空分、煤气化装置的氧气阀门设计

刘博男　李世涛　姜雪

摘要：在煤气化装置运转过程中，氧气属于是重要的反应物之一，而且还能与煤以及蒸汽发生相互作用，生成一氧化碳、氢气和二氧化碳等等。本文根据以往工作经验，对具体工作原理和设计分析内容进行总结，并从均压旁路系统、球阀密封圈及填料等非金属材料应用、球阀设计、密封副设计、氧气阀门防静电设计五方面，论述了实际质量控制要点。

关键词：煤气化装置;氧气阀门;密封副

空气中的氧气占比为21%，含量相对丰富，而且氧气对于动植物正常生命运转具备积极意义，还能为氧化和燃烧提供支持。另外，氧气还具备很强的商业价值，尤其是在一些煤化工装置之中，氧气可以充当生产合成气的气化剂，与煤粉、蒸汽和水按照特定比例混合，便能在气化炉之中产生反应，产生二氧化碳、氢气等合成气。另外，氧气属于是助燃气体，当气化炉之中出现异常问题时，工作人员需立即切断氧气，避免更多氧气进入其中。

1.工作原理

在氧气系统之中，人们往往会根据阀门功能，将其分成开关阀和调节阀两种类型。开关阀也被称之为快开型阀门，只要阀门处于微量开启状态，便会出现大量流体，而且该种阀门只能处于全开或者是全关状态，无法处于中间位置，进而演变出节流效应。最为常见的开关阀有闸阀、蝶阀以及球阀，而且开关阀不能在上下游带有压差的情况下进行操作，还会设计带有均压的旁路，使用时，要经过均压旁路，确保阀门上下游压力始终处于平衡状态，再进行阀门操作。除此之外，工作人员还可以根据EIGA13/12标准进行，当开关阀处于全部打开状态时，氧气流会处于平稳状态，阀体也可以被当做是非撞击场合，阀芯则是按照撞击场合进行考虑。所谓调节阀，主要是对系统中的压力和流量进行合理化调节，确保整个系统与工艺生产要求保持同步。在调节阀应用上，往往是根据反馈压力以及流量等参数，对阀门开度进行合理控制，至于开关动作，可以慢也可以快，需要在高压差下进行，这对于阀门要求十分严格，可以按照EIGA13/12标准进行调节。在调节阀和下游8倍公称直径范围内，需应用豁免材料，阀门的密封面同样利用堆焊豁免材料，但要满足豁免材料对厚度的要求。对于调节阀操作，可以使用手动、气动执行机构进行，最为常见的形式有截止阀和蝶阀。

2.设计分析

实际氧气阀门设计过程中，工作人员需要遵循相关标准要求，一般情况下，氧气截止阀设计所遵循的标准为JB/T10530，氧气球阀设计应遵循API608/ASMEB16.34标准。另外，氧气阀门结构长度同样存在明确要求，即满足标准ASMEB16.10，在阀门检验以及试验方面，应该与标准API598保持同步。

3.质量控制要点

总的来说，干粉煤气化工艺与传统的氧气系统存在明显差异，实际氧气加热温度应达到180℃以上，在与蒸汽混合后，温度能够达到200℃。由于整体温度较高，氧气危险性会彻底暴露出来，容易导致金属材料被点燃。从这里也能够看出，人们需要对氧气阀门设计质量控制提高重视程度。

3.1均压旁路系统

均压旁路系统设计，主要是避免高压差开关阀门出现的绝热压缩。当球阀处于开启状态时，整个上游高压氧气会迅速通过阀门，确保下游低压氧能够迅速压缩升温，进而将后端密封圈等装置点燃。从相关要求中能够看出，如果能够保证旁路系统始终处于均压状态，则阀门不会在高压差下开启，旁路管道也会从氧气主管中心线或者是中心线以上接入，避免颗粒物进入到系统。在旁路和主管接头设计上，应采用半管接头形式，与旁路系统连接在一起，确保氧气和主管开孔边缘出现撞击问题。更为重要的是，工作人员还要确保氧气流速处于合理状态，决不能出现氧气直接冲击主管底部情况，此时，豁免材料的加入具备重要意义。

