摘　要:通过对制氧站内氧气管道燃烧和燃爆机理研究,从工艺设计角度具体分析了制氧站内氧气管道的安全设计,强调了设计中应该注意的问题。
关键词:制氧站;氧气管道;燃爆;安全设计
中图分类号:TF08314 　文献标识码:A 　文章编号:1672 - 9994 (2010) 03 - 0021 - 04
收稿日期:2010 - 05 - 12
作者简介:颜士颖(1970 - ) 男,中冶华天工程技术有限公司动力室,高级工程师,1992 年武汉钢铁学院煤化工专业毕业。
随着冶金和煤气化工及石油开采的发展, 空分设备日趋大型化,大型空分设备越来越多。伴随着空分设备的大型化, 其主要产品氧气产出量及输送压力越来越大,如何保证制氧站内氧气管道安全,已成为保证制氧空分安全运行的一个重要因数。近年来,因氧气管道燃爆引起的空分装置安全
事故时有发生。虽然,事故发生的原因不尽相同,但氧气管道着火爆炸是其中一个主要的危险因数。
为了实现制氧站安全、稳定、长周期正常生产,必须重视制氧站内氧气管道的安全设计,重点作好氧气管道着火方面的研究和探讨工作,尤其是从设计根源上进行防范和控制,已显得尤为重要。
1 　氧气管道燃烧和燃爆机理
氧气管道发生的安全事故,主要是着火燃烧和燃爆。氧气管道着火爆燃必须同时具备3 个基本三个条件:助燃剂、燃烧物质、点燃能量。在3 个基本条件中,缺少任何1 个都不会引发燃烧爆炸。氧气是强烈的助燃气体, 其浓度越高,输送压力越大,其氧化性愈高,助燃能力越强。许多物质如铁渣,油脂,橡胶管碎屑,纤维物品, 纸屑、木屑等可
燃物质, 在正常大气中不燃烧, 而在高浓度或纯氧管道中就有可能发生燃烧, 产生大量热源,当温度达到钢管燃点时,铁与氧就进行燃烧反应。铁在氧气中一旦燃烧起来,其燃烧热非常大,温度急骤上升,呈白炽状态。燃烧生成物为熔融状态的氧化铁。只要有氧,燃烧就会连续进行。铁在氧气中燃烧的反应式:[1 ]
Fe + (3P4)O2 - (1P2) Fe2O3 + 410kJPmol (1)
铁的原子厚m = 55. 85 ,10 克铁的反应热为:
410 ×10P55. 85 = 73. 4 kJPg
10 克铁燃烧需氧气量:10 ×3P4 ×22. 4P55. 85 =
3. lPg
试验测定, 在常压纯氧中, 10g 金属铁块瞬间引燃温度为930 ℃- 950 ℃, 该温度低于铁的熔点(1500 ℃) ,说明铁在纯氧中的燃烧会发生在铁熔融之前。在保持固体状态下引燃、燃烧,低碳钢的瞬间引燃温度为1290 ℃, 不锈钢为1380 ℃, 而在3. 5MPa 以上的高压纯氧中铁块的瞬间引燃温度会降至840 ℃。因此,随氧气压力的增高, 其瞬间引燃温度将会降低几十度, 甚至近百度。
综上所述,可燃物质在高纯度氧做助燃剂的条
件下,摩擦燃烧,当温度达到钢管燃点时,金属与氧急剧化合,产生光和热,氧管产生绝热压缩,首先管壁的某处被高热的火焰烧穿, 高压的氧气流夹带火舌从孔中喷出, 引起管道呈高温状态的更炽烈燃烧, 并会立即导致周围可燃物的大面积猛烈燃烧。同时, 常在氧气流喷出之际发出爆炸似的响声。导致氧气管道燃烧和燃爆。管道发生火灾后,其火焰燃烧方向是沿管道而与氧气气流流动的方向逆向蔓延传播。
2 　氧气管道燃烧和燃爆原因分析
依据氧管燃烧机理分析, 若使输氧管道发生燃烧,其管道内某处温度达到～900 ℃的瞬间引燃温度,才会使氧气与金属管道间的燃烧反应发生。
