賈瑋，李濤(華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065)

水煤漿氣化裝置中氧氣切斷球閥的選型

賈瑋，李濤
(華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065)

水煤漿氣化裝置中的氧氣切斷球閥根據(jù)流程的需要必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確打開或者關(guān)閉，從閥門型式的確定、閥體和閥內(nèi)件材質(zhì)的選擇、閥門泄漏等級要求以及相關(guān)配套附件的選擇上，闡述了氧氣閥門的選型。隨著國內(nèi)某些裝置的開車運(yùn)行投產(chǎn)，業(yè)內(nèi)已經(jīng)開始嘗試氧氣切斷球閥備品的部分國產(chǎn)化，并在實(shí)際使用后運(yùn)行狀況良好。

煤氣化技術(shù) 水煤漿技術(shù) 氧氣切斷球閥 閥門選型 國產(chǎn)化

近十年來受到國際油價(jià)持續(xù)攀升、國內(nèi)外投資環(huán)境日趨變好等因素的綜合影響，促使國內(nèi)的煤制甲醇，煤制油、烯烴和二甲醚(CH3OCH3)等具有能源替代概念的新建和改擴(kuò)建煤化工產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目持續(xù)升溫。煤氣化技術(shù)是煤化工產(chǎn)業(yè)中不可缺少的一步，即將固體煤轉(zhuǎn)化成含有CO，H2，CH4等可燃?xì)怏w和CO2，N2等非可燃?xì)怏w的粗合成氣，在提純、分離后為下游產(chǎn)品使用。

1 工藝流程簡介

本文主要分析在煤氣化行業(yè)氣化流程中使用的氧氣閥門。煤氣化技術(shù)的分類有多種，如果是根據(jù)爐內(nèi)氣-固狀態(tài)和運(yùn)動形式來分類，則主要有三大類： 以塊煤(10～50 mm)為原料的固定床；以碎煤(小于6 mm)為原料的流化床；以粉煤(小于0.1 mm)為原料，在1300～1500 ℃溫度下進(jìn)行反應(yīng)的氣流床。

目前，國內(nèi)在建或者投運(yùn)的裝置中，大多數(shù)采用氣流床技術(shù)。具有代表性的有： 進(jìn)口技術(shù)GE(德士古)爐、殼牌爐和國產(chǎn)技術(shù)航天爐、四噴嘴等。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，氣流床氣化爐的反應(yīng)壓力已經(jīng)從2.0 MPa提升到6.5 MPa，并且成為主流裝置使用的反應(yīng)壓力。近期，也有向更高壓力等級發(fā)展的趨勢，且已有少數(shù)項(xiàng)目裝置使用的反應(yīng)壓力達(dá)到8.7 MPa。

2 氧氣切斷球閥的選型

O2在煤氣化工藝流程中是不可缺少的反應(yīng)介質(zhì)。O2不僅具有助燃性，而且是以蒸氣形式在高溫高壓環(huán)境下與煤粉混合進(jìn)入氣化爐反應(yīng)。因此，氧氣管線上的閥門發(fā)生任何外漏或者內(nèi)漏情況，都會引發(fā)燃燒甚至爆炸等嚴(yán)重后果，更嚴(yán)重的還可能造成生命財(cái)產(chǎn)的重大損失。

下面以典型的GE氣化爐流程中用到的氧氣切斷閥為例，簡單介紹一下特殊工況下切斷閥的選型。

2.1GE氣化爐裝置中氧氣切斷球閥位置及參數(shù)特殊性

目前，GE技術(shù)流程中的氧氣切斷球閥的安裝位置如圖1所示。

圖1 GE爐氣化流程氧氣切斷球閥位置示意

以氧氣上游切斷球閥(XV-03)和下游切斷球閥(XV-04)為例，國內(nèi)某已投產(chǎn)項(xiàng)目6.5 MPa(表壓)氣化爐反應(yīng)壓力的流程中，閥門的參數(shù)為： 管徑200 mm；所在管道材質(zhì)為0Cr18Ni9(即304SS)；閥前壓力為8.1 MPa(表壓)；閥后壓力為8.06 MPa(表壓)；管線溫度為32 ℃(下游閥管線最高溫度450 ℃)；閥門最大切斷壓力為13.2 MPa(表壓)。

2.2閥門型式的確定

根據(jù)上文所述的閥門位置和參數(shù)情況，氧氣切斷閥的應(yīng)用場合是： 緊急情況下阻斷上游介質(zhì)(O2)進(jìn)入下游氣化爐反應(yīng)區(qū)。但是，如果工藝管線的尺寸突然變小，會使得經(jīng)過管線的O2介質(zhì)的流速發(fā)生變化，流速的變化又會使O2介質(zhì)對所在管線造成一定破壞影響。因此，為避免O2因流速造成的影響，氧氣管線內(nèi)必須避免出現(xiàn)影響流速變化的因素存在。由此可見，全通徑球閥是最佳選擇。

