1、 研发中心内部资料Q/ZF XX-2011氧 气 阀 门设计与研制注意事项编制:陈正立 仅做参考，本文与标准冲突的地方，按相关标准执行共 页2011 年 XX 月 XX 日发布 2011 年 XX 月 XX 日实施河南航天液压气动技术有限公司 发布Q/ZF XX-2011 氧气阀门设计与研制注意事项第 1 页 共 17 页氧气阀门设计与研制注意事项1 序论随着工业现代化的迅速发展，高参数（高温、超低温、高压）氧气阀门的参数范围也在不断提高，氧气阀门的需求量和需求范围也在不断扩大。新工艺、新装置的不断出现， 对氧气阀的要求越来越严，同 时氧气阀的参数越来越高。高温、高压、高温高压氧气介质均属于易
2、燃易爆危险品。氧气与其他介质的根本区别在于，氧气是助燃剂，氧气燃烧不需要任何其它助燃剂；特别是高温高压氧气不能遇到任何一点火星。所以，防静电性能是氧气阀门稳定运行的重要保证，防静 电措施包含在氧气阀门设计、生 产、 检验、包装运 输、 仓储等各个方面，其中设计方面包括流道的尺寸、形状、内表面情况，材料选择，密封面 设计， 阀芯、阀杆防转动结构，阀杆螺母防尘措施，阀门零部件加工，等等，特别是对高温高压氧气阀门，这些要求更 为重要、更为严格，从结构设计、选材到加工都有严格要求。2 范围本规范主要提出了在氧阀的设计过程中的选材、设计、装配、 试验、清洗过程中的注意事项及所在过程中推荐选用的辅助材料。
3、3 参考标准3.1 GB/T16912 深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技 术规程3.2 IGC Doc 13/02/E OXYGEN PIPELINE SYSTEMS3.3 钢铁企业燃气设计参数资料氧气部分。4 设计原则4.1 为了保证氧气阀门的密封性和工作安全性，应尽可能消除一切产生静电的因素， 设置防静电结构，具体要要求可依据 BS5153 相关规定。4.2 确定合理的密封面宽度，需要计算出能够承受必需密封力的最小密封面宽度，同时还需要分析各种因素对密封性能的影响。4.3 根据阀门使用的环境、介质、温度、成本等，合理选择所需材质。通过合理的结构设计、选材，氧气阀门既有良好的密封性，又具有
4、安全的防静 电性能。同时又能保证产品的经济性5 设计注意事项5.1 氧气介质流束经过的流道内腔表面要光滑、流畅，退刀槽加工要倒圆角。Q/ZF XX-2011 氧气阀门设计与研制注意事项第 2 页 共 17 页5.2 阀门内部零件锐角倒钝倒圆，无棱角、尖角、无凹凸不平、无突变。5.3 利用流体力学原理分析介质在流道内的流动情况，确定阀体的介质流道形状尽可能采用流线形。5.4 保证介质在流动过程中没有压力凸变，没有流束的方向凸变，阀体内腔中不能有任何固形物，从而防止产生静电。5.5 应具有良好的防静电结构，接地电阻不大于 10 欧姆，法兰间电阻不大于 0.03 欧姆，具体可参照 BS5351 相关
5、规定。5.6 对于电 磁阀的设计，还应符合 GB50058爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范相关防爆要求6 设计选材注意事项6.1 常温高压（常压）氧阀材料选用原则6.1.1 金属零（部）件设计时禁止选用钛合金，如 TC4 等（因钛合金中的钛在常温时易于氧结合，在零件表面生成致密地氧化物保护膜，而在 540 度左右时会与氧发生剧烈氧化反应）。6.1.3 非金属零（部）件选材时，禁止选用聚酰亚胺作为密封件。6.1.4 尽量避免选用含钛的不锈钢，如 1Cr18Ni9Ti(321)，0Cr19Ni10Ti 等。6.1.5 用于常温下的高压高纯度的氧气管路中专用阀门主体材质在选材时，要选不氧化，不锈蚀
