李文浩,徐秀明，岳 暉，田 寧，齊 斌，鄒樣輝

(北京航天長征飛行器研究所，北京 100076)

0 引言

氧氣作為氧化劑、助燃劑被廣泛應用于鋼鐵、冶金、化工、電子、航空航天等領域，大部分金屬、非金屬材質(zhì)在高壓氧氣環(huán)境下較易燃燒，設計、建設、使用氧氣系統(tǒng)時需考慮氧氣的危害性，以減少事故的發(fā)生。馬大方[1]詳細闡述為保證氧氣管道安全運行,在氧氣管道流速控制、材質(zhì)選擇、管件和閥門選用以及管道施工等方面應遵循的標準要求和措施；唐麒[2]總結歐洲/亞洲工業(yè)氣體協(xié)會(EIGA/AIGA)、美國機械工程師協(xié)會(ASTM)頒布的標準及指南[3-4]，以及國家標準[5-6]在氧氣管道材料選取方面的建議；文獻[7]編寫了氧氣相關標準；宋燕[8]通過對氧氣介質(zhì)流速進行分析，給出氧氣用控制閥閥體和閥芯材質(zhì)選用的安全措施，在源頭上解決流速過快可能引發(fā)的爆炸問題；馬大方[9]對煤化工高壓氧氣管道安全和安全高壓設備研制進行深入研究；郭燕等[10]分析煤化工空分裝置中氧氣管道典型“撞擊場合”的材料選取、材質(zhì)應用范圍、管道布置等設計要點；延宗昳等[11]分析某核電站核島氧氣需求供應特點，并從操作性和經(jīng)濟性對2種氧氣供應方案進行對比。

文獻[12-13]分析油脂導致的氣瓶爆炸事故；封文春等[14]針對飛機充氧過程中的燃爆事故，從絕熱壓縮、激波等方面分析高壓氧氣系統(tǒng)燃爆機理。爆炸事故一般由燃燒引起，物質(zhì)燃燒需要同時具備可燃物、助燃物和初始能量3個要素，要想預防事故發(fā)生，需把3者相對分開或絕對分開。對于高壓氧氣系統(tǒng)，事故一般發(fā)生在閥門開啟或關閉過程中，本文基于200 MW燃氣流風洞冷態(tài)調(diào)試過程中的參數(shù)，在正式供氧前，對高壓氧氣系統(tǒng)閥門操作過程中管道中的流動進行分析，給出具體安全操作措施，并采用沖擊波超壓計算高壓氧氣罐物理爆炸的影響范圍，明確安全距離、安全區(qū)域，為氧氣管道遠程安全操作提供參考。

1 200 MW燃氣流風洞高壓氧氣系統(tǒng)

200 MW燃氣流風洞主要包括能源供應系統(tǒng)、加熱器、試驗艙、擴壓器、排氣系統(tǒng)等。高壓氧氣系統(tǒng)作為能源供應系統(tǒng)重要組成部分，主要由液氧罐、低溫泵、汽化器、氧氣罐等組成，該系統(tǒng)采用液氧汽化的方式制備高壓氧氣，并貯存在氧氣罐中。氧氣系統(tǒng)部分管道及儀表流程示意如圖1所示，主要由充氣管道、氧氣罐、供氣管道及放空管等組成。氧氣系統(tǒng)建設完成后，首先采用氮氣對系統(tǒng)進行調(diào)試、吹掃，確保管道清潔度，目前已開展多次熱試車，其中氧氣最高使用壓力為21 MPa，最大流量27.5 kg/s，最長供應時間為1 000 s。

圖1 管道及儀表流程示意Fig.1 Schematic diagram of pipeline and instrument procedures

2 安全操作分析

200 MW燃氣流風洞高壓氧氣系統(tǒng)操作主要包括充氣操作、供氣操作、排氣操作。試驗前，將液氧罐中的液氧汽化充灌至氧氣罐中；試驗時，將氧氣罐內(nèi)的氧氣輸送至加熱器；試驗后，長期不使用氧氣或氧氣罐維修時，需將氧氣罐內(nèi)的氧氣放空。液氧汽化及充氣時，液氧、氧氣流經(jīng)管路如圖2虛線所示，該操作涉及閥門均為小口徑閥門；氧氣供氣時，高壓氧氣流經(jīng)管路如圖3虛線所示，該操作涉及的閥門為大口徑遠程操控閥門，先通過旁通閥平衡上下游壓力，然后再將高壓氧氣主閥緩慢打開；放空管路位于罐區(qū)西側(cè)沿立柱鋪設至房頂，如圖4所示，該操作涉及的閥門均為小口徑遠程操控閥門。上述操作中，汽化器后氧氣管路閥門的閥體和閥瓣均采用蒙乃爾合金。

