣體公司、亞洲工業氣體協會(AIGA)、壓縮氣體協會組成(CGA)、歐洲工業氣體協會(EIGA)以及日本工業和醫療氣體協會(JIMGA)聯合參與制定的安全規范，該規范在西歐和北美各國氧氣管道系統50多年應用歷史中有著良好的安全記錄。

該規范根據管線或管件所在區域為沖擊區域(圖2)或非沖擊區域(圖3)對應的壓力流速曲線進行選材。

IGC中特別說明了圖2、圖3所示的選擇原則并不是唯一的氧氣管線選材原則，它只是針對生產中最常見的顆粒沖擊著火工況所對應的選擇原則，氧氣管線材質的選擇是一項安全統籌分析工作，需要綜合考慮各種工況，如：絕熱壓縮、摩擦溫升等。

1.2 GB 16912-2008

GB 16912-2008(下文簡稱：氧規)是我國現行的氧氣安全規程[2]，規定了工業氧氣及相關氣體的生產(含設計、制造、安裝、改造、維修)、儲存、輸配和使用中應遵守的安全要求。氧規中提出的氧氣最高允許流速[3](除豁免材料)與IGC相似，不同的是：氧規中直接列出了在不同應用場景下管道及閥門的選材范圍。例如：在3.0MPa

2 安全規程的工程應用

2.1 工程設計內容

圖1為空分裝置中防爆墻內的經典流程。其中，管線1和6為主氧氣產品管線，管線2和3為放空至消音器管線，管線4和5為超壓保護的安全閥進出口管線，管線7、8和10為閥門旁路管線。針對本流程，按照工程設計要求，分別以IGC和氧規兩個標準來選材，得到了case1和case2兩個截然不同的選材結果，詳見表2。

圖1 典型氧氣管網示例

2.2 沖擊場與非沖擊場

使流體流動方向突然改變或產生旋渦的位置，會引起流體中顆粒對管壁的撞擊，這樣的位置稱為沖擊場[4]；從表2可以看出除管線1、6和9之外的所有管線和管件，設計中都將其定義為沖擊場。兩個標準都將氧氣管線分為沖擊場和非沖擊場，IGC中對沖擊場/非沖擊場的流速限制見圖2/圖3。

圖2 沖擊流速曲線

圖3 非沖擊流速曲線

2.3 豁免材料說明

對于應用在氧氣管道的工程合金來說，金屬可燃性是一關鍵因素。合金化學成分、部件厚度、溫度、氧氣壓力及氧氣純度是影響金屬可燃性的主要變量。IGC中提出的豁免材料是在確定的壓力限制、材料厚度和氧氣純度的情況下，可不受氧氣流速的限制。只有在富氧氣體中進行微粒沖擊和/或助燃試驗的材料才可被認定為豁免材料。工程常用豁免材料見表1。

表1 工程常用豁免材料

2.4 工程結果分析

管材及管件選擇對比見表2。

表2 管材及管件選擇對比

注：① 閥門5倍公稱直徑(并不小于1.5m)范圍內銅合金或鎳基合金；② 調節閥組前后各5倍公稱直徑(各不小于1.5m)范圍內銅合金或鎳基合金。

由表2可以看出，非沖擊場工況的管線(pipe1/6/9)PV值<80MPa·m/s(非沖擊場流速限制)，這些管線上的管件(V01/V02/V04/FV01)PV值<45MPa·m/s(沖擊場流速限制)，按IGC標準均無需使用豁免材料。而按照氧規要求，上述管線和管件的選材標準均需提高，從而增加成本。其中管線9和閥門V04均選為豁免材料，管線1/6均需在閥門5倍公稱直徑(并不小于1.5m)范圍內選擇豁免材料。而針對主氧氣管線的旁路，兩個標準的選材結果一致，包括管線7/8/10和管件V03、HV01，考慮到其流速遠超沖擊場流速限制，在此位置選擇豁免材料較為妥當。

在放空至消音器管線中(pipe2/3)，兩個標準的選材差異與主氧氣管線類似。管線3的流速較高，但是其PV值僅為7.5MPa·m/s，并且兩個標準針對P=0.1MPa時并無流速或PV限制。由于渦流區中的微粒沖擊原因，FV02的PV值一般較高，因此均選擇豁免材料。

安全閥(PSV01)上下游管線(pipe4/5)仍需按照沖擊場嚴格限制流速，兩個標準針對安全閥選擇一致，上下游管線略有不同。

由以上結論可見，IGC鑒于高速和紊流沖擊的影響對豁免材料的使用主要集中于旁路及其管件；可將氧規看作是IGC的選材再提升，除IGC中要求豁免材料之處類似外，還對主要管件的上下游管線提出了特材要求(閥門5倍公稱直徑，并不小于1.5m)，并且本流程中所有的管件均涉及到了豁免材料的使用，這導致了不同的執行標準下工程成本的成倍提升。

3 結語

通過工程實例對比了歐洲工業氣體協會頒布的IGC Doc13/12/E氧氣管線和管道系統標準和國標GB 16912-2008深度冷凍法生產氧氣及相關氣體安全技術規程的選材原則，指出氧規在空分裝置高壓氧氣管道的選材中過于單一和保守，應加緊制定或修訂相關安全規程；由于國內還沒有針對高壓氧氣的防護墻設計標準，使設計工作中無法將氧氣管道的選材安全與防護墻的保護能力相結合從而降低對特材的要求。高壓氧氣管線的另一重要風險源是墊片、閥門內件等，特別是其中的非金屬材料。除此之外，氧氣管道清洗程序在安裝階段控制管道的清潔度；氧氣管道吹掃程序確保調試階段的管道清潔度，最后確認氧氣管道系統的清潔。因此確保氧氣管道系統的安全重在整個系統的質量控制，而不宜只著眼于材質選擇。