張建勇 王 克

(開封儀表有限公司，開封 475002)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，在化工、冶金、機(jī)械等行業(yè)中，需氧量大幅增加，氧氣管道輸送工程建設(shè)也逐步增多，測量氧氣管道的流量常常選用節(jié)流裝置，因?yàn)楣?jié)流裝置安裝在管道上無可動部件、結(jié)構(gòu)牢固、工作可靠、性能穩(wěn)定,測量精度適中等優(yōu)點(diǎn)，能夠充分地保證測量氧氣介質(zhì)的節(jié)流裝置在系統(tǒng)中安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

在氧氣管道的安全措施方面，工藝人員考慮最多的是氧氣管道流速的控制、管道材質(zhì)的選擇、管件的選用、閥門的選用等等，卻忽略了流量儀表節(jié)流裝置在測量氧氣的使用過程中需要注意的問題：如節(jié)流件局部收縮造成流速增加時(shí)，直徑比的控制以及其材質(zhì)的選擇；儀表本身的結(jié)構(gòu)及密封形式；儀表生產(chǎn)后表面處理方式等。

下面對近年來在化工、冶金、機(jī)械等行業(yè)中，根據(jù)氧氣燃爆的機(jī)理，在節(jié)流裝置設(shè)計(jì)過程中,對節(jié)流件、密封元件、表面處理等方面合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對其節(jié)流裝置的各元件在測量氧氣時(shí)的特點(diǎn)進(jìn)行闡述和比較。

1 節(jié)流裝置測量氧氣時(shí)產(chǎn)品的特點(diǎn)

節(jié)流裝置主要由取壓法蘭夾持節(jié)流件,由螺栓螺母連接成套組成,安裝在管道上,在氧氣流過節(jié)流裝置的節(jié)流件時(shí),氧氣靜壓力降低,喉部流速增加,流體產(chǎn)生畸變,在節(jié)流件前后產(chǎn)生差壓,通過二次儀表進(jìn)行流量顯示。節(jié)流裝置測量管道中的氧氣流量時(shí)，因?yàn)檠鯕饩哂谢顫姷幕瘜W(xué)特性，除與金、銀及少數(shù)惰性氣體不產(chǎn)生化合反應(yīng)外，與包括金屬在內(nèi)的多數(shù)物質(zhì)都能夠發(fā)生氧化反應(yīng)，而且氧氣的濃度、壓力越大，反應(yīng)越劇烈，同時(shí)釋放大量的熱。具有一定壓力的壓縮氧氣在流量測量過程中，流動的氧氣極易與節(jié)流裝置中的油脂、鐵屑或有機(jī)物發(fā)生碰撞、產(chǎn)生摩擦，靜電負(fù)荷過大都會導(dǎo)致燃爆。根據(jù)節(jié)流裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),節(jié)流件使得流通面積變小,流速增加,導(dǎo)致安全隱患的主要原因有：1)高速運(yùn)動的物質(zhì)微粒(如鐵銹、灰塵、焊渣和雜質(zhì)等)與節(jié)流件表面相互摩擦,相互沖擊；2)靜電感應(yīng)；3)油脂引燃；4)鐵銹、鐵粉的觸媒作用等。因此測量氧氣的節(jié)流裝置節(jié)流件喉部流速控制不嚴(yán)、節(jié)流件材質(zhì)選擇不當(dāng)、使用時(shí)節(jié)流裝置表面處理不達(dá)標(biāo)、操作不當(dāng)?shù)榷际且l(fā)氧氣管道燃爆的不安全因素。

