浅析空分装置高压氧气管道选材原则

冯 光 北京石油化工工程有限公司 西安 710000

在氧气管线系统的着火三角[1]中，首先，氧气本身是助燃剂，燃烧与爆炸的危险性随氧气的浓度、温度、压力以及流量的升高而增大；其次，燃烧物是金属/非金属管道和润滑剂，以及可能出现的污染物包括金属微粒、残余油脂等；另外，金属/非金属微粒冲击、绝热压缩或管件摩擦导致的温升是达到着火点的主因。所以，在空分装置的高压氧气管线系统中，管道以及管件材质的选用是氧气管路安全稳定的重要保证。为保证安全，管线的脱油脱脂要求、布置要求、管道施工安装的质量控制和验收要求也尤为重要。

1 氧气安全技术规程

1.1 IGC Doc 13/12/E

IGC Doc 13/12/E (下文简称：IGC)为各大工业气体公司、亚洲工业气体协会(AIGA)、压缩气体协会组成(CGA)、欧洲工业气体协会(EIGA)以及日本工业和医疗气体协会(JIMGA)联合参与制定的安全规范，该规范在西欧和北美各国氧气管道系统50多年应用历史中有着良好的安全记录。

该规范根据管线或管件所在区域为冲击区域(图2)或非冲击区域(图3)对应的压力流速曲线进行选材。

IGC中特别说明了图2、图3所示的选择原则并不是唯一的氧气管线选材原则，它只是针对生产中最常见的颗粒冲击着火工况所对应的选择原则，氧气管线材质的选择是一项安全统筹分析工作，需要综合考虑各种工况，如：绝热压缩、摩擦温升等。

1.2 GB 16912-2008

GB 16912-2008(下文简称：氧规)是我国现行的氧气安全规程[2]，规定了工业氧气及相关气体的生产(含设计、制造、安装、改造、维修)、储存、输配和使用中应遵守的安全要求。氧规中提出的氧气最高允许流速[3](除豁免材料)与IGC相似，不同的是：氧规中直接列出了在不同应用场景下管道及阀门的选材范围。例如：在3.0MPa

2 安全规程的工程应用

2.1 工程设计内容

图1为空分装置中防爆墙内的经典流程。其中，管线1和6为主氧气产品管线，管线2和3为放空至消音器管线，管线4和5为超压保护的安全阀进出口管线，管线7、8和10为阀门旁路管线。针对本流程，按照工程设计要求，分别以IGC和氧规两个标准来选材，得到了case1和case2两个截然不同的选材结果，详见表2。

图1 典型氧气管网示例

2.2 冲击场与非冲击场

使流体流动方向突然改变或产生旋涡的位置，会引起流体中颗粒对管壁的撞击，这样的位置称为冲击场[4]；从表2可以看出除管线1、6和9之外的所有管线和管件，设计中都将其定义为冲击场。两个标准都将氧气管线分为冲击场和非冲击场，IGC中对冲击场/非冲击场的流速限制见图2/图3。

图2 冲击流速曲线

图3 非冲击流速曲线

2.3 豁免材料说明

对于应用在氧气管道的工程合金来说，金属可燃性是一关键因素。合金化学成分、部件厚度、温度、氧气压力及氧气纯度是影响金属可燃性的主要变量。IGC中提出的豁免材料是在确定的压力限制、材料厚度和氧气纯度的情况下，可不受氧气流速的限制。只有在富氧气体中进行微粒冲击和/或助燃试验的材料才可被认定为豁免材料。工程常用豁免材料见表1。

表1 工程常用豁免材料

2.4 工程结果分析

管材及管件选择对比见表2。

表2 管材及管件选择对比

注：① 阀门5倍公称直径(并不小于1.5m)范围内铜合金或镍基合金；② 调节阀组前后各5倍公称直径(各不小于1.5m)范围内铜合金或镍基合金。

由表2可以看出，非冲击场工况的管线(pipe1/6/9)PV值<80MPa·m/s(非冲击场流速限制)，这些管线上的管件(V01/V02/V04/FV01)PV值<45MPa·m/s(冲击场流速限制)，按IGC标准均无需使用豁免材料。而按照氧规要求，上述管线和管件的选材标准均需提高，从而增加成本。其中管线9和阀门V04均选为豁免材料，管线1/6均需在阀门5倍公称直径(并不小于1.5m)范围内选择豁免材料。而针对主氧气管线的旁路，两个标准的选材结果一致，包括管线7/8/10和管件V03、HV01，考虑到其流速远超冲击场流速限制，在此位置选择豁免材料较为妥当。

在放空至消音器管线中(pipe2/3)，两个标准的选材差异与主氧气管线类似。管线3的流速较高，但是其PV值仅为7.5MPa·m/s，并且两个标准针对P=0.1MPa时并无流速或PV限制。由于涡流区中的微粒冲击原因，FV02的PV值一般较高，因此均选择豁免材料。

安全阀(PSV01)上下游管线(pipe4/5)仍需按照冲击场严格限制流速，两个标准针对安全阀选择一致，上下游管线略有不同。

由以上结论可见，IGC鉴于高速和紊流冲击的影响对豁免材料的使用主要集中于旁路及其管件；可将氧规看作是IGC的选材再提升，除IGC中要求豁免材料之处类似外，还对主要管件的上下游管线提出了特材要求(阀门5倍公称直径，并不小于1.5m)，并且本流程中所有的管件均涉及到了豁免材料的使用，这导致了不同的执行标准下工程成本的成倍提升。

3 结语

通过工程实例对比了欧洲工业气体协会颁布的IGC Doc13/12/E氧气管线和管道系统标准和国标GB 16912-2008深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程的选材原则，指出氧规在空分装置高压氧气管道的选材中过于单一和保守，应加紧制定或修订相关安全规程；由于国内还没有针对高压氧气的防护墙设计标准，使设计工作中无法将氧气管道的选材安全与防护墙的保护能力相结合从而降低对特材的要求。高压氧气管线的另一重要风险源是垫片、阀门内件等，特别是其中的非金属材料。除此之外，氧气管道清洗程序在安装阶段控制管道的清洁度；氧气管道吹扫程序确保调试阶段的管道清洁度，最后确认氧气管道系统的清洁。因此确保氧气管道系统的安全重在整个系统的质量控制，而不宜只着眼于材质选择。