6、、含碳量尽量低，以减少氧气在高速流动进，与钢 中的碳摩擦产生火花，因此常选用如下低碳级、超低碳级的不锈钢。 锻件：ASTM A182 F304 ，F304L，F316，F316L 等；棒材：ASTM A276 S31600,S31603, S30400, S30403, S34700 等棒材：奥氏体钢：GB/T1220： 022Cr17Ni12Mo2(316L), 06Cr17NI12Mo2(316), 022Cr19Ni10(304L), 06Cr19Ni10(304)，06Cr18Ni11Nb (347)等；马氏体钢：GB/T1220：1Cr13,2Cr13，1Cr17Ni2 等， 推荐选
7、用 1Cr17Ni2马氏体钢：ASTM A276：S41000（1Cr13）,S42000 （2Cr13）,S43100(1Cr17Ni2)等，推荐选用 S43100沉淀硬化钢：ASTM A276 S27400（17-4PH ）双向钢：ASTM A276 S31803， SAF2205铸件：ASTM A351 CF8，CF3， CF8M，CF3M，CF8C 等，当选用不锈钢铸件时，必须要进行酸洗，以清除阀门中内腔的粘砂和氧化物等杂质。6.1.6 当压力大于 15Mpa 时，为了提高氧气阀门，在高压纯氧中的抗阻燃效果， 阀门的材质可选用安全等级更高的镍基合金。镍基合金 ASTM B164 Mon
8、el400,Monel K500，M35-1ASTM A494 CY-40因康乃尔合金 ASTM B164-A inconel600,inconel625, inconel718Q/ZF XX-2011 氧气阀门设计与研制注意事项第 3 页 共 17 页哈氏合金 Hasalloy c-276 6.1.7 与介质接触的弹簧可选：镍基合金：inconel625，inconel750弹簧用不锈钢丝：302（1Cr18Ni9），0Cr19Ni10,0Cr17Ni7Al,0Cr17Ni12Mo2（摘自 GB/T1239.6，P655，表 2）铜及铜合金线材：GB/T21652 QSi3-1, QSn4-
9、3, QSn6.5-0.1, QSn6.5-0.4, QSn7-0.2 （摘自GB/T1239.6，P655，表 2）彼青铜线：YS/T571 Qbe2 （摘自 GB/T1239.6，P655，表 2）6.1.8 当压力不大于 15Mpa 时，承压部件可选用铜及铜合金。如铅黄铜 HPb59-1,铝青铜 QAL9-4， QAL10-4-1.5，黄 铜 H62 等。6.1.9 密封件可选用：紫铜（T4-M，T3-M，T2-M）， 软铝 ，PTFE（F4），PCTFE（F3），TEFLON（F46），聚四乙稀缠绕垫片，柔性石墨，柔性石墨 缠绕垫片，ASTM B164-A Nickel200 也可选用
10、相关材质不锈钢（如 304，316，304L，316L）制成的波纹管进行密封等。6.1.10 橡胶密封圈可选用：3160，3180， 5160，8380，8360，FM-2D，VITON 若无 A（氟橡胶A401C），Karez（全氟橡胶）等6.1.11 对于过滤器可选用：不锈钢折叠滤芯、不锈钢金属网（不锈钢推荐采用 316L），聚四氟折叠滤芯，聚丙稀折叠滤芯，陶瓷 滤芯等。6.1.12 油脂类可选用：7805，7804， FL-10，氟素油等，推荐使用 7805。6.2 高温高压氧阀设计原则高温高压氧气介质属于易燃易爆危险品，高温高压氧气管路和阀门属于最高要求等级的设备。我国氧气阀门的安全技
11、术要求按国家标准 GB16912-1997氧气及相关气体安全技术规程的规定，氧气 阀门的设计、制造和 检验 按机械行业标准 JB/T10530-2005氧气用截止阀的规定，该标准 规定的氧气阀门参数范围是：公称直径：DN150，公称压力：PN40 ，设计 温度：DT150 ，工作介质：纯氧气，超过这个参数范围的氧气阀门，目前国内还没有标准依据。依据我国氧气阀门专用标准 JB/T10530-2005氧气用截止阀规定的参数，生产氧气阀门的参数一般是，工作压力 OP2.0MPa, 工作温度 OT120,而阀门选用一般原则，此时对应的设计压力 DP4.0MPa, 设计温度 DT150。对于高温同时高压
