李穎（林德工程（杭州）有限公司)

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淺析降低氧閥潛在風險的措施

李穎*
（林德工程（杭州）有限公司)

摘要為防止氧氣在生產(chǎn)、儲運和使用過程中發(fā)生事故，作為最關(guān)鍵的組件閥門，其設(shè)計及質(zhì)量控制非常重要。分析了氧閥潛在的風險，探討了降低火災風險的措施，并闡述了如何合理選擇氧閥材料。通過良好的工程設(shè)計可以降低氧閥存在的風險，從而保證用戶的人身安全和財產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞氧閥著火機理流速限制氧兼容性氧氣風險

*李穎，女，1983年生，工學碩士。杭州市，310012。

隨著生產(chǎn)和科學技術(shù)的發(fā)展，氧氣廣泛地應用于工業(yè)生產(chǎn)、國防建設(shè)、科學研究和醫(yī)療衛(wèi)生事業(yè)。在氧氣生產(chǎn)、儲運、使用時，特別是在輸送氧氣的管線運行時，閥門一旦出現(xiàn)故障，就極易引發(fā)火災、爆炸，造成設(shè)備損壞和人身傷亡等惡性事故。為了避免氧閥事故、降低潛在的風險，首先應從閥門的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計著手，充分考慮到正常和異常時的不同使用工況，通過良好的工程設(shè)計達到降低風險的目的。

1　氧閥潛在風險的原因

燃燒、爆炸、噴射火是氧閥發(fā)生事故時的典型現(xiàn)象。氧在加壓和管道輸送過程中，當有油脂、氧化鐵屑或小粒燃燒物（有機纖維等）存在時，其潛在的風險就增加。隨著氣流的運動，氧氣與管壁、機體發(fā)生摩擦或撞擊產(chǎn)生大量摩擦熱，當熱量積聚到一定程度時就可能發(fā)生火災。另外，如果管路中閥門急驟打開，閥后的氣體接近于絕熱壓縮溫度，也會引起燃燒，破壞管道或閥門。被液氧浸漬的多孔有機物，當遇火或受撞擊時，也會產(chǎn)生強烈爆炸。加壓的可燃物質(zhì)泄漏時形成噴射流，并可能在泄漏裂口處被點燃，瞬間就會產(chǎn)生噴射火。

氧閥系統(tǒng)的這些潛在的風險隨時都可能發(fā)生，其原因是燃燒的三要素對于氧閥系統(tǒng)來說常常是具備的。燃燒的三要素，即為助燃劑(氧氣)、可燃物(可燃的材料)和點燃能量(著火機理)。在氧氣管道輸送系統(tǒng)中，通常氧氣和可燃物總是存在的，而著火機理和點火鏈就是火災的起因。

可以導致閥門故障的著火機理[1]包括下述幾項：(1)閥門零部件金屬或非金屬材料的沖擊引起的微粒沖擊著火；(2)絕熱壓縮(或氣動沖擊)、聲音共振和流動摩擦等，都可能產(chǎn)生溫度升高；(3)由有機材料燃燒或氧氣中殘留的污染物引起的助燃；(4)閥門中相鄰的運動件和固定件之間摩擦引起的摩擦力。

引發(fā)氧閥著火的原因很多，比如微粒沖擊是由于管道系統(tǒng)中潛在的顆粒源存在，甚至閥門中相鄰的運動件和固定件之間摩擦亦可產(chǎn)生顆粒物質(zhì)。管道系統(tǒng)如果受到高速微粒沖擊，就有可能引發(fā)著火。一旦著火，在氧氣壓力、純度、溫度等因素影響下，易燃材料或零部件燃燒產(chǎn)生的熱量更會加劇火災。

絕熱壓縮造成的著火機理：在閥門突然被開啟時，氧氣從低壓被壓縮到高壓會發(fā)生絕熱壓縮（沒有能量傳遞），此時氧氣溫度迅速上升，甚至達到很多金屬材料的燃點。這在閥門中是普遍存在的現(xiàn)象，尤其當隔離閥打開時，閥座上形成壓差，容易產(chǎn)生高速、紊流、快速加壓和溫度升高的風險。

閥體乃至整個氧管道系統(tǒng)內(nèi)部的油脂、油污、氧化皮、焊接飛濺和油漆等其它的污染雜質(zhì)，包括不合格清潔程序殘留的可燃溶劑，都可能成為著火源，火甚至會擴散到整個系統(tǒng)造成火災。

摩擦生熱可以導致燃燒。閥門中相鄰的金屬零部件之間的摩擦也可以導致局部生熱。墊片或閥座處氧氣通過非金屬材料泄漏導致的流體摩擦也可造成燃燒。

2　降低氧閥火災風險的措施

降低氧閥火災風險的措施：在設(shè)計方面，主要是考慮沖擊流和非沖擊流流速及其相應部位的金屬和非金屬材料的選擇。

為了確定系統(tǒng)或材料特性，以便確定是否必須采取氧氣流速限制，進行了一些必要的試驗，包括材料或功能部件的微粒沖擊試驗和備選工程合金的助燃試驗。試驗的目的主要是為了降低微粒沖擊的風險。但是，由于試驗環(huán)境所限，難以確定類似的顆粒試樣，且公開發(fā)表的顆粒沖擊試驗數(shù)據(jù)很少。普遍采用的助燃測試方法可以確定測試合金是否易燃，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壓力是指工程合金免除流速限制的最大壓力。在流速限制范圍內(nèi)，根據(jù)使用條件下金屬的可燃性選擇合適的合金材料，就可以通過中斷點火鏈限制燃燒的蔓延。例如，在有沖擊情況存在時，可根據(jù)圖1的沖擊流速曲線進行材料選擇[1]。若低于其免除壓力，任何金屬材料都可以使用而不受流速限制。若超過其免除壓力，流速保持在沖擊流速曲線規(guī)定以下，則可選擇該材料。若高出沖擊流速曲線，就只能采用免除材料。

