浅析国外氧气安全技术规范选材原则

唐 麒 凯迪工程技术研究总院 武汉 430000

氧气不属于可燃易爆或有毒介质，而是氧化性特别强的助燃剂，正常情况下很难在空气中氧化或燃烧的材料，但在纯氧中会变得容易燃烧，所以氧气应用的危险性会成倍增加，氧气管道和阀门燃烧爆炸的事故时有发生。目前国内外相关的权威组织机构都在采取措施应对此问题，并加快制订和升版关于氧气生产和应用的相关安全技术规范，其中包括管道材料的选用以及材料的脱油脱脂要求、氧气管道的布置要求、管道施工安装的质量控制和验收要求等。各标准规范都制订了较为详细的规定，但不同标准之间又各具差异。本文主要通过分析国外的氧气安全技术相关标准规范，让用户针对氧气介质能更科学合理地选材。

1 国外氧气安全技术规范介绍

氧气管道系统在西欧和北美诸多发达国家开发和应用了50 多年，并且出台了一系列的标准规范。尽管在设计和操作方面各国的做法不尽相同，而且大部分都不是强制性的标准规范，但所建的氧气管道系统均有着良好、安全的运行记录。这同国外工业气体协会下属的各大工业气体生产商和使用商的共同努力研究和试验是分不开的。

国外权威的氧气安全技术规范大都由工业气体协会和美国机械工程师协会颁布和修订，较有代表性的有:欧洲工业气体协会(EIGA)颁布的IGC Doc 13/12/E 氧气管线和管道系统标准［1］，IGC Doc 33/06/E 氧气使用设备的清洁指导方针［2］，IGC Doc 10/07/E 往复式氧气压缩机要求［3］等。另外还有美国机械工程师协会(ASTM)颁布的ASTM G88 -2005 氧气设备系统设计指南［4］，ASTM G94 -2005 氧气用金属材料的评定指南［5］，ASTM G63 -2007 氧气用非金属材料评定指南［6］等。类似的还有很多，比如亚洲工业气体协会(AIGA)颁布的AIGA 021/12 氧气管线和管道系统标准［7］，AIGA 012/04 氧气使用设备的清洁指导方针［8］，压缩气体协会(CGA)颁布的CGA - G -4.4 氧气管线系统标准［9］，CGA G -4.1 氧气使用设备的清洁规范［10］等。

国内的规范往往都出自于GB 国家标准或者SH、HG、JB 等行业标准，一般都是由大型国有冶金企业和冶金工程公司共同起草。因为在煤气化装置兴建之前，冶金行业的用氧量最大，而且氧气用途广泛，从生产、检修到基建无时无处不用氧气。但冶金行业用的氧气工况不如煤化工行业恶劣，如果仅仅参考国内规范，显然已无法满足实际设计要求。

2 氧气管道材料的选取

根据氧气介质的实际工况，选择正确的管道材料是保证整个装置安全运行的第一步，也是最关键的一步。在选取管道材料时，重点需要考虑的因素有氧气浓度、设计温度、设计压力和流速。

2.1 氧气浓度

氧气浓度可分为三个等级，第一级为低纯度氧，其含量介于23.5% ～35% (体积百分比)，如果低于23.5%，其助燃性就跟空气没有什么区别了，所以不在低纯度氧范围之内;第二级为标准纯度氧，其含氧量≥99.5% (体积百分比);第三级为超高纯度(UHP)氧，其含氧量≥99.999%(体积百分比)。

通常氧气浓度降低后，金属材料的燃烧风险也随之降低。在低纯度氧气中，即使设计压力达到21MPa，使用碳钢材料也是安全的，此时氧气流速不受限制［1］。在煤气化装置中，氧气的浓度一般均大于99.5%，可以划为标准纯度氧气。如果遇到氧气含量介于低纯度和标准纯度之间的情况，即氧含量:35% ～99.5%，有两种方式处理［1］:①当作含99.5%的标准纯度氧来处理，该方法较为保守;②用氧气的体积百分比乘以介质的设计压力，以此数值当作标准纯度氧气的设计压力。该方法是安全的，但不如第一个方法保守。然后按照IGC Doc 13/12/E中的要求选择合适的阻燃合金材料。