12、的氧气阀门目前国内还没有设计、生产依据的标准。因此参考国外的一些文献及标准，大致给出以下设计思路：6.2.1 高温高压氧气阀门的基本结构是截止阀，普通阀门介质的流动方向是下进上出，即介质流从阀瓣下方的阀体流道进入，经过阀座后从阀瓣上方的阀体流道流出。在高温高压工作条件下，阀门的流道与普通阀门流道不同，氧气介质的流动方向是上进下出，即高温高压氧气流从阀瓣上方的阀体流道进入，经过阀座后从阀瓣下方的阀体流道流出。Q/ZF XX-2011 氧气阀门设计与研制注意事项第 4 页 共 17 页6.2.2 氧气介质流束经过的流道内腔表面要光滑、流畅、无棱角、尖角、无凹凸不平、无突变、阀门内部零件锐角倒钝倒圆
13、，阀杆退刀槽加工要倒圆角，保证介质在流动过程中没有压力凸变，没有流束的方向凸变， 阀体内腔中不能有任何固形物，从而防止 产生静电。6.2.3 为了保证高温高压氧气阀门的密封性和工作安全性，应尽可能消除一切产生静电的因素。使高温高压氧气阀门既有良好的密封性，同时又具有安全的防静电性能。6.2.4 确定合理的密封面宽度，计算出能够承受必需密封力的最小密封面宽度，同时还需要分析各种因素对密封性能的影响。6.2.5 在高温高压状态下，选择抗纯氧气介质对阀门零部件的应力腐蚀和氧化腐蚀的材质。6.2.6 设置防护装置，主要包括阀杆填料函部分， 阀杆螺纹部分的防护，主要是防止灰 尘粘结在阀杆上，进而在阀杆运
14、动过程中进入到填料涵内，进一步进入到氧气介质中而产生静电。因此防护阀杆不受灰尘污染, 防止静电火花的产生。使阀杆外露部分与大气隔离。防止灰尘通过梯形螺纹进入到阀杆下部，从而在阀杆转动过程中进入到填料涵内。6.2.7 阀瓣结构宜采用球形面设计，在开启和关闭过程中，阀瓣运行到任何一个位置，都要保 证阀瓣与阀体形成的流道无死角，保证介质没有突然变向流动。阀瓣上有一个防转导杆与阀体上的防转导管相配合，保证阀瓣与阀体只有轴向移动，而不能有相对旋转运动，从而保证介质流动过程中没有静电产生。6.2.8 润滑与标示无论是采用锥齿轮驱动装置的，还是采用手轮驱动的，阀门的阀杆梯形螺纹部分不能用润滑油，要用润滑脂润
15、滑。要在阀门的显眼位置， 标 示出醒目的“禁油”标志。6.3 高温高压氧阀材料的选择6.3.1 阀体/阀杆等材料：ASTM A494 CY-40 ， Inconel600，Inconel718 ， Monel 合金， （以上这些材料应用在高温高压氧气阀门中，作为氧气阀门用材的技术路线，材料的焊接、 热处理等关键技术，都是高温高压氧气阀门研制过程中要解决的实际问题）。6.3.2 密封圈材料：对密封圈的性能要求是密封性好，在高温高压条件下，能够抵抗氧气的腐蚀，容易密封并且不产生静电火花，可采用纯镍 ASTM B164-A Nickel200。其次可选用 Inconel600，Inconel718
16、，Inconel750 等材质制作的波纹管或膜片密封。6.3.3 弹簧材质推荐采用：Inconel750， Inconel6006.4 设计计算可参照相关设计标准或企标的相关规定进行。如 GB/T150，ASME16.34 等。7 氧气阀门及配件、管道的脱脂、清洗纯氧是绝对禁油的，氧化性极强。同 时油脂类在纯氧条件下燃点很低，只需微弱的能量即会点燃，包括静电火花，因此氧阀及其零（部）件要禁油、脱脂。7.1 主要脱脂剂四氯化碳：适用于金属与非金属件的脱脂；有色金属禁止用四氯化碳脱脂。Q/ZF XX-2011 氧气阀门设计与研制注意事项第 5 页 共 17 页质管二氯乙烷：适用于对各种非金属管道和
17、附件的脱脂，不宜对金属类零件脱脂。精馏乙醇：适用于金属材料脱脂，不适用于对非金属材料脱脂。丙 酮：工业酒精：推荐：金属零（部）件用丙酮/工业酒精清洗；非金属件用四 氯化碳清洗。7.2 氧阀清洗、装配、试验工艺流程7.2.1 适用于需作禁油、禁水处理的阀门（也适用于低温阀）等，对清洗、 组装、检查、防护、包装等方面的具体操作提出要求。7.2.2 工艺流程图（如下页）责任人 流程图 内容准备需要清洗的零件前期准备操作者操作者清洗后不立即装配的零件，须 用白绸布遮盖。干净工作台；装配、试压用的工装、辅具、手套、工装用丙酮、酒精清洗干净。注意不允许有碰伤，划伤零（部）件Q/ZF XX-2011 氧气阀
