水煤浆气化装置中氧气切断球阀的选型

贾玮，李涛(华陆工程科技有限责任公司，西安 710065)

水煤浆气化装置中氧气切断球阀的选型

贾玮，李涛
(华陆工程科技有限责任公司，西安 710065)

水煤浆气化装置中的氧气切断球阀根据流程的需要必须在规定的时间内准确打开或者关闭，从阀门型式的确定、阀体和阀内件材质的选择、阀门泄漏等级要求以及相关配套附件的选择上，阐述了氧气阀门的选型。随着国内某些装置的开车运行投产，业内已经开始尝试氧气切断球阀备品的部分国产化，并在实际使用后运行状况良好。

煤气化技术 水煤浆技术 氧气切断球阀 阀门选型 国产化

近十年来受到国际油价持续攀升、国内外投资环境日趋变好等因素的综合影响，促使国内的煤制甲醇，煤制油、烯烃和二甲醚(CH3OCH3)等具有能源替代概念的新建和改扩建煤化工产业项目持续升温。煤气化技术是煤化工产业中不可缺少的一步，即将固体煤转化成含有CO，H2，CH4等可燃气体和CO2，N2等非可燃气体的粗合成气，在提纯、分离后为下游产品使用。

1 工艺流程简介

本文主要分析在煤气化行业气化流程中使用的氧气阀门。煤气化技术的分类有多种，如果是根据炉内气-固状态和运动形式来分类，则主要有三大类： 以块煤(10～50 mm)为原料的固定床；以碎煤(小于6 mm)为原料的流化床；以粉煤(小于0.1 mm)为原料，在1300～1500 ℃温度下进行反应的气流床。

目前，国内在建或者投运的装置中，大多数采用气流床技术。具有代表性的有： 进口技术GE(德士古)炉、壳牌炉和国产技术航天炉、四喷嘴等。随着技术的不断发展和成熟，气流床气化炉的反应压力已经从2.0 MPa提升到6.5 MPa，并且成为主流装置使用的反应压力。近期，也有向更高压力等级发展的趋势，且已有少数项目装置使用的反应压力达到8.7 MPa。

2 氧气切断球阀的选型

O2在煤气化工艺流程中是不可缺少的反应介质。O2不仅具有助燃性，而且是以蒸气形式在高温高压环境下与煤粉混合进入气化炉反应。因此，氧气管线上的阀门发生任何外漏或者内漏情况，都会引发燃烧甚至爆炸等严重后果，更严重的还可能造成生命财产的重大损失。

下面以典型的GE气化炉流程中用到的氧气切断阀为例，简单介绍一下特殊工况下切断阀的选型。

2.1GE气化炉装置中氧气切断球阀位置及参数特殊性

目前，GE技术流程中的氧气切断球阀的安装位置如图1所示。

图1 GE炉气化流程氧气切断球阀位置示意

以氧气上游切断球阀(XV-03)和下游切断球阀(XV-04)为例，国内某已投产项目6.5 MPa(表压)气化炉反应压力的流程中，阀门的参数为： 管径200 mm；所在管道材质为0Cr18Ni9(即304SS)；阀前压力为8.1 MPa(表压)；阀后压力为8.06 MPa(表压)；管线温度为32 ℃(下游阀管线最高温度450 ℃)；阀门最大切断压力为13.2 MPa(表压)。

2.2阀门型式的确定

根据上文所述的阀门位置和参数情况，氧气切断阀的应用场合是： 紧急情况下阻断上游介质(O2)进入下游气化炉反应区。但是，如果工艺管线的尺寸突然变小，会使得经过管线的O2介质的流速发生变化，流速的变化又会使O2介质对所在管线造成一定破坏影响。因此，为避免O2因流速造成的影响，氧气管线内必须避免出现影响流速变化的因素存在。由此可见，全通径球阀是最佳选择。

鉴于O2具有助燃性，从安全角度考虑，用于O2介质的阀门应该采用金属密封；另外，阀门必须具备防静电处理和耐火结构，如阀体法兰配静电连接导出机构(静电连接螺丝及导线)。

2.3阀门材料的选择

2.3.1选择材料所依据的规范及对允许流速的要求

GB 50030—2007《氧气站设计规范》第12.0.8条对流速的具体要求：

1) O2工作压力为10 MPalt;p≤20 MPa，铜及其合金材质的管道，流速不应大于6 m/s，不锈钢材质的管道，流速不应大于4.5 m/s。

2) 氧气工作压力为3 MPalt;p≤10 MPa，不锈钢材质的管道，流速不应大于10m/s，碳钢材质的管道，流速不应大于4.5 m/s。

3) 氧气工作压力为1.5 MPalt;p≤3 MPa，不锈钢材质的管道，流速不应大于25m/s，碳钢材质的管道，流速不应大于15 m/s。

4) 氧气工作压力为0.1 MPalt;p≤1.5 MPa，不锈钢或者碳钢材质的管道，流速不应大于30 m/s。

5) 氧气工作压力p≤0.1 MPa，应按该管系允许的压力降确定。

GB 16912—2008 《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》中规定管道中的最高允许流速见表1所列。

