1 概述
在冶金、石化、煤化工、医疗、航空航天工业系统管道中，经常需要使用氧气。由于氧气是一种助燃性气体，一旦与可燃性物质发生反应，就能发出火焰或光，产生燃爆事故。因此，氧气是一种非常危险的介质，为避免氧气管道用球阀产生燃爆事故，针对球阀的材料选用、结构设计、禁油脱脂处理、检验与试验等方面都有着严格的要求，以保证氧气管道的安全运行。
2 材料选用
亚州工业气体协会标准AIGA 021/05，介绍了氧气管道系统金属材料和非金属材料的选用规则。AIGA 021/05规定的豁免材料，涵盖了黄铜合金、钴合金、铜合金、铜镍合金、铸造和锻造奥氏体不锈钢、镍基合金，锡青铜。AIGA 021/05相比JB/T12955标准更加详细，可作为氧气管道用球阀材料选用准则。
2.1 主体材料
氧气管道用球阀主体材料的选用，应重点考虑工作压力、工作温度、材料的阻燃性能、氧气纯度和流速。首选不氧化、不锈蚀，含碳量低的材料(高压氧会与钢中的碳摩擦产生热量，在纯氧环境中极易发生燃烧)。
镍基合金通常含有50%以上的镍，镍和铜都是阻燃性比较好的材料，当镍和铜组合在一起时，组合含量越高，合金的阻燃性越强。因此Monel 400、Monel K500在含镍量63%的基础上，又含有30%左右的铜，比Inconel 600、Inconel 625阻燃性更好。采用青铜合金材料应注意最大铝含量为2.5%。
用于低压氧气管道球阀的主体材料常用奥氏体不锈钢和铜合金；奥氏体不锈钢材料一般采用304、316、304L、316L 系列,铜合金材料一般采用16-4硅黄铜，铸件牌号GB/T12225 ZCuZn16Si4。用于高压氧气管道球阀的主体材料常用Inconel 600、Inconel 625、Monel 400、Monel K500等。
球阀的压力-流速限制是为了防止和减少氧气的湍流撞击，以及防止管道内有颗料杂质的撞击。应根据阀内流速，充分考虑摩擦、静电及非金属引燃、可能的污染物(碳素钢表面锈蚀)等因素，严格控制材质选择。
球阀体内的流速应不高于氧气管道流速的限制，不同材料管道的氧气流速限制按表1的规定。当球阀流道内的流速超过表1规定的范围时，主体材料应选用相应工作压力下的豁免材料，豁免材料的豁免压力及厚度要求可参考AIGA 021/05 附录D的规定。
豁免压力是指在有微粒冲击可能发生的富氧中，某种合金材料不用考虑氧气流速限制的最大压力值。
豁免材料是指在确定的压力限制、材料厚度和氧气纯度的情况下，可不受氧气流速限制的工程合金材料。
表1 碳钢与奥氏体不锈钢材料管道
2.2 密封垫片
密封垫片应根据氧气工作压力选用，工作压力不大于3MPa时，可以根据温度要求选用PTFE、无脂石墨复合垫片；工作压力大于3MPa时，应选用不锈钢缠绕垫片或非铁基合金垫片。
2.3 填料
填料应根据氧气工作压力及可能存在的绝热压缩选用PTFE或无脂柔性石墨，或非铁基合金丝与无脂柔性石墨的组合。高压氧气工况建议采用组合填料，填料第一层和顶层采用非铁基合金丝+无脂编织石墨，中间层采用非铁基合金丝+无脂柔性石墨。
2.4 O型圈
O型圈属于弹性体材料，适用于氧气工况的常用Kalrez、Viton、Fluorel，设计压力大于10MPa以上必须使用防爆型。
2.5 密封副
软密封球阀阀座密封圈，可采用氧气兼容性比较好的材料，常用PTFE、FEP、PCTFE；用于高压氧气工况密封副必须采用金属对金属密封，为防止球体与阀座密封面咬伤，两个密封面之间要有硬度差，一般球体密封面硬度要高于阀座密封面硬度，并且两个密封面材料之间宜有不小于50HBW左右的硬度差。