18、门设计与研制注意事项第 6 页 共 17 页操作者用无油压缩空气或氮气吹干不合格不合格合格7.2.3 装配所用工具装配前必须全部脱脂清洁，装配过程中不得随便使用邻近工作区域内的工具。 7.2.4 试验过程中，所用的工装、工具必须专项专用，不得与其它工常规产品混用。其使用的气源、管道及相关夹具等均应禁油禁水，作脱脂处理。禁止与常 规产品的试验器具混用。否则，对气源、管道及相关夹具，在使用前 应进行禁油禁水 处理。7.2.5 各项试验完后，检查阀门表面、流道是否有残留油污。白色绸布擦拭：用洁净的白色绸布擦拭阀门的需检查的部位，应干净、无油污。紫外线灯检查：用紫外线灯光照射表面或阀门内部可照到的区域
19、并确认没有来自残余油迹及污物的紫蓝荧光。若上述检查不合格，应重新处理确保阀门没有被污染。丙酮清洗用干燥、无油空气或氮气吹干检查是否清洗干净装配阀门检查流量孔是否受污染操作者操作者质管质管1.紫光灯检查无残余油及污物反射荧光为合格。2.用白色绸布擦拭清洗零（部）件表面及内腔，绸布应洁净、无油污。3.操作时注意不要让清洗液粘附在皮肤上，更不能让清洗液溅入眼睛内，若不慎溅入眼睛内应立即用清水冲洗，严重者应立即送往医院 。1.组装过程必须佩戴脱过脂的手套，不得用裸露的手去接触零件表面。2.按装配工艺，确保工辅具及手套用丙酮、酒精清洗干净。装配后不立即试压的阀门用白绸布遮盖。3.零件组装期间推荐使用 7
20、805 润滑脂。试压所用工具、测试台、管子、压力表等必须用丙酮、酒精清洗干 净。确保无油脂。试压用的干燥无油的空气或氮气在进测试的阀门之前应加精度不小于 10m 过滤器。在 测试前，用白绸布在测试管口吹压缩空气或氮气，时间不少于 1 分钟，然后检查绸布上是否有油脂。检查阀门外观有无磕碰伤试压操作者操作者不合格1.合格后的阀门封口，开合格 证，真空包装。入库前应用白绸布盖起。2.开合格证时要有明确、醒目的禁油标识。擦洗检查不合格1.阀门外表面无磕碰伤、划痕等2.紫光灯检查要求无残余油及污物反射荧光。3.用白色绸布擦拭阀门表面及及流道，绸布应洁净、无油污。操作者质 管质 管操作者合格不合格金属件酒
21、精清洗非金属件合格开合格证真空包装 入库合格Q/ZF XX-2011 氧气阀门设计与研制注意事项第 7 页 共 17 页7.2.6 记录试验人员应保证操作过程中阀门内部不得有任何污染转入下道工序，并严格按照装配和试验工艺将试验、检测结果填写在记录表中。7.2.7 开合格证、包装、贮存-按照工 艺要求进行开具合格证。对氧阀，在 阀体或 铭牌、合格 证上要有明确、醒目的“禁油”标识；对于低温 阀门要有 “禁油、禁水”标识。同时对 要求“ 禁水”的阀门，流道内或包装贷内应该放入干燥剂。-对氧 阀进行真空包装，合格证放入贷内，同 时包装 贷上要求有“ 禁油”或“禁油、禁水 ”的标识。-阀门应贮 存在干
22、燥禁止油的室内，堆放整齐，不允许露天存放，以防止 损坏和腐蚀。8 安装、操作、维护8.1 安装8.1.1 阀门的安装及安装人员必须严格遵守有关规定，严禁与油类接触8.1.2 阀门的安装位置推荐阀杆垂直向上。8.1.3 阀门安装时，必须使阀体介质流向箭头标志与使介质的流向一致。8.1.4 阀门的安装不能影响阀的密封性，法兰垫片宜采用聚四氟乙烯或聚四氟乙烯金属缠绕式垫片。8.1.5 阀门不能安装在靠近明火和油污的使用点上，并应设在不产生火花的保护外罩内。8.1.6 阀门安装时应有良好的接地装置，法兰端导电螺栓孔要有良好接地，以防静电。8.1.7 对安装大口径的阀门及管道应给予足够的支撑。8.2 操