表1 管道中的最高允许流速

由于有阀门的地方就会使流体产生漩涡，因而阀门所在的位置都是撞击场合。流速是撞击场合下选择阀门材料的依据。从表1中不难看出，当pv≤45 MPa·m/s时，可以选择不锈钢或者其他无流速限制要求的材料。

EIGA IGC DOC 13/02/E《氧气管线系统设计规范(欧洲工业气体协会)》中规定的流速如图2所示。

图2 氧气管线中压力与流速的关系示意

从图2曲线中，不难看出： 在撞击场合下： 当0.3 MPalt;plt;1.5 MPa(A)时，v=30 m/s；当1.5 MPalt;plt;10 MPa(A)时，pv=45 MPa·m/s；当pgt;10 MPa(绝压)时，v=4.5 m/s(撞击场合)。

2.3.2阀门及其内件材质的选择

阀门阀体及其相关内件的选材都要参考上述规范。一般情况下，由于阀内件直接接触介质，因而阀内件的材质要高于阀体材质。而且考虑到安全性，铸件存在的气孔、夹渣、疏松等缺点可能会在高压下泄漏介质，故阀体及内件都应选用锻件，以减少气孔等缺点出现的几率。

经过多个项目及多种情况的积累，有如下几类材质可供选择：

1) 工作压力小于1.6 MPa(G)时，阀体可以选择碳钢，阀内件应选不锈钢。

2) 工作压力在1.6～3.0 MPa(G)时，阀体应选用不锈钢，阀内件应选择不锈钢堆焊Stellite。

3) 工作压力在3.0～10.0 MPa(G)时，阀体应选用不锈钢或耐高温合金(如Monel,Inconel)，阀内件则应选用耐高温合金(如Monel,Inconel)。

4) 工作压力大于10.0 MPa(G)时，阀体和阀内件全部采用耐高温合金。

结合上述氧气规范及工程经验，图1中，XV-03/04的工作压力为8.5 MPa(G)就应该是满足pv≤45 MPa·m/s情况下的材料，即至少选用奥氏体不锈钢或耐高温合金，根据多个项目的使用经验，笔者通常选用Inconel625为阀体材质。

在选择阀内件材质时，还可以根据不同材质的自身特性，以提高阀门材质来降低对流速的要求。一般工况下，Monel，Inconel要求以流速不超过50 m/s为宜。因此，常规做氧气阀门内件材质的只有Inconel和Monel。但是，由于Inconel625在高温应用场合较Monel更有优势，故阀门内件材质选择如下： 阀门内件材质选用Inconel625加表面硬化处理(给出厚度要求)；阀杆/套筒材质选用Inconel X-750或Inconel 718；阀门密封环材质选用无油脂模压石墨(含碳量低)；上阀盖要用双填料，填料选用耐高温无油脂石墨(可耐468 ℃)。

由于接触的介质是气体，工作压力又达到8.1 MPa(G)，根据项目中管道材料等级的规定，法兰需要采用RTJ端面形式的整体锻造法兰。

2.4阀门密封等级

由于O2介质特殊的物性，氧气切断阀的密封要求较高，一般位置阀门要达到： ANSI B16.104 Ⅵ级，并为金属密封。

上、下游的切断球阀(XV-03/04)所处位置特殊，在装置停车或者紧急停车情况下，需要对氧气管线及阀门进行氮气吹扫，因而这2台阀门还要耐受高压氮气管线13.2 MPa(G)的反吹扫压力。所以阀门(XV-03/04)还需要满足双向硬密封ANSI Ⅵ的特殊密封要求。

2.5阀门执行机构选择

执行机构要确保在失去仪表气源或者电源的情况下，氧气切断阀能够回到关闭的位置。通常装置现场仪表的仪表空气压力不低于0.4 MPa(G)，执行机构尺寸选择要满足在0.4 MPa(G)压力下能够完全使阀门动作。同时还需要确保执行机构尺寸的选择应该能够在最大压差的1.25倍(作为最小值)时对关闭件进行定位，最大压差可能出现在正常操作或者开车时，以大的值作为最大压差。

根据上述要求，计算选择执行机构，有必要时还需要配置储气罐。执行机构的动作时间也有特殊的要求。通常所涉及的氧气切断阀要求从开到关、从关到开的时间，都要控制在3 s以内。