圖1　沖擊場流速限制

此外，工藝上常通過設(shè)置旁通系統(tǒng)來平衡隔離閥兩側(cè)的壓力，使下游系統(tǒng)緩慢升壓，減緩流速過快和急劇升壓的風險。但是，當氧氣管道中只有不可燃燒物質(zhì)顆粒時，即便是在比較高的氧氣流速下，管道也沒有燃燒的危險。有可燃物質(zhì)顆粒時，只要達到一定的流速，管道就可能燃燒。可燃物質(zhì)的著火點愈低，能引起氧氣管道燃燒的氧氣流速就愈低[2]。

3　氧閥材料的選擇

為了保證氧閥的密封性和工作安全性，應根據(jù)閥門使用的環(huán)境、介質(zhì)、溫度、成本等，合理選擇氧閥材料。一般來說，作為旁通閥整個閥體都將經(jīng)受沖擊和高速紊流的作用，故對其材料的選擇和流速限制非常重要?；馂牡暮蠊饕Q于燃燒擴展的程度和速度，因此在關(guān)鍵部位正確采用阻燃材料可限制管道內(nèi)火災的擴展。金屬材料的選擇與氣體流速和閥門的類型、功能及其設(shè)計有關(guān)，應當考慮是否存在沖擊。根據(jù)使用條件下金屬的可燃性，確

定氧氣流速是否有限制要求。如果阻燃合金在系統(tǒng)設(shè)計壓力下能夠阻燃，則不需要流速限制。

氧閥中墊片、閥座、潤滑劑及填料可能選用非金屬材料。很多非金屬材料都是易燃的，即使在常壓、氧氣純度大于23.5%時也可燃燒。在燃燒鏈的著火過程中，非金屬部件常常促使大塊金屬材料著火，尤其是非金屬部件燃燒將產(chǎn)生大量的熱量。因此，在設(shè)計有非金屬材料的氧氣系統(tǒng)時，應盡量減少非金屬材料的使用量，多考慮纏繞金屬材料的使用，以便于擴散熱量。應盡量避免非金屬材料和氧氣直接接觸，所選擇的非金屬材料在氧氣中應具有穩(wěn)定的物理化學性質(zhì)，并盡可能選擇通過論證可用于氧氣介質(zhì)的材料，也就是需評定非金屬材料的氧兼容性。

氧兼容性好的材料主要具備高自燃溫度（非金屬材料）、高免除壓力（金屬材料）、低燃燒熱、高熱容、高導熱性和氧指數(shù)高等特性。銅、鎳及其合金材料（Monel）應用于氧氣輸送系統(tǒng)中具有非常好的氧兼容性，在21 MPa以下沒有流速限制，通常此類材料被定義為免除型材料。非金屬材料和金屬相比更易燃燒。一般評估非金屬材料的氧兼容性，主要看其自燃溫度和燃燒熱（不同供應商使用的加工工藝不同，非金屬材料的自燃溫度和燃燒熱也不同）。

國標GB 16912[3]和GB 50030[4]對氧氣閥門材料的選用作出了規(guī)定。也就是說，對于p≤0.6 MPa (g)，0.6 MPa (g) 10 MPa (g)的不同壓力，用于氧閥的各主要零部件的材料具有不同的要求。此外，GB 16912還對不同的工作壓力規(guī)定了奧氏體不銹鋼管系中最高允許流速。標準對選材的要求較為嚴格，設(shè)計時應根據(jù)各種閥門的特性，評估整個管系的著火機理，適當選擇經(jīng)濟合理的材料。

4　結(jié)語

總之，氧氣管道系統(tǒng)的閥門應適用于氧氣介質(zhì)，并由有資質(zhì)經(jīng)驗的供應商提供材料，進行設(shè)計制造。閥門的選材和機械設(shè)計需考慮正常和非正常工況。閥門的設(shè)計與選型應遵循設(shè)計單位的工程規(guī)定以及國標和有關(guān)規(guī)范的規(guī)定。宜選用氧兼容性好的非金屬材料并盡量減少用量。在特定位置宜選擇免除性金屬材料。應采用良好的設(shè)備設(shè)計和布置，采用正確的防火措施，力求使火災后果減至最小。

參考文獻

[1]IGC Doc 13/02/E,氧氣管道系統(tǒng)[S] .2002.

[2]賈德訓.對氧氣管道安全問題的探討[J] .鋼鐵技術(shù)，2002 (3)：45-49.

[3]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] .

[4]GB 50030—2013氧氣站設(shè)計規(guī)范[S] .

綜述

化機制造

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)

中圖分類號TQ 055.8

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