浅析降低氧阀潜在风险的措施

李颖（林德工程（杭州）有限公司)



浅析降低氧阀潜在风险的措施

李颖*
（林德工程（杭州）有限公司)

摘要为防止氧气在生产、储运和使用过程中发生事故，作为最关键的组件阀门，其设计及质量控制非常重要。分析了氧阀潜在的风险，探讨了降低火灾风险的措施，并阐述了如何合理选择氧阀材料。通过良好的工程设计可以降低氧阀存在的风险，从而保证用户的人身安全和财产安全。

关键词氧阀着火机理流速限制氧兼容性氧气风险

*李颖，女，1983年生，工学硕士。杭州市，310012。

随着生产和科学技术的发展，氧气广泛地应用于工业生产、国防建设、科学研究和医疗卫生事业。在氧气生产、储运、使用时，特别是在输送氧气的管线运行时，阀门一旦出现故障，就极易引发火灾、爆炸，造成设备损坏和人身伤亡等恶性事故。为了避免氧阀事故、降低潜在的风险，首先应从阀门的材料选择和结构设计着手，充分考虑到正常和异常时的不同使用工况，通过良好的工程设计达到降低风险的目的。

1　氧阀潜在风险的原因

燃烧、爆炸、喷射火是氧阀发生事故时的典型现象。氧在加压和管道输送过程中，当有油脂、氧化铁屑或小粒燃烧物（有机纤维等）存在时，其潜在的风险就增加。随着气流的运动，氧气与管壁、机体发生摩擦或撞击产生大量摩擦热，当热量积聚到一定程度时就可能发生火灾。另外，如果管路中阀门急骤打开，阀后的气体接近于绝热压缩温度，也会引起燃烧，破坏管道或阀门。被液氧浸渍的多孔有机物，当遇火或受撞击时，也会产生强烈爆炸。加压的可燃物质泄漏时形成喷射流，并可能在泄漏裂口处被点燃，瞬间就会产生喷射火。

氧阀系统的这些潜在的风险随时都可能发生，其原因是燃烧的三要素对于氧阀系统来说常常是具备的。燃烧的三要素，即为助燃剂(氧气)、可燃物(可燃的材料)和点燃能量(着火机理)。在氧气管道输送系统中，通常氧气和可燃物总是存在的，而着火机理和点火链就是火灾的起因。

可以导致阀门故障的着火机理[1]包括下述几项：(1)阀门零部件金属或非金属材料的冲击引起的微粒冲击着火；(2)绝热压缩(或气动冲击)、声音共振和流动摩擦等，都可能产生温度升高；(3)由有机材料燃烧或氧气中残留的污染物引起的助燃；(4)阀门中相邻的运动件和固定件之间摩擦引起的摩擦力。

引发氧阀着火的原因很多，比如微粒冲击是由于管道系统中潜在的颗粒源存在，甚至阀门中相邻的运动件和固定件之间摩擦亦可产生颗粒物质。管道系统如果受到高速微粒冲击，就有可能引发着火。一旦着火，在氧气压力、纯度、温度等因素影响下，易燃材料或零部件燃烧产生的热量更会加剧火灾。

绝热压缩造成的着火机理：在阀门突然被开启时，氧气从低压被压缩到高压会发生绝热压缩（没有能量传递），此时氧气温度迅速上升，甚至达到很多金属材料的燃点。这在阀门中是普遍存在的现象，尤其当隔离阀打开时，阀座上形成压差，容易产生高速、紊流、快速加压和温度升高的风险。

阀体乃至整个氧管道系统内部的油脂、油污、氧化皮、焊接飞溅和油漆等其它的污染杂质，包括不合格清洁程序残留的可燃溶剂，都可能成为着火源，火甚至会扩散到整个系统造成火灾。

摩擦生热可以导致燃烧。阀门中相邻的金属零部件之间的摩擦也可以导致局部生热。垫片或阀座处氧气通过非金属材料泄漏导致的流体摩擦也可造成燃烧。

2　降低氧阀火灾风险的措施

降低氧阀火灾风险的措施：在设计方面，主要是考虑冲击流和非冲击流流速及其相应部位的金属和非金属材料的选择。

为了确定系统或材料特性，以便确定是否必须采取氧气流速限制，进行了一些必要的试验，包括材料或功能部件的微粒冲击试验和备选工程合金的助燃试验。试验的目的主要是为了降低微粒冲击的风险。但是，由于试验环境所限，难以确定类似的颗粒试样，且公开发表的颗粒冲击试验数据很少。普遍采用的助燃测试方法可以确定测试合金是否易燃，是否需要施加流速限制使不同厚度的合金有阻燃作用[1]。