在半导体和电子工业中，氧气浓度会达到超高纯度。由于该行业的特殊性，对管道和设备的洁净度要求极高但设计压力不高，几乎不存在任何颗粒物质，也就不会产生颗粒物碰撞点火机制，所以宜采用不锈钢材料。

2.2 设计温度

关于设计温度条件对氧气管道材料选材的限制，国外的氧气技术安全规范中有明确规定［1］。

(1)对于碳钢的管道系统，氧气介质温度不得超过150℃;对于不锈钢和非铁基管道系统，氧气介质温度不得超过200℃。若超出了上述的温度限制，须进行另外的分析和研究。在提高温度的情况下，组件或材料必须经过金属的可燃性或颗粒碰撞试验［5］以便确保系统的安全。

(2)如果操作温度低于-20℃，就需要使用有足够抗低温断裂韧性的钢材，这对于其它工业气体来说也是一样的，比如304/304L 或者316/316L 牌号的奥氏体不锈钢就具备足够的抗低温断裂韧性，非常适合氧气的低温工况使用。

(3)对于高温氧气介质，即设计温度超过200℃的标准纯度氧气。可以选用镍基合金材料，比如镍含量在50%以上的镍铬铁合金Inconel 600 和镍铬钼铌合金Inconel 625。如果是不纯的高温氧气，可以考虑选用镍含量稍低一些的镍铬铁钼铜合金，同时还需要考虑高温下其他不纯气体带来的腐蚀风险，比如壳牌煤气化装置中氧气在经过蒸氧混合器后，温度可以达到425℃左右，并且在靠近气化炉烧嘴附近的地方还含有微量的H2S 气体，此时可以选用含有镍、铬、铁、钼、铜元素的Incoloy 825 合金［11］。一般来说镍和铜都属于比较好的阻燃元素，其含量越高，合金的阻燃性越好。

目前国内的氧气技术安全规范中虽然未对设计温度条件做出具体限制，但在使用总则中已明确指出仅适用于常温或者低温氧气工况，比如《氧气站设计规范》GB 50030 -2013［12］的总则中规定:本规范适用于低温或者常温空气分离法生产氧、氮、氩等气态、液态产品的氧气站及其管道工程设计;《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》GB 16912 -2008［13］在使用范围中规定:本规范仅适用于新建、扩建和改建的采用深度冷冻法生产氧气及相关气体的单位。

2.3 设计压力和流速

氧气流速在较高的压力下，应该存在一个最高限定值，如果超过最高允许流速，可能会造成材料的燃烧和爆炸。国内外的氧气安全技术规范均认为对于同一种合金材料，氧气的设计压力越高，最高允许流速越小。比如《氧气站设计规范》GB 50030-2013 中对氧气中的最高流速规定见表1。

表1 氧气管道内的最高流速

笔者认为其中的铜基合金不太适合用于高压工况，因为大部分铜基合金，例如Monel400 等，其材料许用应力比较低，计算出来的管道材料壁会非常厚，不利于生产制造和施工。所以目前工程项目中用于高压氧气的合金材料一般选用许用应力值较高的镍基合金。

国外的氧气安全技术规范中对氧气设计压力和最高允许流速的规定较为复杂，并引入了三个全新的概念［1］。

2.3.1 冲击区域和非冲击区域

(1)冲击区域指的是当流体突然改变其方向或当涡流产生而导致颗粒冲击到系统壁的区域，比如:对焊三通(流体从支管到主管)、承插焊三通和弯头、短半径弯头(弯曲半径小于1.5D)、异径管(进口端和出口端直径尺寸比大于3)、会产生压力降的阀门(调节阀，安全阀等)其下游段8 倍管径范围内，还有阀门、过滤器、限流孔板、消音器等管道器材内件。图1 为荷兰皇家壳牌石油公司对氧气工况中冲击区域的典型选材要求［11］，从图中可以看出壳牌公司的要求更加严格，认为调节阀后的10 倍管径范围都属于冲击区域。

图1 阴影部分为氧气工况中的冲击区域

(2)非冲击区域指的是介质是平稳流动的区域，比如直管、对焊三通(流体从总管到支管)、长半径弯头(弯曲半径大于等于1.5D)、异径管(进口端和出口端直径尺寸比小于等于3)，还包括不产生压力降的阀门(比如全通径球阀的阀体部分)。