2 氧氣流速要求對節(jié)流件的選用

節(jié)流裝置與氧氣接觸的關(guān)鍵部件是取壓法蘭與節(jié)流件,取壓法蘭設(shè)計(jì)遵照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),其材質(zhì)選擇為保證焊接性能,一般采用與管道材質(zhì)一致。測量氧氣的節(jié)流裝置對“節(jié)流件最高允許流速”的控制是非常關(guān)鍵的,當(dāng)流速過大,氧氣與節(jié)流件迎流面的摩擦，以及雜質(zhì)顆粒的碰撞都會使節(jié)流件處部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化成熱能，從而造成不安全因素。節(jié)流件常規(guī)設(shè)計(jì)為奧氏體不銹鋼，雖然不產(chǎn)生銹蝕，但它含有大量鐵元素和少量可燃的碳元素，且導(dǎo)熱性能差,不易散熱，當(dāng)有摩擦、撞擊等激發(fā)能源時(shí)仍能引燃。

根據(jù)歐洲工業(yè)氣體協(xié)會( EIGA)的規(guī)定[1],測量氧氣介質(zhì)的節(jié)流裝置,奧氏體不銹鋼節(jié)流件最高允許流速，根據(jù)工作壓力的不同，不應(yīng)超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍(即安全區(qū))。節(jié)流件喉部允許流速曲線如圖1所示。

圖1 節(jié)流件喉部允許流速曲線

氧氣測量的節(jié)流件設(shè)計(jì)如表1所示。從表1可以看出，氧氣工作壓力愈高,危險(xiǎn)性愈大,最高允許流速愈小,節(jié)流件開孔直徑比愈大。將表1中的工作壓力區(qū)間劃分為5個(gè):1)工作壓力p≤0.3MPa的氧氣,著火危險(xiǎn)性小,屬低壓氧氣管道,其流速根據(jù)管道節(jié)流件壓力降確定。氧氣管道工藝條件,推薦節(jié)流件直徑比0.5～0.75,前后直管段根據(jù)直徑比的大小和阻流件形式確定。2)0.3MPa

表1氧氣測量的節(jié)流件設(shè)計(jì)表

注: 1)奧氏體不銹鋼(304，304L,316，316L，321，347)；

2)工程合金(銅及銅合金、鎳及鎳銅合金)。

測量氧氣的節(jié)流裝置設(shè)計(jì)中,節(jié)流件的材質(zhì)直接限定了氧氣最高允許流速。銅及銅合金(鋁銅合金除外,它在特定條件下可燃)、鎳及鎳銅合金不含碳元素,高溫只熔化,不會燃燒,摩擦、撞擊不起火,屬不擴(kuò)散燃燒材料,火勢不蔓延,安全,故使用在高壓場合,當(dāng)壓力p≤21MPa條件下，氧氣流速在壓力降允許時(shí)不受限制。

總結(jié):測量氧氣的節(jié)流裝置在設(shè)計(jì)過程中，節(jié)流件喉部流速不僅與介質(zhì)的工作壓力和節(jié)流件材質(zhì)有關(guān)，而且受節(jié)流件開孔直徑的影響。當(dāng)管道內(nèi)壓力、溫度、流量相對穩(wěn)定時(shí)，節(jié)流件喉部流速越大,推薦節(jié)流件開孔直徑比相對較小(喉部流通面積小)；反之，當(dāng)節(jié)流件喉部流速變小時(shí),推薦節(jié)流件開孔直徑比相對較大(喉部流通面積大)；當(dāng)在一定溫度和壓力范圍內(nèi)，不銹鋼節(jié)流件的開孔直徑不能滿足“節(jié)流件喉部允許流速曲線”的安全區(qū)域，那么節(jié)流件的材質(zhì)就必須采用特殊設(shè)計(jì)中所要求的工程合金。

3 測量氧氣節(jié)流裝置的墊片選用

測量氧氣的節(jié)流裝置其墊片的選用一定要考慮到其材料對氧氣的兼容性。墊片忌用可燃物,密封性要好。氧氣壓力愈高,危險(xiǎn)性愈高，對墊片要求愈嚴(yán)。節(jié)流裝置中取壓法蘭與節(jié)流件的密封墊片,在選用過程中應(yīng)從以下幾方面考慮:1)通過在具有足夠質(zhì)量的阻燃金屬嵌入非金屬材料,在設(shè)計(jì)中考慮到散熱；2)避免在氣流中放置非金屬材料,即密封墊片經(jīng)過強(qiáng)制性密封后不得突出取壓法蘭內(nèi)壁；3)確保密封墊片材料使用條件下物理化學(xué)性能穩(wěn)定；4)防止零件過量運(yùn)動,即密封墊片在取壓法蘭上要有定位。常用墊片如表2所示。