结合我国多年来氧气管道燃爆事故分析,发现,造成氧气管道火灾因数主要有以下几条:
(1) 氧气中夹带的可燃固体颗粒
当管道内残存有铁锈垢, 或因坚硬固体颗粒或气流冲刷管壁, 而磨耗脱落的铁粉, 由于所需点火能较低,在摩擦热的作用下,便很容易发生自燃。处于自燃状态的赤热铁粉在高速氧气流中高速运动, 而于流向急变的直转弯部位(如T 形管、阀门等处) , 便以极大的动量撞击其内壁, 消耗掉大部分动能后,沿管壁沉积下来造成赤热铁粉的蓄积, 其在燃烧中会逐步熔化而粘敷在管道内壁上。
熔敷处的管壁在此高温作用下,可发生铁与氧的燃烧反应, 并以势不可挡之势, 速耗管壁的铁质, 造成管壁穿孔。管道内若有凸凹之处, 凹处则很容易积集可燃物粉尘而造成熔敷燃烧, 而凹的尖端又很容易摩擦蓄热, 以致由此烧穿管道。
(2) 可燃物存在于输氧管道中
管道中存在油脂以及管道垫片脱落的橡胶或石墨等碎片及粉末。由于其燃点低,如润滑油的最低燃点为273 ℃- 305 ℃, 三氯乙烯的最低燃点为392 ℃, 纤维的最低燃点为304 ℃, 橡胶的最低燃点为341 ℃。而在高压氧气中, 燃点要比上述数
值还低100 ℃左右。该物质与管道内纯氧接触,便会立即发生强烈的化学反应以至自燃; 并且可燃物一经燃烧起来, 燃烧速度较在空气中快,最终导致氧管爆燃。
(3) 绝热压缩升温
当制氧站内高压氧气经由管道输送时,氧气阀门开启前,管道内阀前为高压,阀后为低压(相当于大气压) 。在氧气管道阀门快速开启时,由于将阀前高压氧气急剧充入至低压状态时,可产生近于绝热状态的压缩过程。由于压缩产生的热量速度快,很难在瞬间传递出去, 故会使压缩系统急剧升温,产生接近于绝热压缩的温度。计算:[2 ]
T2 = T1 ( p2
Pp1 ) (r - 1)Pr (2)
t1 = T1 - 273 t2 = T2 - 273 (3)
式中: T2 —绝热压缩后的气体温度, K;
T1 —绝热压缩前的气体温度, K;
p2 —阀后(绝热压缩后) 的气体压力, MPa ;
p1 —阀前(绝热压缩前) 的气体压力, MPa ;
r —气体的比热(氧气为1. 40) 。
根据制氧站外送氧气典型压力计算,可得出氧气阀门开启前后氧气温度变化,见表1。
表1 　氧气阀门开启前后氧气温升表
阀前压力p1
(绝压MPa) 13. 1 3. 1 2. 6 2. 1 1. 7 1. 1
阀前温度t1( ℃) 35 35 35 35 35 35
开阀后温度t2( ℃) 1018 546 508 462 419 339
从表中可以看出,当瞬间输入13. 1 MPa 的氧
气时,即使输氧管道内无可燃物,其急剧绝热压缩产生的温度就能使管壁与氧之间的燃烧反应发生。
当其内部存留有铁垢(312 ℃ - 315 ℃) 、铁粉(300 ℃- 400 ℃) 、润滑油、纤维、橡胶、三氯乙烯等(300 ℃- 500 ℃) 可燃物时, 瞬间输入1. 1MPa
以上的氧气, 就可达到可燃物质粉末的着火温度
300 ℃- 400 ℃。
(4) 电火花放电
氧气与钢管接触,在氧气钢管之间的界面上形成双电层,由于双电荷中的一部分,随着氧气的流动而被带走,因而产生了静电。当产生的静电积蓄到一定的能量,也就是说气体的分子与管壁摩擦产生电位差,电位差达6000 V 时,就会出现电火花。
成为引燃氧管火源。