2.6阀门其他附件选择

氧气切断球阀需要参与流程中的联锁，因而需要在阀门上配套选用电磁阀、阀位开关和阀位变送器等附件。上、下游氧气切断球阀(XV-03/04)需要根据联锁事件的要求准确地打开或者关闭，因此，选用冗余连接的双电磁阀，即保证在任意一只电磁阀动作失灵的情况下，另外一只电磁阀还可以及时动作使阀门关闭，避免了因为阀门没有及时关闭导致O2介质提早进入反应炉，引发爆炸等危险情况。电磁阀冗余的连接方式如图3所示。

图3 电磁阀冗余连接方式示意

由于氧气切断阀都是参与气化联锁的，根据安全仪表相关设计规范以及工艺要求，切断阀上所配的电磁阀应该满足SIL3等级认证。

另外，如果电磁阀安装位置距离放置在机柜间内的电源柜较远(以350 m为界)，建议电磁阀的供电电源选用220 V(AC)。如果装置的环境温度在极限时会达到或者低于-20 ℃时，建议选用耐低温型电磁阀。

阀位开关一般选用本安型接近式阀位开关(NAMUR型)，开位和关位各一个，阀位开关提供1对NO/NC转换接点，阀位开关的防爆等级为Ex ia II CT4，防护等级为IP65，带小型防爆接线盒。SIS更关注XV-03/04对关位置的反馈信息，因而通常选用2个关位置开关和1个开位置开关。而对氧气放空管线阀门(XV-05)更关注的是开位置的反馈，因而通常会选用2个开位置开关和1个关位置开关。

阀位变送器的作用也是将阀门的开或者关的状态反映到SIS，由于上、下游切断阀和放空管线切断阀的位置状态都十分重要，关系到停车时O2是否已经切断或者开车时O2循环是否已经建立。因此，上述三处阀门都选用本安型阀位变送器，变送器的防爆等级为Ex ia II CT4，防护等级为IP65，并且带有一体式接线盒。阀位变送器和阀位开关一起进行“3取2”选择来判断阀门的开、关状态。

2.7其他要求

因为O2在流动中遇到毛刺或者凹槽，都会产生高速摩擦，积聚大量热能，如果遇到碳化合物，可能就会产生爆炸，所以阀门内件表面的光洁度要达到ISO 8501-1 Sa2的要求。

阀体和阀内件在组装前后都应该进行禁油脱脂处理，以防内腔在制造过程中产生或者遗留的铁屑、油脂、灰尘、极小固体颗粒等，在O2介质通过阀门时产生摩擦，引起燃烧或者爆炸等危险后果。

3 氧气阀门国产化的可行性

3.1长期使用进口产品的原因

从以上叙述不难看出，对于反应压力较高装置中氧气切断阀材质要求很高。为了提高氧气切断球阀抗高压氮气吹扫的能力，球体和阀座表面需进行硬化处理。硬化处理需考虑硬化材质与基体材质的结合强度、硬化层厚度、硬度、孔隙率及与O2的兼容性等。加上介质和工况的特殊性，对于阀门的泄漏等级要求极高，即有较高的加工精度才能实现。由于受到早期国内材料生产技术和阀门加工技术的制约，导致氧气阀门依赖进口。

长期使用进口阀门，会使投资成本加大，另外生产加工周期长，导致工程进度受制约，从而使投资收益延缓。

3.2国产化的可行性

随着近些年国内加工技术的快速发展和大型高精度设备的引进，Inconel和Monel等材料目前在国内已经可以有效供应，其品质完全可以满足工艺要求。而且国内阀门制造商在生产时，还将阀体整体都选用锻件，再配合高精度的加工设备。目前阀门的装配精度和泄漏等级已经可以和国际产品媲美。

4 结束语

氧气切断球阀的选型对于整个气化装置是非常重要。从阀门型式确定、阀内件材质选择以及相关附件的选择等，都需要依据相关设计规定，并且根据具体的使用工况选择适用的材质和附件。目前，国内的煤化工技术正在稳健发展，有的装置已经部分使用了国产阀门，相信未来还将会有更好的发展。

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赛默飞第十届ICP-MS用户会取得圆满成功

近期，科学服务领域的世界领导者赛默飞世尔科技(中国)有限公司(以下简称： 赛默飞)在桂林召开了第十届ICP-MS用户会，来自地质、高校科研院所、疾控、药检等各领域的130余名客户参加了会议。各领域的客户专家就地质矿产、金属材料、环保等方面与参会客户进行仪器使用经验交流，取得了极好的会议效果。

会上，赛默飞色谱质谱高级商务运营总监杜平先生首先为大家介绍了公司的发展情况，指出赛默飞一直致力于帮助客户使世界更安全、更健康、更清洁，并对各位的到来表示了诚挚的谢意！

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稿件收到日期：2013-05-08，修改稿收到日期2013-08-12。

贾玮(1981—)，女，陕西西安人，2003年毕业于西安科技大学电控学院自动化专业，现就职于华陆工程科技有限责任公司电控室，从事化工自动化工程设计，任工程师。

TH138.52

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1007-7324(2013)05-0072-04