鑒于O2具有助燃性，從安全角度考慮，用于O2介質(zhì)的閥門應(yīng)該采用金屬密封；另外，閥門必須具備防靜電處理和耐火結(jié)構(gòu)，如閥體法蘭配靜電連接導(dǎo)出機(jī)構(gòu)(靜電連接螺絲及導(dǎo)線)。

2.3閥門材料的選擇

2.3.1選擇材料所依據(jù)的規(guī)范及對允許流速的要求

GB 50030—2007《氧氣站設(shè)計(jì)規(guī)范》第12.0.8條對流速的具體要求：

1) O2工作壓力為10 MPalt;p≤20 MPa，銅及其合金材質(zhì)的管道，流速不應(yīng)大于6 m/s，不銹鋼材質(zhì)的管道，流速不應(yīng)大于4.5 m/s。

2) 氧氣工作壓力為3 MPalt;p≤10 MPa，不銹鋼材質(zhì)的管道，流速不應(yīng)大于10m/s，碳鋼材質(zhì)的管道，流速不應(yīng)大于4.5 m/s。

3) 氧氣工作壓力為1.5 MPalt;p≤3 MPa，不銹鋼材質(zhì)的管道，流速不應(yīng)大于25m/s，碳鋼材質(zhì)的管道，流速不應(yīng)大于15 m/s。

4) 氧氣工作壓力為0.1 MPalt;p≤1.5 MPa，不銹鋼或者碳鋼材質(zhì)的管道，流速不應(yīng)大于30 m/s。

5) 氧氣工作壓力p≤0.1 MPa，應(yīng)按該管系允許的壓力降確定。

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》中規(guī)定管道中的最高允許流速見表1所列。

表1 管道中的最高允許流速

由于有閥門的地方就會使流體產(chǎn)生漩渦，因而閥門所在的位置都是撞擊場合。流速是撞擊場合下選擇閥門材料的依據(jù)。從表1中不難看出，當(dāng)pv≤45 MPa·m/s時(shí)，可以選擇不銹鋼或者其他無流速限制要求的材料。

EIGA IGC DOC 13/02/E《氧氣管線系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范(歐洲工業(yè)氣體協(xié)會)》中規(guī)定的流速如圖2所示。

圖2 氧氣管線中壓力與流速的關(guān)系示意

從圖2曲線中，不難看出： 在撞擊場合下： 當(dāng)0.3 MPalt;plt;1.5 MPa(A)時(shí)，v=30 m/s；當(dāng)1.5 MPalt;plt;10 MPa(A)時(shí)，pv=45 MPa·m/s；當(dāng)pgt;10 MPa(絕壓)時(shí)，v=4.5 m/s(撞擊場合)。

2.3.2閥門及其內(nèi)件材質(zhì)的選擇

閥門閥體及其相關(guān)內(nèi)件的選材都要參考上述規(guī)范。一般情況下，由于閥內(nèi)件直接接觸介質(zhì)，因而閥內(nèi)件的材質(zhì)要高于閥體材質(zhì)。而且考慮到安全性，鑄件存在的氣孔、夾渣、疏松等缺點(diǎn)可能會在高壓下泄漏介質(zhì)，故閥體及內(nèi)件都應(yīng)選用鍛件，以減少氣孔等缺點(diǎn)出現(xiàn)的幾率。

經(jīng)過多個(gè)項(xiàng)目及多種情況的積累，有如下幾類材質(zhì)可供選擇：

1) 工作壓力小于1.6 MPa(G)時(shí)，閥體可以選擇碳鋼，閥內(nèi)件應(yīng)選不銹鋼。

2) 工作壓力在1.6～3.0 MPa(G)時(shí)，閥體應(yīng)選用不銹鋼，閥內(nèi)件應(yīng)選擇不銹鋼堆焊Stellite。

3) 工作壓力在3.0～10.0 MPa(G)時(shí)，閥體應(yīng)選用不銹鋼或耐高溫合金(如Monel,Inconel)，閥內(nèi)件則應(yīng)選用耐高溫合金(如Monel,Inconel)。

4) 工作壓力大于10.0 MPa(G)時(shí)，閥體和閥內(nèi)件全部采用耐高溫合金。

結(jié)合上述氧氣規(guī)范及工程經(jīng)驗(yàn)，圖1中，XV-03/04的工作壓力為8.5 MPa(G)就應(yīng)該是滿足pv≤45 MPa·m/s情況下的材料，即至少選用奧氏體不銹鋼或耐高溫合金，根據(jù)多個(gè)項(xiàng)目的使用經(jīng)驗(yàn)，筆者通常選用Inconel625為閥體材質(zhì)。

