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氧阀设计注意事项
研发中心内部资料
Q/ZFXX-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
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。
3参考标准
3.1GB/T16912《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》
3.2IGCDoc13/02/E《OXYGENPIPELINESYSTEMS》
3.3《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。
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、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：
ASTMA182F304，F304L，F316，F316L等；
棒材：
ASTMA276S31600,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，推荐选用1Cr17Ni2
马氏体钢：
ASTMA276：
S41000（1Cr13）,S42000（2Cr13）,S43100（1Cr17Ni2）
等，推荐选用S43100
沉淀硬化钢：
ASTMA276S27400（17-4PH）
双向钢：
ASTMA276S31803，SAF2205
铸件：
ASTMA351CF8，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ASTMB164Monel400,MonelK500，M35-1
ASTMA494CY-40
因康乃尔合金ASTMB164-Ainconel600,inconel625,inconel718
哈氏合金Hasalloyc-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/T21652QSi3-1,QSn4-3,QSn6.5-0.1,QSn6.5-0.4,QSn7-0.2（摘自GB/T1239.6，P655，表2）
彼青铜线：
YS/T571Qbe2（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，ASTMB164-ANickel200也可选用相关材质不锈钢（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：
DN≤150，公称压力：
PN≤40，设计温度：
DT≤150℃，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OP≤2.0MPa,工作温度OT≤120℃,而阀门选用一般原则，此时对应的设计压力DP≤4.0MPa,设计温度DT≤150℃。
对于高温同时高压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。
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，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：
ASTMA494CY-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ASTMB164-ANickel200。
其次可选用Inconel600，Inconel718，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，Inconel600
6.4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。
二氯乙烷：
适用于对各种非金属管道和附件的脱脂，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
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。
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度的关系如下表所列：
粒度（目）
温度（℃）
10－20
421
20－30
408
30－50
392
100
385
200
315
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
名称
氧气中的燃点℃
润滑油
273－305
钢纸垫
304
橡胶
130－170
氟橡胶
474
三氯乙烯
392
聚四氟乙烯
507
3.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：
T2＝T1（P2÷P1）0.2857142＝293（151÷1）0.2857142＝1228K＝955℃
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）；
（K－1）÷K＝（1.4－1）÷1.4＝0.2857142
这个温度基本上已接近几种常用金属的熔点。
4.在氧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6000－7000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、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；
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：
A图纸或规范已有未注公差规定的，按图纸或规范的要求执行；
B标准紧固件或公司设计的非标准紧固件，未注公差按GB3103.1B级（螺栓、螺钉、螺柱、螺母）和GB3103.3B级（平垫圈）执行；
二主要参考标准
GB/T1804-2000《一般公差未注公差的线性和角度尺寸的公差》
GB/T1184-1996《形状和位置公差未注公差值》......
三一般未注公差尺寸的公差
1.尺寸公差
公司产品图纸上一般未注公差尺寸的公差，按GB/T1804的规定选择，本标准规定本公司执行未注公差尺寸的公差等级为中等m级。
表1线性尺寸的极限偏差数值（mm）
基本尺寸分段
公差带
0.5～3
>3～6
>6～30
>30～120
>120～400
>400～1000
>1000～2000
>2000～4000
中等
±0.1
±0.1
±0.2
±0.3
±0.5
±0.8
±1.2
±2
表2倒圆半径和倒角高度尺寸的极限偏差数值（mm）
基本尺寸分段
公差带
0.5～3
>3～6
>6～30
>30
中等m
±0.2
±0.5
±1
±2
表3角度尺寸的极限偏差数值，其值按角度短边长度确定，对圆锥角按圆锥素线长
度确定。
长度分段，mm
公差带
≤10
>10～50
>50～120
>120～400
>400
中等
±1°
±30’
±20’
±10’
±5’
2.形位公差
产品图纸上形状和位置的未注公差值，可参照GB/T1184的规定执行，具体规定可按如下要求如下：
2.1直线度、平面度
执行公差等级为H级，表4给出了直线度和平面度的未注公差值。
选择公差值时，对于直线度应按其相应线的长度选择；对于平面度应按其表面的较长一侧或圆表面的直径选择。
表4直线度和平面度的未注公差值（mm）
基本长度范围
公差等级
≤10
>10~30
>30~100
>100~300
>300~1000
>1000~3000
H
0.02
0.05
0.1
0.2
0.3
0.4
2.2圆度
圆度的未注公差值等于标准的直径公差值，但不能大于表7中规定的径向圆跳动值。
2.3圆柱度
圆柱度的未注公差值不做规定，但应遵循下列原则：
A圆柱度误差由三个部分组成：
圆度、直线度和相对素线的平行度，而其中每一项误差均
由它们的注出公差或未注公差控制。
B如因功能要求，圆柱度应小于圆度、直线度和平行度的未注公差的综合结果，应在被测要
素上按GB/T1182的规定注出圆柱度公差值。
C采用包容要求。
2.4平行度
平行度的未注公差值等于给出的尺寸公差值，或是直线度和平面度未注公差值中的相应公差
值取较大者。
应取两要素中的较长者作为基准，若两要素的长度相等则可选任一要素为基准。
2.5垂直度
执行公差等级为H级，表5给出了垂直度的未注公差值。
应取形成直角的两边中较
长一边作为基准，较短的一边作为被测要素；若两边的长度相等则可取其中任意一边为基准。
表5垂直度未注公差值（mm）
基本长度范围
公差等级
≤100
>100~300
>300~1000
>1000~3000
H
0.2
0.3
0.4
0.5
2.6对称度
执行公差等级为H级，表6给出了对称度的未注公差值。
应取两要素中的较长者作
为基准，若两要素的长度相等则可选任一要素为基准。
注意，对称度的未注公差值用于至少两个要素中的一个是中心平面，或两个要素的轴线相互垂直。
表6对称度未注公差值（mm）
基本长度范围
公差等级
≤100
>100~300
>300~1000
>1000~3000
H
0.5
2.7同轴度
同轴度的未注公差值应小于或等于表7中规定的径向圆跳动的未注公差值。
应取两要素中
的较长者作为基准，若两要素的长度相等则可选任一要素为基准。
2.8圆跳动
执行公差等级为H级，表7给出了圆跳动（径向、端面和斜向）的未注公差值。
对
于圆跳动的未注公差值，应以设计或工艺给出的支承面作为基准，否则应取两要素中的较长者作为基准，若两要素的长度相等则可选任一要素为基准。
表7圆跳动未注公差值（mm）
公差等级
圆跳动公差值
H
0.1
3.图纸公差加工要求：
尽可能按公差中间值作为目标加工尺寸。
4.未尽事宜按GB/T1804、GB/T1184、GB/T6414规定执行
常用用材质摘录
ASTMA276304L棒材
1．制造方法
材料经过热轧后必须进行热处理，水锈、氧化皮必须通过酸洗或移除材料的方法去除。
2．化学成份
1）必须进行取样分析
2）化学成份必须符合下表一规定：
（%）（表一）
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Max:
0.03
Max:
1.00
Max:
2.00
Max:
0.045
Max:
0.030
Max:
20.00
Min:
18.00
Max:
11.0
Min:
8.00
3．机械性能
1）屈服强度以0.2%的范围标定。
2）强度符合表二强度规定。
（表二）
бs≥205MPa
бb≥515MPa
δ≥40%
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