圖2 高壓氧氣充氣管路示意Fig.2 Schematic diagram of high-pressure oxygen charging pipeline

圖3 高壓氧氣供氣管路示意Fig.3 Schematic diagram of high-pressure oxygen supply pipeline

圖4 高壓氧氣排氣管路Fig.4 High-pressure oxygen exhaust pipeline

2.1 充氣操作

氧氣供應系統(tǒng)壓力使用范圍13～21 MPa，氧氣罐一般保持在較高壓力范圍，充氣時，充氣閥下游連接氧氣罐，上游為0.101 MPa，閥門打開時罐內(nèi)高壓氣體對上游管道進行絕熱壓縮，若閥門開啟速度過快，管道內(nèi)流動類似激波管流動如圖5所示[15-16]，閥門相當于膜片，左側(cè)為高壓氣體，即驅(qū)動氣體，右側(cè)為低壓氣體，壓力為0.101 MPa，即被驅(qū)動氣體。若閥門打開速度快(理想情況類似膜片完全消失)，有1個左行的膨脹波進入高壓氣體，1個右行的激波進入低壓氣體，2部分氣體接觸面隨之右移，經(jīng)過一段時間后，膨脹波和激波分別在左、右封閉端固壁上被反射。

圖5 激波管示意Fig.5 Schematic diagram of shock tube

當驅(qū)動氣體壓力為20 MPa、被驅(qū)動氣體為0.1 MPa時，膜片“消失”后激波管內(nèi)的流動情況如圖6～8所示。激波管長1 m，膜片位于中間位置，t1為膜片消失瞬時時刻，t2、t3為激波反射后時刻。由圖8可知，閥門打開瞬間，管道內(nèi)存在瞬時高速流動，若存在雜質(zhì)則極易產(chǎn)生摩擦、碰撞，形成點火能量；激波反射后末端氣體溫度遠遠高于200 ℃，為非金屬易燃物燃燒創(chuàng)造條件。為避免上述情況的發(fā)生，采取以下2點安全措施：

圖6 激波管流動參數(shù)(壓力)Fig.6 Flow parameter (pressure) of shock tube

圖7 激波管流動參數(shù)(溫度)Fig.7 Flow parameter (temperature) of shock tube

圖8 激波管流動參數(shù)(速度)Fig.8 Flow parameter (velocity) of shock tube

1)措施1：對閥門開啟關閉速度進行調(diào)節(jié)，使其緩開緩閉。

2)措施2：充氣時，將低溫泵調(diào)節(jié)至低工況，首先對充氣管道進行充氣，待壓力與罐體壓力一致時，遠程打開充氣閥門，然后將低溫泵調(diào)節(jié)至額定工況，對氧氣罐進行充氣。

為了對措施2的必要性進行說明，給出調(diào)試階段第1組充氣閥門直接打開后，閥后管道壓力變化曲線，如圖9所示。由圖9可知，充氣管路平衡時間約為2 s，管路平衡過程驅(qū)動段最低壓力為平衡前的98.4%，對應Ma數(shù)約為0.15，流速約為51 m/s。因此，當上下游壓差較大時，即使閥門開啟速度慢，管道內(nèi)的流速依舊較快。采取措施2可有效避免絕熱壓縮或激波產(chǎn)生的高溫，同時解決流速過快的問題。

圖9 第1組充氣閥打開時閥后壓力變化曲線Fig.9 Curve of pressure change behind valve when opening first group of charging valve