3.2球阀密封圈及填料等非金属材料应用

很多材料并不适合在系统运行中进行应用，这主要是由于非金属材料在氧气下燃烧会出现变形问题，如氟橡胶、氟塑料等。相比之下，石墨以及石墨复合材料本身与氧具备良好的兼容性，而且石墨耐高温，但纯石墨具备明显的脆性，如果将其用作材料，会与阀杆产生摩擦，进而产生脱落现象。另外，在设计过程中，人们需要考虑颗粒状态，避免其进入到氧气系统之中。另外，石墨和石墨复合型材料垫片以及填料在加工时，要做到禁油，并做好脱脂处理，根据EIGA13/12要求，那些用于氧气系统非金属材料，同样需要进行BAM认证，使其在氧气环境下依旧具备良好性能。所谓的BAM测试，主要指在氧气环境下，了解非金属材料的自发燃点，换句话说，就是在一定压力和氧气纯度下，执行材料加热操作，了解材料自发燃烧的温度。截止到目前为止，一些垫片和填料供应商们已经得到了BAM认证，相关工作人员应按照实际要求，让供应商出示明确的检验报告。

3.3球阀设计

从实际球阀设计上，往往会搭配旁路均压系统，其阀体可以被当做是非撞击场合，但对于球体以及阀座等，需要在开关过程中承受氧气的撞击，所以说，工作人员要定义好撞击场合。对于具体的定义标准，可参照JB/T12955要求。例如，如果是利用不锈钢进行非撞击场合应用，所具备的条件是PV≤80MPa·m/s，保证阀体材料的稳定性。如果PC超过了非撞击和撞击场合限制，研究人员可直接选择应用豁免材料。从EIGA13/12中能够了解到，豁免材料具备特定的厚度和豁免压力，工程设计时，人们需要按照具体要求进行。

3.4密封副设计

想要保证空分、煤气化装置的氧气阀门的有效设计，球阀密封副设计同样重要，一般来说，对浮动球阀主要是借助于介质压力带动金属阀座和球体密封面，从而建立密封装置，这其中还涉及到一些影响因素，如密封比压大小、密封面材料弹性性能等等，在保证密封效果的同时，也要关注阀门开启是否方便，不能出现摩擦过大，或者是划伤等现象。为此，工作人员要提升对球阀密封面材料选择的重视性，可从氧气兼容性方面进行考虑，将豁免材料作为密封面，如因科镍尔材料等等，但如果单独应用这类材料，硬度无法达到要求，在多次开关之后，密封面很可能会出现划伤等现象，所以说，工作人员还要适当提升密封面的硬度。值得注意的是，从JB/T12955要求中能够了解到，实际堆焊层厚度不能低于2mm，并且具体硬度差需要保持在30HBW，由于这其中涉及到很多堆焊工艺，很少在实际操作中进行应用。反观热喷焊工艺，主要应用的是金属冶炼原则，将涂层和球体相结合，此时，热喷焊涂层和球体的脱落几率会大幅下降。

3.5氧气阀门防静电设计

在整个氧气阀门设计时，人们需要做的就是对静电设计进行充分考虑，一般来说，对于法兰连接阀门，工作人员应保证在法兰外圆出设计防静电导电螺栓，为后续防静电导线安装操作创造更多有利条件。

4.结论

综上所述，整个煤化工氧气阀门在应用过程中具备关键意义，实际设计时，工作人员应根据实际请款，将氧气阀门使用工况体现出来，并与阀门相关设计标准相结合，强化操作可靠性和安全性。另外阀门以及管道系统脱脂清洗同样显得十分重要，可以将碳氢化合物清洁干净，坚决避免出现任何支持燃烧的条件。

参考文献

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