2.3.2 无流速限制材料

指的是在规定的设计压力、氧气浓度和材料厚度的范围内，如果合金材料能够在任何氧气流速下使用并且能够通过在受粒子碰撞或在富氧气氛下进行带有助燃剂的点火试验［5］，就定义该合金材料为无流速限制材料。

2.3.3 免除压力

指的是一定厚度以上的材料在可能发生颗粒碰撞的标准纯度氧气中不受速率限制的最大压力。表2［1］表示的是无流速限制材料的最小厚度对应的免除压力的数值。设计压力在免除压力以下，表中的材料只要满足了最小厚度要求就可以被认为是无流速限制材料了。值得注意的是，国外氧气安全技术规范附录D［1］中的免除压力在升版后发生了部分较大的变化。比如欧洲工业气体协会颁布的2002 版本IGC Doc 13/02/E 标准［14］中，Inconel600 镍基材料对应的免除压力为6.9MPa 并且没有指定最小厚度，Inconel625 镍基材料对应的免除压力为8.7MPa，升版后的IGC Doc 13/12/E 标准2012年版本(表2)中却将Inconel625 镍基材料对应的免除压力降低为6.9MPa，Inconel600 镍基材料对应的免除压力提高为8.7MPa 并且还指定出最小厚度为3.18mm。对于在煤气化项目中选择高压氧气介质用管道材料的设计人员，这个变化非常重要，特别对于水煤浆气化工艺中的高压氧气介质(P=8.5MPa)［15］，必须引起高度重视。

表2 免除压力和最小厚度表

然后可以根据冲击区域和非冲击区域对应的压力流速曲线来进行具体的选材。图2 和图3 分别表示冲击区域对应的压力流速曲线和非冲击区域对应的压力流速曲线［1］，曲线以上的工况应该根据表2选用无流速限制材料，曲线以下的部分可以根据设计温度选择碳钢、不锈钢或者镍基合金材料。

3 结语

通过对国外氧气安全技术规范中选材原则的分析，指出在工程项目氧气管道选材设计时，既要考虑氧气介质的设计压力、温度、同时还要考虑氧气介质的浓度、流速、是否是冲击场合等各种因素。只有综合考虑以上各种因素，氧气管道长期、稳定、安全可靠的运行才能有保障;同时也期望我国能够尽快出台一部适合煤气化装置的高温、高压、高浓度、高流速工况氧气管道的设计规定，以杜绝氧气介质安全事故的发生。

图2 冲击区域对应的压力流速曲线

图3 非冲击区域对应的压力流速曲线

1 IGC Doc 13/12/E，Oxygen Pipeline and Piping System. EUROPEAN INDUSTRIAL GASES ASSOCIATION.2012.

2 IGC Doc 33/06/E，Cleaning of Equipment for Oxygen Service Guideline. EUROPEAN INDUSTRIAL GASES ASSOCIATION.2006.

3 IGC Doc 10/07/E. Reciprocating Compressor for Oxygen service. EUROPEAN INDUSTRIAL GASES ASSOCIATION.2007.

4 ASTM G88 -2005. Standard Guide for Designing Systems for Oxygen Service.

5 ASTM G94 -2005. Standard Guide for Evaluating Metals for Oxygen Service.

6 ASTM G63 -2007. Standard Guide for Evaluating Nonmetallic Materials for Oxygen Service.

7 AIGA 021/12，Oxygen Pipeline and Piping System. ASIA INDUSTRIAL GASES ASSOCIATION.2012.

8 AIGA 012/04，Cleaning of Equipment for Oxygen Service. ASIA INDUSTRIAL GASES ASSOCIATION.2004.

9 CGA - G -4.4，Oxygen Pipeline and Piping System. COMPRESS GASES ASSOCIATION.2008.

10 CGA G - 4.1，Cleaning of Equipment for Oxygen Service.COMPRESS GASES ASSOCIATION.2008.

11 LL 506，Fire/Explosion hazard in SCGP Oxygen System rev1.SHELL COMPANY.2011.

12 GB 50030 -2013，氧气站设计规范［S］.

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

14 IGC Doc 13/02/E，Oxygen Pipeline and Piping System. EUROPEAN INDUSTRIAL GASES ASSOCIATION.2002.

15 唐宏青. 现代煤化工新技术［M］. 化学工业出版社，2009.11.