2.2 供氣操作

氧氣供氣時，首先開啟旁通閥，待上下游壓差小于0.3 MPa時，再開啟主閥。調(diào)試階段旁通閥開啟后供氣管道的壓力、溫度變化曲線如圖10～11所示。

圖10 旁通閥開啟后供氣管道壓力變化Fig.10 Pressure change of gas supply pipeline after opening bypass valve

圖11 旁通閥開啟后氧氣主管道溫度變化Fig.11 Temperature change of oxygen main pipeline after opening bypass valve

由圖10可知，初始罐壓相同，同時開啟4組旁通閥與開啟2組相比，溫升較快，溫度最大值較高；初始罐壓為21 MPa時，開啟4組旁通閥，氧氣主管道溫度由10 ℃上升至73 ℃左右，夏季試驗時，溫度將會更高。實際供氧過程中，采取以下2點安全措施：

1)措施1：僅開啟第1組旁通閥進行供氣管道平衡，待上下游壓力基本平衡時，再開啟其余3組旁通閥，當4組氧氣罐與主管道壓差小于0.3 MPa時，依次開啟4組高壓氧氣主閥，并依次關閉旁通閥。

2)措施2：為降低操作風險，對閥門遠程控制系統(tǒng)進行設置，當氧氣罐與主管道壓差大于0.3 MPa時，禁止開啟主閥，防止誤操作。

當打開第1組氧氣罐旁通閥時，氧氣罐壓力P1、主管道壓力P5變化曲線如圖12所示。另外，圖12中給出超聲速充填過程的計算曲線Cal。旁通閥門開啟后，由于上下游壓差較大，前80 s充填過程，旁通管道內(nèi)為超聲速流動，流動速度極高，根據(jù)國標要求須采用免除材料。

2.3 排氣操作

200 MW燃氣流風洞高壓氧氣系統(tǒng)排氣操作主要包括氧氣罐氧氣置換及維修時罐體排空、試驗后主管道氣體排空。其中，氧氣罐氧氣置換時采用低壓排氣，罐體排空以及主管道排空采用高壓排氣。

1)低壓排氣

以20，1 MPa壓力進行氧氣置換時，所需能源、時間見表1。由表1可知，采用低壓置換能夠節(jié)約能源及時間；采用1 MPa壓力進行置換相對高壓更安全。

表1 高壓、低壓置換方案Table 1 High-pressure and low-pressure replacement schemes

氧氣罐排氣過程壓力變化曲線如圖13所示。以理想氣體的等熵流計算，推導排氣時間如式(1)所示：

(1)

圖13 罐體置換排氣計算試驗對比Fig.13 Comparison on calculation and test of tank replacement gas exhaust

式中：A*為管路最小截面積，m2；P0為氧氣罐內(nèi)初始壓力，Pa；P0′為t時刻氧氣罐內(nèi)壓力，Pa；V為對應氧氣罐體積，m3；R為氣體常數(shù)，J/(kg·K)；C為常數(shù)，取0.039 74。

由圖13可知，對于通徑為Ф19的排氣管路，采用Ф19計算管路最小截面積，由式(1)計算的排氣時間與實際情況相差較大，主要原因為排氣管道較長，計算過程未考慮摩擦，若以通徑Ф10代入計算公式，與試驗吻合較好。因此，可以采用等效喉道直徑Ф10進行相關計算，1組氧氣罐，共計80 m3,初始壓力為1 MPa時，排空所需時間為2 h。此外，當氧氣罐壓力大于1.9倍大氣壓時，排氣管道出口氣流為超聲速氣流，流速極快，容易產(chǎn)生靜電，應確保接地良好。

對于流速的定義參考歐洲工業(yè)氣體協(xié)會(EIGA)Oxygen Pipeline System規(guī)范。2002年IGC Doc 13/12/E Oxygen Pipeline and Piping System[4]中，對不同材質(zhì)的金屬豁免壓力和最小厚度給出規(guī)定，見表2。排氣管道材質(zhì)為304 L，壁厚3.5 mm，1.4 MPa以下排氣時，滿足免除壓力要求，可不對流速進行限制。

表2 免除壓力和最小厚度Table 2 Exemption pressure and minimum thickness

2)高壓排氣

主管道排氣時，初始壓力一般均高于15 MPa，若直接采用DN20管道進行排氣，很難滿足國標中4.5 m/s的流速要求，為此，在供氣管道排氣閥后增加節(jié)流孔板，小口徑高壓管路連接通常采用球頭螺母，采用的孔板結構形式如圖14所示，材質(zhì)為紫銅，加工后退火處理。