表2常用墊片(引自GB 16912—2008 標(biāo)準(zhǔn))

4 測量氧氣的節(jié)流裝置對其表面處理的要求

測量氧氣的節(jié)流裝置在安裝前應(yīng)按照GB 50093《自動化儀表工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》對其節(jié)流裝置的零部件進(jìn)行脫脂處理。用于脫脂處理的有機(jī)溶液含油量不應(yīng)大于50mg/L,含油量50～500mg/L溶劑可用粗脫脂.測量氧氣的節(jié)流裝置常用的脫脂溶劑：1)工業(yè)用四氯化碳，適用于黑色金屬，銅和非金屬件的脫脂；2)工業(yè)用二氯乙烷，適用于金屬件的脫脂；3)工業(yè)用三氯乙烯，適用于黑色金屬，有色金屬件的脫脂。

其清潔度還應(yīng)達(dá)到以下要求:

1)碳素鋼或奧氏體不銹鋼法蘭等應(yīng)嚴(yán)格除銹，除銹可用噴砂、酸洗等方法。接觸氧氣的表面應(yīng)徹底除去毛刺、焊瘤、黏砂、鐵銹和其他可燃物，保持內(nèi)壁光滑清潔。采用堿洗脫脂、酸洗除銹的化學(xué)清洗等方法對節(jié)流裝置的零部件進(jìn)行清洗。

2)脫脂后的碳素鋼或奧氏體不銹鋼取壓法蘭應(yīng)立即進(jìn)行鈍化或充入干燥氮?dú)夥忾]管口。進(jìn)行水壓試驗(yàn)的節(jié)流裝置，則脫脂后管內(nèi)壁應(yīng)進(jìn)行鈍化，防止銹蝕。脫脂后的組件應(yīng)采用氮?dú)饣蚩諝獯祪艉蠓忾]，防止被再次污染，并應(yīng)防止殘存的脫脂介質(zhì)與氧氣形成危險(xiǎn)的混合物。

3)在節(jié)流裝置組裝過程中及組裝后應(yīng)采取有效措施，防止節(jié)流裝置零部件受到油脂污染，防止可燃物、銹屑、焊渣、砂土及其他雜物進(jìn)入或遺留在取壓法蘭或取壓管內(nèi)，并應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格檢查。

5 結(jié)束語

綜上所述，測量氧氣的節(jié)流裝置在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程中，要結(jié)合氧氣的燃爆機(jī)理，采用特殊設(shè)計(jì)以及特殊的工藝，優(yōu)化節(jié)流件喉部在過高流速時(shí)材質(zhì)的選擇，以及節(jié)流裝置直徑比對流速的控制與用于氧氣測量時(shí)根據(jù)壓力的不同選用密封墊片，組裝完后達(dá)到表面處理要求。只有在節(jié)流裝置設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)充分考慮，選用最適合氧氣測量的節(jié)流裝置形式，才能保證達(dá)到安全生產(chǎn)和穩(wěn)定運(yùn)行的使用要求。

[1] 歐洲工業(yè)氣體協(xié)會( EIGA)《氧氣管道系統(tǒng)》(IGC DOC13/02/E)

[2] 孫懷清,王建中.流量測量節(jié)流裝置設(shè)計(jì)手冊.第2版.化學(xué)工業(yè)出版社，2005

[3] GB 50235工業(yè)管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范

[4] 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

[5] GB 50093自動化儀表工程施工及驗(yàn)收規(guī)范

[6] 劉運(yùn)峰.關(guān)于氧氣流量測量的分析.計(jì)量技術(shù)，2006(12)