3 　氧管设计防范措施
依据以上分析, 要保证氧气管道输送安全,可靠,我们应在设计中采取如下措施,才能有效防止防止输氧管道燃烧和燃爆。
⑴氧气管道材质的设计选型

我国制氧站内氧气管道多选用金属材质。氧气纯度愈高,燃烧速度愈快;氧气压力愈高,金属越易燃烧。常用金属材料的燃烧特性见表1。

表1 　常用金属材料燃烧特性表
金属名称
不同氧气压力下燃烧温度P℃
0. 1MPa 1. 0MPa 3. 0MPa 3. 5MPa 7. 0MPa 12. 6MPa
热导率
PWPm. k
耐腐
蚀性
铜1083 1050 904 884 835 804 106 - 407 好
不锈钢1366 920 825 740 630 24. 5 较好
低碳钢1277 1277 1106 1104 1018 927 48 一般
铁930 826 824 740 629 一般
铝660
从表中可得出,在一定氧气压力下,A. 铜材质导热率最大,散热快,燃烧速度慢,且铜管在燃烧前先熔化,不扩散燃烧,抗腐蚀性能好。但铜管价格较高,强度低,焊接性能不好。B. 碳钢管燃烧温度稍低,燃烧速度快,抗燃烧性能差,着火能消散之后仍继续燃烧。C. 不锈钢燃烧温度比碳钢高,着火较困难,但一旦燃烧起来比碳钢的燃烧速度还要快,在着火能消散之后仍继续燃烧。D. 铝管在氧气中燃烧得非常急速,抗燃烧能力最差,一般不选用。
按照我国GB16912 - 2008[3 ] 规定,结合以上分析,从输氧安全性及经济性方面综合考虑,制氧站内氧气管材宜依据以下原则进行设计:
a. 空分冷箱送出的低压氧气管(压力约0. 1MPa) ,材质宜选用碳钢管道。其中管径大于等于200 mm ,宜采用螺旋焊管或焊接钢管; 管径小于
200 mm ,宜采用无缝钢管。
b. 中压氧气管(含内压缩流程空分冷箱送出) ,当压力小于等于3. 0 MPa 时,材质可根据用户需要,选用碳钢管或不锈钢管。其中管径大于等于500 mm 可采用成品焊接钢管,管径小于500 mm ,宜采用无缝钢管;当压力大于3. 0 MPa 而小于10 MPa时,应采用不锈钢无缝管。
c. 氧压车间内送单个氧压机的低压氧气支管、氧压机内联管道,由于经压缩后的氧气温度升高,(一般在160 ℃- 180 ℃左右) 管径由于机器附近受空间位置的限制,管径选用偏小,气流速度大,为防止管壁铁锈进入压缩机内部,造成危险,材质宜选用不锈钢管。调节阀组前后,管内气流速度变化很大一般采用不锈钢管,也有采用脱氧铜管d. 氧气球罐区氧气管道,区域主主管可根据用户需要,材质宜选用不锈钢管,进出氧气球罐支管应选用不锈钢管。
e. 高压氧气管(压力大于等于10. 0 MPa) ,应采用不锈钢无缝管或挤制、拉制的铜及铜合金管。
f . 输送温度低于20 ℃的低温气氧管道,液氧管道,考虑低温影响,材质选用不锈钢管。
⑵管件设计选型
a. 氧气管道的弯头严禁采用折皱弯头,当采用冷弯或热弯弯制碳钢弯头时,弯曲半径不应小于公称直径的5 倍;当采用压制对焊弯头时,宜选用长半径弯头。工作压力不大于0. 1 MPa 的钢板卷焊管,可用弯曲半径不小于公称直径1. 5 倍的斜接弯头,90°弯头应采用中间为大于等于二段制作。
b. 氧气管道的变径管宜采用压制对焊管件。
焊接制作时,变径部分长度不宜小于两端管外径差值的3 倍。
c. 氧气管道宜采用压制对焊三通.