圖14 節(jié)流孔板及安裝示意Fig.14 Throttle orifice and installation schematic diagram

增加孔板后，通過節(jié)流孔的尺寸設計保證閥前管路流速小于4.5 m/s，閥后管道因孔板節(jié)流，氣流膨脹、壓力小、溫度低，較為安全。通過喉道流量計算公式推導孔板設計公式，如式(2)所示：

(2)

式中：A為管道截面，m2；A*為喉道截面積，m2；R為氣體常數(shù)，J/(kg·K)；C為常數(shù)取0.039 74；T0為容器內(nèi)氣體溫度，K；u為氣體流速，m/s。對于高壓氧氣管道，流速限值為4.5 m/s，由此可得管道通徑與孔板喉道面積比為42.5，直徑比為6.5。

3 安全操作分析

3.1 安全距離

壓力容器爆炸時，爆破能量向外釋放時主要表現(xiàn)為沖擊波能量、碎片能量和容器殘余變形能量。后兩者消耗的能量占總爆破能量的3%～15%，大部分能量以空氣沖擊波為主。

沖擊波由壓縮波疊加形成。容器破裂時，高壓氣體大量沖出，周圍空氣受沖擊波影響發(fā)生擾動，其狀態(tài)(壓力、密度、溫度等)發(fā)生突躍變化，傳播速度大于擾動介質(zhì)聲速，這種擾動在空氣中的傳播即沖擊波。在離爆破中心一定距離，空氣壓力隨時間發(fā)生迅速而懸殊的變化。開始壓力突然升高，產(chǎn)生1個很大的正壓力，接著迅速衰減，在較短時間內(nèi)由正壓降至負壓，如此反復循環(huán)數(shù)次，壓力漸次衰減。開始時產(chǎn)生的最大正壓力即為沖擊波波陣面上的超壓ΔP，多數(shù)情況下，沖擊波的傷害、破壞作用是由超壓引起的，超壓ΔP可達數(shù)個甚至數(shù)十個大氣壓。

通過計算分析[17-18]，1組氧氣罐發(fā)生爆炸時能量相當于TNT當量為696.3 kg，其影響范圍見表3。以1組氧氣罐發(fā)生物理爆炸人員不受傷為依據(jù)，則廠區(qū)內(nèi)正式試驗時安全距離為50 m。

表3 氧氣罐爆炸影響范圍Table 3 Influence ranges of oxygen tank explosion

3.2 安全區(qū)劃分

綜合考慮安全距離及氧氣遠程操作，明確安全區(qū)域及相應警戒區(qū)，如圖15所示。圖15中實線加粗區(qū)域為日常警戒區(qū)，除氧氣罐區(qū)專業(yè)操作人員外未經(jīng)許可禁止入內(nèi)；圖中虛線區(qū)域為試驗時警戒區(qū)，試驗時，廠區(qū)內(nèi)嚴格控制人員出入，實行點名簽到制度，所有人員均撤離至測控樓。測控樓距離氧氣罐最小距離為68 m，該區(qū)域為安全區(qū)域。

圖15 安全區(qū)劃分Fig.15 Division of safety areas

4 結論

1)充氣操作時，對于充氣管道內(nèi)的激波管流動，當驅(qū)動氣體壓力為20 MPa、被驅(qū)動氣體壓力為0.1 MPa時，激波反射后末端氣體溫度遠遠高于200 ℃，通過減小閥門開啟速度，并對閥前管道進行充氣減小上下游壓差，可避免激波管流動以及絕熱壓縮產(chǎn)生的高溫。

2)供氣管道充填時，管道內(nèi)最大溫度為73 ℃，通過控制充填速度，可進一步減小管道內(nèi)氧氣溫度。

3)排氣時，通過高壓排氣、低壓排氣2種模式進行，可滿足國標中氧氣流速要求。

4)1組氧氣罐發(fā)生爆炸時TNT當量為696.3 kg，依據(jù)影響范圍確定安全距離為50 m。