在選擇閥內(nèi)件材質(zhì)時(shí)，還可以根據(jù)不同材質(zhì)的自身特性，以提高閥門材質(zhì)來降低對流速的要求。一般工況下，Monel，Inconel要求以流速不超過50 m/s為宜。因此，常規(guī)做氧氣閥門內(nèi)件材質(zhì)的只有Inconel和Monel。但是，由于Inconel625在高溫應(yīng)用場合較Monel更有優(yōu)勢，故閥門內(nèi)件材質(zhì)選擇如下： 閥門內(nèi)件材質(zhì)選用Inconel625加表面硬化處理(給出厚度要求)；閥桿/套筒材質(zhì)選用Inconel X-750或Inconel 718；閥門密封環(huán)材質(zhì)選用無油脂模壓石墨(含碳量低)；上閥蓋要用雙填料，填料選用耐高溫?zé)o油脂石墨(可耐468 ℃)。

由于接觸的介質(zhì)是氣體，工作壓力又達(dá)到8.1 MPa(G)，根據(jù)項(xiàng)目中管道材料等級的規(guī)定，法蘭需要采用RTJ端面形式的整體鍛造法蘭。

2.4閥門密封等級

由于O2介質(zhì)特殊的物性，氧氣切斷閥的密封要求較高，一般位置閥門要達(dá)到： ANSI B16.104 Ⅵ級，并為金屬密封。

上、下游的切斷球閥(XV-03/04)所處位置特殊，在裝置停車或者緊急停車情況下，需要對氧氣管線及閥門進(jìn)行氮?dú)獯祾?，因而這2臺閥門還要耐受高壓氮?dú)夤芫€13.2 MPa(G)的反吹掃壓力。所以閥門(XV-03/04)還需要滿足雙向硬密封ANSI Ⅵ的特殊密封要求。

2.5閥門執(zhí)行機(jī)構(gòu)選擇

執(zhí)行機(jī)構(gòu)要確保在失去儀表氣源或者電源的情況下，氧氣切斷閥能夠回到關(guān)閉的位置。通常裝置現(xiàn)場儀表的儀表空氣壓力不低于0.4 MPa(G)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)尺寸選擇要滿足在0.4 MPa(G)壓力下能夠完全使閥門動作。同時(shí)還需要確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)尺寸的選擇應(yīng)該能夠在最大壓差的1.25倍(作為最小值)時(shí)對關(guān)閉件進(jìn)行定位，最大壓差可能出現(xiàn)在正常操作或者開車時(shí)，以大的值作為最大壓差。

根據(jù)上述要求，計(jì)算選擇執(zhí)行機(jī)構(gòu)，有必要時(shí)還需要配置儲氣罐。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動作時(shí)間也有特殊的要求。通常所涉及的氧氣切斷閥要求從開到關(guān)、從關(guān)到開的時(shí)間，都要控制在3 s以內(nèi)。

2.6閥門其他附件選擇

氧氣切斷球閥需要參與流程中的聯(lián)鎖，因而需要在閥門上配套選用電磁閥、閥位開關(guān)和閥位變送器等附件。上、下游氧氣切斷球閥(XV-03/04)需要根據(jù)聯(lián)鎖事件的要求準(zhǔn)確地打開或者關(guān)閉，因此，選用冗余連接的雙電磁閥，即保證在任意一只電磁閥動作失靈的情況下，另外一只電磁閥還可以及時(shí)動作使閥門關(guān)閉，避免了因?yàn)殚y門沒有及時(shí)關(guān)閉導(dǎo)致O2介質(zhì)提早進(jìn)入反應(yīng)爐，引發(fā)爆炸等危險(xiǎn)情況。電磁閥冗余的連接方式如圖3所示。

圖3 電磁閥冗余連接方式示意

由于氧氣切斷閥都是參與氣化聯(lián)鎖的，根據(jù)安全儀表相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范以及工藝要求，切斷閥上所配的電磁閥應(yīng)該滿足SIL3等級認(rèn)證。

另外，如果電磁閥安裝位置距離放置在機(jī)柜間內(nèi)的電源柜較遠(yuǎn)(以350 m為界)，建議電磁閥的供電電源選用220 V(AC)。如果裝置的環(huán)境溫度在極限時(shí)會達(dá)到或者低于-20 ℃時(shí)，建議選用耐低溫型電磁閥。