23、作8.2.1 阀门操作人员所用的工具、工作服、手套等用品及阀门的零部件严禁沾染油脂。8.2.2 开关阀门应缓慢进行，手动操作时，操作人 员应站在阀的侧面，禁止将 阀门作为调节阀使用和操作。8.2.3 对于DN 15。的手动阀门，在开、关前应采取减小主 阀门前后压差的安全措施。8.3 维护8.3.1 阀门应定期进行维护、保养或检测，以保 证阀门的安全性和密封性。8.3.2 阀门的维护、保养，包括修理只应由阀门的制造厂或其他有资格单位来执行。8.3.3 阀门在维护过程中的关键零件应由原制造厂提供或满足原零件的技术要求。附页氧气阀门及管道燃烧爆炸原因及预防措施一：原因分析1. 氧气管道中的铁锈、焊渣
24、及其它杂质与管道内壁摩擦，或与阀板、弯管冲撞以及 这些物质间的相互冲撞，产生高温而燃烧。其危险性与杂质的种类、粒度和氧气流速有直接关系，如：管道中混有氧化铁皮或焊渣，而氧气在弯管中的流速为 44 米每秒时，产生的高温能使管壁烧红。如杂质为焦炭粒而氧气流速为30 米每秒；或杂质为无烟煤而氧气流速为 13 米每秒时，也能使管壁烧红。铁粉的粒度与燃烧温Q/ZF XX-2011 氧气阀门设计与研制注意事项第 8 页 共 17 页度的关系如下表所列：2. 氧气管道及其配件中的油脂、溶剂和橡胶等低熔点的可燃物 质，在高纯度和高压力的氧气流中在局高温下会迅速燃烧，其燃点如下表所示：几种可燃物在氧气中的燃点名
25、称 氧气中的燃点润滑油 273305钢纸垫 304橡胶 130170氟橡胶 474三氯乙烯 392聚四氟乙烯 5073. 绝热压缩产生的高温使可燃烧。氧气管道中阀门前后的压力差很大，例如阀前为 150 大气压，温度 20，阀后为常压（1大气压）。当阀门急骤打开 时， 阀后气体温度根据绝热压缩公式计算可达：T2T1（P2P1） 0.2857142293（1511） 0.28571421228K955式中：T2阀后绝对温度；T1阀前绝对温度；P2 阀前压力；P1 阀后压力；K常数（氧的常数为 1.4）；（K1）K（1.41）1.40.2857142这个温度基本上已接近几种常用金属的熔点。4. 在氧
26、气管道的气流出口或调节阀处会产生静电 。当氧气完全干燥又带有金属微粒或尘埃时能使静电放电，电位差可达 60007000 伏（由于液氧的电阻率比较大，约 1.10X10 的 14 次方，所以液氧系统的设备管道如不接地，也会产生高达数千伏的静电电位，并有放电危险）。5在高压纯氧中，可燃物燃点降低是氧气管道 阀门诱因，其危 险性是非常大的。试验证明，着火的引爆能与压力平方成反比，这些也都对氧气阀门构成极大的威协。二 预防措施1. 焊接氧气管道时，必须将管内氧气排尽，并用氮气置换，当排出的气体中含氧量低于21时方可动火，不要使焊瘤在管道内部突出，并不得将焊渣留在管道时，以免摩擦 发生事故。2. 阀前、
27、阀后、弯管、变径管和三通等部位应采用铜 管或不锈钢管或镍基合金管。3. 弯头不要采用折皱弯管；管接头不得采用有机物填料，填料及法 兰密封垫应采用不易燃烧的石棉、聚四氟乙烯、退火铜片、退火 铝片等；粒度（目） 温度（ ）1020 4212030 4083050 392100 385200 315Q/ZF XX-2011 氧气阀门设计与研制注意事项第 9 页 共 17 页4. 氧气机器加装过滤器，开闭阀门动作要缓慢；5. 液氧管路面在配置时，不要有过多的弯曲 ，尤其是在下弯处，否 则宜造成死角，有使乙炔在此处浓缩和积聚的可能。6. 阀中的毛刺必须要去除干净，严格按 QJ239 标准来进行多余物的控制。7. 氧气管道中最高流速不应超过 GB/T16912-2008 深度冷静冻法生产氧气及相关气体安全技术规程，P23，表 9 相关规定。9建议氧阀使用的非金属材质进行非金属材料在含量氧纯度 99.5%的氧气冲击试验。具体标准可参照 GB10877 附录 B。自由公差标准摘录1.未注尺寸公差2.未注形位公差一 说明本摘录了设计和制造中一般未注公差的线性、角度尺寸和未注形状、位置公差应遵循的国家标准及精度等级。说明：