工程中普遍遵循的流速免除压力是指工程合金免除流速限制的最大压力。在流速限制范围内，根据使用条件下金属的可燃性选择合适的合金材料，就可以通过中断点火链限制燃烧的蔓延。例如，在有冲击情况存在时，可根据图1的冲击流速曲线进行材料选择[1]。若低于其免除压力，任何金属材料都可以使用而不受流速限制。若超过其免除压力，流速保持在冲击流速曲线规定以下，则可选择该材料。若高出冲击流速曲线，就只能采用免除材料。

图1　冲击场流速限制

此外，工艺上常通过设置旁通系统来平衡隔离阀两侧的压力，使下游系统缓慢升压，减缓流速过快和急剧升压的风险。但是，当氧气管道中只有不可燃烧物质颗粒时，即便是在比较高的氧气流速下，管道也没有燃烧的危险。有可燃物质颗粒时，只要达到一定的流速，管道就可能燃烧。可燃物质的着火点愈低，能引起氧气管道燃烧的氧气流速就愈低[2]。

3　氧阀材料的选择

为了保证氧阀的密封性和工作安全性，应根据阀门使用的环境、介质、温度、成本等，合理选择氧阀材料。一般来说，作为旁通阀整个阀体都将经受冲击和高速紊流的作用，故对其材料的选择和流速限制非常重要。火灾的后果主要取决于燃烧扩展的程度和速度，因此在关键部位正确采用阻燃材料可限制管道内火灾的扩展。金属材料的选择与气体流速和阀门的类型、功能及其设计有关，应当考虑是否存在冲击。根据使用条件下金属的可燃性，确

定氧气流速是否有限制要求。如果阻燃合金在系统设计压力下能够阻燃，则不需要流速限制。

氧阀中垫片、阀座、润滑剂及填料可能选用非金属材料。很多非金属材料都是易燃的，即使在常压、氧气纯度大于23.5%时也可燃烧。在燃烧链的着火过程中，非金属部件常常促使大块金属材料着火，尤其是非金属部件燃烧将产生大量的热量。因此，在设计有非金属材料的氧气系统时，应尽量减少非金属材料的使用量，多考虑缠绕金属材料的使用，以便于扩散热量。应尽量避免非金属材料和氧气直接接触，所选择的非金属材料在氧气中应具有稳定的物理化学性质，并尽可能选择通过论证可用于氧气介质的材料，也就是需评定非金属材料的氧兼容性。

氧兼容性好的材料主要具备高自燃温度（非金属材料）、高免除压力（金属材料）、低燃烧热、高热容、高导热性和氧指数高等特性。铜、镍及其合金材料（Monel）应用于氧气输送系统中具有非常好的氧兼容性，在21 MPa以下没有流速限制，通常此类材料被定义为免除型材料。非金属材料和金属相比更易燃烧。一般评估非金属材料的氧兼容性，主要看其自燃温度和燃烧热（不同供应商使用的加工工艺不同，非金属材料的自燃温度和燃烧热也不同）。

国标GB 16912[3]和GB 50030[4]对氧气阀门材料的选用作出了规定。也就是说，对于p≤0.6 MPa (g)，0.6 MPa (g) 10 MPa (g)的不同压力，用于氧阀的各主要零部件的材料具有不同的要求。此外，GB 16912还对不同的工作压力规定了奥氏体不锈钢管系中最高允许流速。标准对选材的要求较为严格，设计时应根据各种阀门的特性，评估整个管系的着火机理，适当选择经济合理的材料。

4　结语

总之，氧气管道系统的阀门应适用于氧气介质，并由有资质经验的供应商提供材料，进行设计制造。阀门的选材和机械设计需考虑正常和非正常工况。阀门的设计与选型应遵循设计单位的工程规定以及国标和有关规范的规定。宜选用氧兼容性好的非金属材料并尽量减少用量。在特定位置宜选择免除性金属材料。应采用良好的设备设计和布置，采用正确的防火措施，力求使火灾后果减至最小。

参考文献

[1]IGC Doc 13/02/E,氧气管道系统[S] .2002.

[2]贾德训.对氧气管道安全问题的探讨[J] .钢铁技术，2002 (3)：45-49.

[3]GB 16912—2008深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程[S] .

[4]GB 50030—2013氧气站设计规范[S] .

综述

化机制造

Brief Analysis of Measures to Reduce the Potential Risk of Oxygen Valve

Li Ying

Abstract：In order to prevent the accidents in the production, storage and usage of oxygen, the design and quality control of the valve which is the most critical component are of vital importance.The potential risks of the oxygen valve are analyzed and the measures to reduce the fire risk are investigated.In addition, the material selection of the oxygen valve is described.The risks of the oxygen valve can be reduced by engineering design optimizaiton, thus ensuring the personal and property safety of the users.

Key words：Oxygen valve; Ignition mechanism; Velocity limitation; Oxygen compatibility; Oxygen; Risk

(收稿日期:2015-06-11)

中图分类号TQ 055.8

DOI：10.16759/j.cnki.issn.1007-7251.2016.02.013