浅析氧气调节阀的选型要点

一、文献概述及研究背景

1. 氧气的特性

氧是自然界中分布最广泛的元素之一, 按容积计算, 空气中氧气含量为20.93%, 在常温下为无色透明、无味、无臭的气体, 比空气略重。氧气的化学性质比较活泼, 是强烈的氧化剂和助燃剂。它除了与惰性气体氦、氖、氩、氪以及活性小的金属元素如金、银、铂在一般情况下不会发生化合反应之外, 与其他大部分的元素都能产生氧化反应。

2. 几种常见氧气管道、阀门燃烧爆炸原因分析

(1) 管道内的铁锈、粉尘、焊渣与管道内壁或阀口摩擦产生高温发生爆炸, 这种情况与杂质的种类、颗粒以及气流的速度有关, 铁粉易与氧气发生燃烧, 且颗粒越细, 燃点越低;流速越快, 越容易发生燃烧。

(2) 管道内或阀门存在油脂、橡胶等低燃点的物质, 在局部高温下引燃。

(3) 绝热压缩后产生的高温可使燃烧物燃烧。

(4) 高压纯氧中可燃物的燃点降低是氧气管道阀门燃烧的诱因。氧气管道和阀门在高压纯氧中, 其危险性是非常大的, 试验证明, 随着氧的纯度和压力的增加, 金属在氧气中的反应会显著加剧, 这对氧气管道和阀门构成了极大的威胁。

随着工业生产对氧气用量的逐年增加, 氧气多采用管道输送。管路长、分布广, 再加上急开或速闭阀门造成管道和阀门燃烧爆炸的事故时有发生, 所以, 充分了解氧气的特性、分析氧气管道和阀门存在的隐患、危险并采取相应的措施至关重要。合理选择氧气调节阀, 可以延长调节阀的使用寿命, 优化控制, 提高生产效率, 降低维护费用及生产成本, 改善劳动条件, 保障国家财产和人民的生命与健康。

二、调节阀的结构及功能

1. 调节阀的构成

国际电工委员会IEC对调节阀做了定义:“工业过程控制系统中, 由动力操作的装置形成的终端元件, 它包括一个阀体部件, 内部有一个改变过程流体流率的组件, 阀体部件又与一个或多个执行机构相接。执行机构用来响应元件送来的信号。”由此可见, 调节阀是由执行机构和阀体部件两部分组成, 即:调节阀=执行机构+阀体部件。其中, 执行机构是调节阀的推动装置, 它按信号压力的大小产生相应的推力或扭矩, 使推杆或转轴产生相应的位移或转角, 从而带动调节阀的阀芯动作;阀体部件是调节阀的调节部分, 它直接与介质接触, 通过执行机构推杆的位移货转轴的转角, 改变调节阀的截流面积, 达到调节的目的。

2. 控制阀组件与过程控制优化

控制阀组件在取得控制回路的可能的最佳性能方面扮演着极其重要的角色。过程优化意味着优化整个过程, 而不仅仅是用于控制室里的设备的控制算法。前人对几千个过程回路进行的审计已经提供了很强的证据, 表明终端控制元件在取得真正的过程优化方面扮演着非常重要的角色。当一个控制阀是为其应用场合而精心设计制造时, 工厂的盈利能力会增加。

三、氧气调节阀的选型要点

1. 阀型的选择

氧阀的选择, 需尽量选择流通效果好的单座柱塞阀或笼式阀, 避免使用迷宫式阀芯, 以尽量减少阀内湍流及局部流速过快。一般情况下, 小口径时, 优先选择流道设计简单的柱塞阀。

2. 基于流速及工作压力的考虑对阀体材质的选择

欧洲标准对氧气的具体规定, 即IGC标准, 是目前最严苛的标准。在IGCDoc13/02E有关章节中已对使用于氧气介质的多种材料的流速及耐压限制情况进行了界定, 例如材料Monel, IGCDoc13/02E中已明确说明只要压力在21MPa以内, Monel材料可以豁免 (exemption) 流速限制。我国颁布实施的《氧气及相关气体安全技术规程》 (GB16912-1997) 对氧气的规定与欧洲标准基本相同。详见表[1]

注:1.最高允许流速是指管系最低工作压力, 最高工作温度时的实际流速。

2.使流体流动方向突然改变或产生漩涡的位置, 从而引起流体中颗粒对管壁的撞击, 这样的位置成为撞击场合;否则, 称为非撞击场合。

3. 铜及铜合金 (含铝铜合金除外) , 镍及镍合金, 在小于或等于21.0Mpa条件下, 流速没有限制。

4.400号铸造镍-铜合金Monel400 (M35-1) 的标准规格:温度范围:-325至900°F (-198℃~677℃) 成分 (百分比)