根据JB/T12955标准要求，金属密封面可以选择堆焊钴基或镍基合金，堆焊层在加工后的厚度应不小于2mm。钴基合金和镍基合金的阻燃性能差不多。
密封面粗糙度对密封的性能影响较大。软密封球阀的球体密封面粗糙度建议Ra≤0.4μm，硬密封球阀的球体和阀座密封面粗糙度建议Ra≤0.1μm。
2.6 润滑脂
润滑脂应采用耐高温、耐低温、不易燃烧的氟化脂润滑剂。如果采用卤化三氟氯乙烯（CTFE）液体润滑脂，应限制用于干燥气体用途中，因为它们允许水份渗透到油膜中从而引起严重腐蚀。
3 结构设计
氧气管道用球阀内部通道和过流部件应光滑、无锐边、无毛刺，零件的边缘应倒圆角处理，并尽量减少凹陷和凸起，防止氧气撞击燃烧。
3.1避免绝热压缩
由于球阀是依靠球体绕阀杆的轴线旋转90度，达到启闭状态，在启闭过程中，球体和阀座始终贴合在一起摩擦，如果快速开关，就会引起绝热压缩，产生事故。为了避免绝热压缩的情况发生，本文提出三个解决方案：
1.球阀操作装置不允许使用快速启闭形式，应配备蜗轮减速装置以确保其缓慢打开，避免氧气流速的突然变化产生绝热压缩的问题；
2.在球体上增加一个压力平衡孔，使得阀体内部通道与中腔相贯通，从而使通道与中腔内部压力保持平衡，保证球阀启闭过程中避免流速过快，温升过高，形成绝热压缩；
3.配备旁通阀，开启主阀时先开启旁通阀，平衡上游、阀门中腔、下游管道压力，当主阀开启时，上游和下游管道压力一致，避免了绝热压缩的发生。
3.2 结构
氧气管道用球阀有两种结构，一种是浮动式球阀（图1），另一种是固定式球阀（图2）。
图1 浮动式球阀
图2 固定式球阀
浮动式球阀适用于小口径，工作压力低的工况。
固定式球阀适用于中大口径，工作压力无论高低都可以采用。
为了防止粉尘和油污进入填料部位，浮动式和固定式球阀，在填料与操作手柄或驱动装置之间要设置防尘罩，并且能起密封作用。防尘罩与支架之间应有一道密封垫片，防止粉尘和油污进入填料部位。
3.3 球体
由于空心球体内部都是拼焊而成，焊接应力集中，同时壁厚较薄，安全隐患比较大，因此在氧气工况禁止使用空心球体，球体必须采用实心球体。球体的圆度、同轴度、圆跳动等形位公差应符合GB/T26147的规定。对于高压氧气工况用球体，为防止球体变形，应作有限元分析应力场并对变形量进行优化设计。
3.4 防静电功能
（1）阀门内部防静电：为了消除阀门在操作时，零部件不同材料摩擦带来的静电隐患，必须要有防静电装置。为此可以在阀杆上增设小弹簧和小钢球，利用阀杆上小弹簧的预紧力促使小钢球与球体、阀体紧密接触，保证球体、阀杆和阀体之间能导静电。
（2）阀门外部防静电：在阀门的进、出口法兰上应有导电接地螺栓，螺栓尺寸为M6～M10。
4 特殊处理
4.1 脱脂
由于氧气和油脂接触会引起燃烧，从而导致爆炸事故，因此氧气管路用球阀零部件、装配工装和工具都要进行脱脂处理。脱脂方法应按HG20202的规定。
金属材料宜采用三氯化二乙烯、二氯乙烷、三氯乙烯、丙酮、酒精或其它无机非可燃清洗剂等脱脂溶剂，也可采用超声波方法脱脂。
金属材料零件宜采用加温脱脂，清洗液温60℃～90℃，一般钢制件不低于80℃，有色金属一般在70℃～80℃之间，要求常加搅拌，浸渍时间1h，擦拭采用白色非棉制布。
PTFE类非金属材料零件（阀座密封圈、填料、中道垫片）宜采用常温脱脂，浸入脱脂剂内1.5～2h。取出后应晾干，直到无脱脂剂气味为止。
4.2 禁油
为了防止外部油脂与填料等内件接触，氧气管道用球阀必须要有禁油装置，主要措施是在填料与操作手柄或驱动装置之间设置防尘罩，并且在防尘罩面板上对“禁油”两字作永久性红色标识。