閥位開關(guān)一般選用本安型接近式閥位開關(guān)(NAMUR型)，開位和關(guān)位各一個(gè)，閥位開關(guān)提供1對NO/NC轉(zhuǎn)換接點(diǎn)，閥位開關(guān)的防爆等級為Ex ia II CT4，防護(hù)等級為IP65，帶小型防爆接線盒。SIS更關(guān)注XV-03/04對關(guān)位置的反饋信息，因而通常選用2個(gè)關(guān)位置開關(guān)和1個(gè)開位置開關(guān)。而對氧氣放空管線閥門(XV-05)更關(guān)注的是開位置的反饋，因而通常會選用2個(gè)開位置開關(guān)和1個(gè)關(guān)位置開關(guān)。

閥位變送器的作用也是將閥門的開或者關(guān)的狀態(tài)反映到SIS，由于上、下游切斷閥和放空管線切斷閥的位置狀態(tài)都十分重要，關(guān)系到停車時(shí)O2是否已經(jīng)切斷或者開車時(shí)O2循環(huán)是否已經(jīng)建立。因此，上述三處閥門都選用本安型閥位變送器，變送器的防爆等級為Ex ia II CT4，防護(hù)等級為IP65，并且?guī)в幸惑w式接線盒。閥位變送器和閥位開關(guān)一起進(jìn)行“3取2”選擇來判斷閥門的開、關(guān)狀態(tài)。

2.7其他要求

因?yàn)镺2在流動中遇到毛刺或者凹槽，都會產(chǎn)生高速摩擦，積聚大量熱能，如果遇到碳化合物，可能就會產(chǎn)生爆炸，所以閥門內(nèi)件表面的光潔度要達(dá)到ISO 8501-1 Sa2的要求。

閥體和閥內(nèi)件在組裝前后都應(yīng)該進(jìn)行禁油脫脂處理，以防內(nèi)腔在制造過程中產(chǎn)生或者遺留的鐵屑、油脂、灰塵、極小固體顆粒等，在O2介質(zhì)通過閥門時(shí)產(chǎn)生摩擦，引起燃燒或者爆炸等危險(xiǎn)后果。

3 氧氣閥門國產(chǎn)化的可行性

3.1長期使用進(jìn)口產(chǎn)品的原因

從以上敘述不難看出，對于反應(yīng)壓力較高裝置中氧氣切斷閥材質(zhì)要求很高。為了提高氧氣切斷球閥抗高壓氮?dú)獯祾叩哪芰?，球體和閥座表面需進(jìn)行硬化處理。硬化處理需考慮硬化材質(zhì)與基體材質(zhì)的結(jié)合強(qiáng)度、硬化層厚度、硬度、孔隙率及與O2的兼容性等。加上介質(zhì)和工況的特殊性，對于閥門的泄漏等級要求極高，即有較高的加工精度才能實(shí)現(xiàn)。由于受到早期國內(nèi)材料生產(chǎn)技術(shù)和閥門加工技術(shù)的制約，導(dǎo)致氧氣閥門依賴進(jìn)口。

長期使用進(jìn)口閥門，會使投資成本加大，另外生產(chǎn)加工周期長，導(dǎo)致工程進(jìn)度受制約，從而使投資收益延緩。

3.2國產(chǎn)化的可行性

隨著近些年國內(nèi)加工技術(shù)的快速發(fā)展和大型高精度設(shè)備的引進(jìn)，Inconel和Monel等材料目前在國內(nèi)已經(jīng)可以有效供應(yīng)，其品質(zhì)完全可以滿足工藝要求。而且國內(nèi)閥門制造商在生產(chǎn)時(shí)，還將閥體整體都選用鍛件，再配合高精度的加工設(shè)備。目前閥門的裝配精度和泄漏等級已經(jīng)可以和國際產(chǎn)品媲美。

4 結(jié)束語

氧氣切斷球閥的選型對于整個(gè)氣化裝置是非常重要。從閥門型式確定、閥內(nèi)件材質(zhì)選擇以及相關(guān)附件的選擇等，都需要依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)定，并且根據(jù)具體的使用工況選擇適用的材質(zhì)和附件。目前，國內(nèi)的煤化工技術(shù)正在穩(wěn)健發(fā)展，有的裝置已經(jīng)部分使用了國產(chǎn)閥門，相信未來還將會有更好的發(fā)展。

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賽默飛第十屆ICP-MS用戶會取得圓滿成功

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稿件收到日期：2013-05-08，修改稿收到日期2013-08-12。

賈瑋(1981—)，女，陜西西安人，2003年畢業(yè)于西安科技大學(xué)電控學(xué)院自動化專業(yè)，現(xiàn)就職于華陸工程科技有限責(zé)任公司電控室，從事化工自動化工程設(shè)計(jì)，任工程師。

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