Cu:26.0至33.0

C:0.35最大

Mn:1.5最大

Fe:3.5最大

S:0.03最大

P:0.03最大

Si:1.35最大

Nb:0.5最大

Ni:其余

3.阀内件的选择——阀芯及阀座的硬化处理

在压差小于218psi (1.5Mpa) 时, 内件可不需加硬, 但压力温度等级等于或超过900磅的高压阀时, 应对阀内件进行加硬处理。

在压差大于218psi (1.5Mpa) 时, 内件的选择建议采用硬质材料或进行硬化处理。压力范围在218psi和500psi之间时, 可采用堆焊司太莱 (Alloy6) 加硬处理;压力范围超过500psi时, 可采用硬质材料或Ni Cr-C (olmonoy6) 堆焊。

阀笼的选择, 建议使用Chrome Coating (镀铬) ;化学镀镍 (ENC) 虽然具有良好的阻燃性, 但易脱落, 因此, 不推荐使用在氧气工况;电镀 (Plating) 镀层极易脱落, 禁止使用于氧气工况。

常用的阀体及阀内件材质, 详见表[2]。

4. 填料、垫片及密封方式的选择

氧气工况对填料的选择, 主要根据温度条件:设计温度范围在-25℃~200℃时, 多采用PTFE (聚四氟乙烯) V型填料;设计温度范围在-25℃~400℃时, 选用石墨+Inconel填料;设计温度范围在-196℃~530℃时, 选用纯石墨填料;设计温度范围在-196℃~200℃时, 选用石墨+PTFE填料。如阀后压力小于14.5psi, 则建议使用双层PTFE填料或石墨填料。

垫片可使用适用于氧气工况的特殊垫片。

密封建议采用金属密封, 软密封虽可以使用, 但不推荐。

5. 其他影响氧气调节阀使用的重要因素

(1) 氧阀的脱脂 (Degreasing)

压缩氧气接触到少量的油脂会立即剧烈燃烧而引发爆炸, 因此氧气管道的管子、配件、垫片以及所有与氧气接触的材料都必须在安装使用前进行严格的除锈、吹扫、脱脂。工业上常用的脱脂剂包括:四氯化碳、精馏酒精和工业用二氯乙烷等。碳素钢、不锈钢及铜的管道、管件的阀门宜用工业用四氯化碳。四氯化碳与二氯乙烷都是有毒的, 在使用时必须有防毒措施。二氯乙烷与精馏酒精是易燃易爆的物质, 脱脂工作现场应严禁烟火, 遵守放火的有关规定。

脱脂完毕后, 应按设计规定进行脱脂质量检验。当设计无规定时, 脱脂质量检验的方法及合格标准规定如下:

(1) 用清洁干燥的白滤纸擦拭氧气阀门通道内壁, 纸上应无油脂痕迹。

(2) 用紫外线灯照射, 脱脂表面应无紫蓝荧光。

(2) 氧气调节阀的连接

(1) 氧气管道的连接, 应采用焊接, 但与设备、阀门连接可采用法兰式、丝扣连接。丝扣连接片, 应采用一氧化铅、水玻璃或聚四氟乙烯薄膜作为填料, 严禁用涂铅用的麻或棉丝, 或其他含油脂的材料。

(2) 氧气管道应有导除静电的接地装置。厂区管道可在管道分岔处无分支管道每80~100m处以及进出车间建筑物处设一接地装置。直接埋地管道可在埋地之前及出地后各接地一次;车间内部管道, 可与本车间的静电干线连接, 接地电阻值应符合规范。当每对法兰或螺纹接头间电阻值超过0.03Ω时, 应设跨接导线。对有阴板保护的管道, 不应作接地。

(3) 氧气管道的弯头、分叉头, 不应紧接安装在阀门的下游, 阀门的下游侧宜设长度不小于管外径5倍的直管段。

总结语

世界著名的阀门制造商们, 正在努力致力于为指定的工况设计和生产最适合的阀体类型、材质和内件组合, 只有充分仔细地考虑阀的流通能力、系统压力、温度以及介质等各方面的指标, 才能够选择出最合适的控制阀, 以确保整个控制系统能够完整顺利运行, 创造最大的经济效应。

摘要：随着工业的不断发展, 氧气的应用领域越来越广——如生产合成氨时, 氧气用于对原料气进行氧化, 以强化工艺过程, 提高化肥产量;炼钢过程中吹以高纯度氧气与碳、磷、硫、硅等起氧化反应, 不仅降低了钢的含碳量, 还有利于清除杂质, 吹氧不仅缩短了冶炼时间, 同时提高了钢的质量。不仅如此, 氧气还广泛的应用于医疗卫生、国防等其他行业。过程控制 (ProcessControl) 是指以温度、压力、流量、液位和成分等工艺参数作为被控变量的自动控制, 其最常用的终端控制元件就是控制阀, 控制阀调节流动的流体, 以补偿负载扰动并使得被控制的过程变量尽可能地靠近需要的设定点。本文根据对氧气特性及氧气管道、阀门燃烧爆炸原因的分析, 对氧气控制阀的选型, 提出了建议。

关键词：氧气,调节阀,氧气调节阀,脱脂