e. 氧气管道法兰及垫片按表2 选用
表2 　氧气管道法兰及垫片
工作压力
PMPa 垫　片法　兰
≤0. 6 聚四氟乙烯垫片、柔性石
墨复合垫片
材质同管道或配套阀门,平焊钢法兰
> 0. 6 -
≤2. 5
缠绕式垫片、聚四氟乙烯垫片、柔性石墨复合垫片管道间连接法兰材质选用不锈钢或铜合金,配套阀门用法兰材质同阀门;
平焊钢法兰
> 0. 6 -
≤3. 0
缠绕式垫片、聚四氟乙烯垫片、柔性石墨复合垫片
管道间连接法兰材质选用不锈钢或铜合金,配套阀门用法兰材质同阀门;
对焊钢法兰
> 3. 0 -
≤10
缠绕式垫片、退火软化铜垫片、镍及其合金垫片
法兰材质选用不锈钢或
铜合金,对焊钢法兰
> 10 退火软化铜垫片、镍及镍基合金垫片
法兰材质选用铜合金,对焊钢法兰
f . 氧气调节阀前宜设过滤器。氧气过滤器壳体应用不锈钢或铜及铜合金,过滤器内件应用铜及铜合金。滤网宜优先选用镍铜合金材质,其次为铜合金材质,网孔尺寸宜为60 - 80 目。
⑶氧气阀门选用
a. 氧气管道的阀门应选用专用氧气阀门.
b. 公称压力大于或等于1. 0 MPa 且公称直径大于或等于150 mm 口径的氧气阀门,选用带旁通的阀门;
c. 经常操作的公称压力大于或等于1. 0 MPa
且公称直径大于或等于150 mm 口径的氧气阀门,宜采用气动遥控阀门。
d. 阀门材料的选用应符合表3 的要求:
表3 　阀门材料选用要求
工作压力PMPa 材　　料
p ≤0. 6 阀体、阀盖采用可锻铸铁、球墨铸铁或铸钢;阀杆采用不锈钢;阀瓣采用不锈钢
0. 6 > p ≤10
采用全不锈钢、全铜基合金或不锈钢与铜基合金组合(优先选用铜基合金) 、镍及其合金
p > 10 采用全铜基合金、镍及其合金
注1 :工作压力为0. 1MPa 以上的压力或流量调节阀的材料,应采用不锈钢或铜基合金或以上两种的组合。
注2 :阀门的密封填料,应采聚四氟乙烯或柔性石墨材料。
⑷氧气流速
工作压力、工作温度,不应超过表4 规定。
⑸防雷、防静电接地措施
制氧站区架空氧气管道应在管道分岔处、与架空电缆的交叉处、无分岔管道每隔80 - 100 m 处以及进出装置或设施等处,设置防雷、防静电接地措施,接地电阻值应小于10Ω;氧气管道的法兰、螺纹接口两侧的应用金属导线作跨接,其跨接电阻应小于0. 03Ω。厂房内氧气管道,应设防静电接地装置。
表4 　管道中氧气最高允许流速v
材质
氧气工作压力PMPa
p ≤0. 1 0. 1 < p ≤3. 0 3. 0 < p ≤10. 0 10. 0 < p < 15. 0 p ≥15. 0
碳钢根据管系
压降确定15 mPs 不允许不允许不允许
奥氏体
不锈钢同上25 mPs p ×v ≤45 MPa·mPs (撞击场合)
p ×v ≤80 MPa·mPs (非撞击场合)
4. 5 mPs (撞击场合)
8. 0 mPs (非撞击场合)
4. 5 mPs
(不锈钢)
注1 :撞击场合和非撞击场合:使流体流动方向突然改变或产生旋涡的位置,从而引起流体中颗粒对管壁的撞击,这样的位置称做撞击场合;否则称为非撞击场合。
注2 :铜及铜合金(含铝铜合金除外) ,在小于或等于21. 0MPa 条件下,流速在压力降允许时没有限制。
4 　结语
总之,氧站内氧气管道通过对氧气管道燃烧和燃爆机理研究,从设计根源上进行防范和控制制氧站内氧气管道爆燃事故的发生,才是制氧站安全、可靠运行的重要保障