氧氣管道系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比分析及實(shí)踐研究
轉(zhuǎn)載:安工智享
隨著我國化工行業(yè)的不斷發(fā)展,化工產(chǎn)品的不斷優(yōu)化,氧氣的使用越來越廣泛。但是在氧氣生產(chǎn)、供應(yīng)特別是輸送氧氣管線系統(tǒng)中,經(jīng)常發(fā)生安全事故,造成設(shè)備損壞和人身傷亡,相關(guān)事故教訓(xùn)極其慘痛。為此,在華外企安全專家組秘書處邀請(qǐng)成員單位液化空氣集團(tuán)(以下簡(jiǎn)稱“液空”)專家對(duì)氧氣管道安全設(shè)計(jì)、生產(chǎn)等國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析,并結(jié)合管理經(jīng)驗(yàn)提出更符合安全要求的工程實(shí)踐建議。
1 液化空氣集團(tuán)央企管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)、管理特點(diǎn)
液空的氧氣管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)是以風(fēng)險(xiǎn)控制為基準(zhǔn),從可能性及嚴(yán)重性二個(gè)維度進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理與控制。
液空風(fēng)險(xiǎn)矩陣(圖1)以GB36894-2018《危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)裝置和儲(chǔ)存設(shè)施風(fēng)險(xiǎn)基準(zhǔn)》為基礎(chǔ),作為主要?dú)W洲氣體協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)參與和編寫者,風(fēng)險(xiǎn)矩陣又系統(tǒng)地應(yīng)用和參考了歐洲氣體協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IGC文件要求,具體根據(jù)燃燒三要素(圖2),對(duì)氧氣管道的系統(tǒng)及每個(gè)元件逐一進(jìn)行燃爆可能性與嚴(yán)重性分析,將氧氣燃燒爆炸的風(fēng)險(xiǎn)控制在低風(fēng)險(xiǎn)綠色區(qū)域。
降低可能性
氧化劑:從工藝上考慮,盡可能降低燃燒三要素中的氧化劑的氧濃度,壓力,溫度或速度。
可燃物:盡量除去系統(tǒng)中的油脂顆粒污染物等等,保持清潔。不得使用潤(rùn)滑油,不用或少用潤(rùn)滑脂,不用或少用非金屬材料,采用金屬材料時(shí),避免小和薄的零件,一定條件下,采用阻燃材料。
點(diǎn)火源:每種點(diǎn)火源都需要一定的條件,因此對(duì)點(diǎn)火源,應(yīng)當(dāng)控制或去除各個(gè)點(diǎn)火機(jī)理的點(diǎn)火條件。
舉例說明:顆粒沖擊被認(rèn)為是氣氧燃爆事故的主要原因之一。顆粒沖擊需要四個(gè)條件:顆粒物存在,高流速,沖擊角及沖擊點(diǎn)上的可燃物,如果能夠去除顆?;蚪档土魉?,就有很大的可能性控制顆粒沖擊這個(gè)燃燒機(jī)理。
降低嚴(yán)重性
采用自動(dòng)或無人操作,安裝防護(hù)罩或墻,設(shè)置對(duì)人的安全距離或?qū)υO(shè)備財(cái)產(chǎn)的分離距離。
說明:人與物對(duì)爆炸沖擊波及熱輻射等的承受能力不一樣,因此設(shè)置的防護(hù)距離不一樣:比如沖擊波人最大只能承受是20mbar,設(shè)備可以到達(dá)200mbar以下;而熱輻射也同樣。
2 風(fēng)險(xiǎn)分析研究及建議
針對(duì)國內(nèi)氧氣管道設(shè)計(jì),安裝和運(yùn)行中存在的問題,通過分析研究,液化空氣集團(tuán)專家提出如下建議:
一個(gè)顆粒雜質(zhì)集聚的典型案例(圖3):
如上圖3所示,當(dāng)空分1氣氧停止運(yùn)行,其他系統(tǒng)代替它供氧期間,比如空分2氣氧或后備系統(tǒng)氣氧管道投用時(shí),空分1的氣氧管道的低點(diǎn)可能成為其他系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的顆粒雜質(zhì)集聚點(diǎn)。當(dāng)一段時(shí)間運(yùn)行后,空分1氣氧管道再度投用時(shí),顆粒沖擊的風(fēng)險(xiǎn)就非常高。
顆粒沖擊是氣氧中最大可能的燃爆機(jī)理,安裝維護(hù)中雖然嚴(yán)格進(jìn)行清潔及吹掃,實(shí)際管道系統(tǒng)中不可避免地存在或會(huì)產(chǎn)生顆粒雜質(zhì)。因此,設(shè)計(jì)及安裝中應(yīng)當(dāng)避免顆粒雜質(zhì)集聚的低點(diǎn)盲端。
1963年德國材料試驗(yàn)所W-Wegener的《氧氣在鋼管中容許流速的研究》報(bào)告中指出,通過不同物質(zhì)在不同流速的氧氣流中進(jìn)行多次著火燃燒試驗(yàn),當(dāng)氧氣管道中只有不可燃燒物質(zhì)顆粒時(shí),即便是在比較高的氧氣流速,管道也沒有燃燒的危險(xiǎn)。但有可燃物質(zhì)顆粒時(shí),只要達(dá)到一定流速,管道就可能燃燒??扇嘉镔|(zhì)的著火點(diǎn)愈低,引起氧氣管道燃燒的氧氣流速愈低。
氣氧流速控制主要是為了控制與流速相關(guān)的燃爆機(jī)理,而與流速相關(guān)的僅僅或主要是顆粒沖擊這個(gè)機(jī)理。因此,控制流速對(duì)于控制顆粒沖擊這一氣氧燃爆機(jī)理也至關(guān)重要。
國外有大量的工程實(shí)踐證明,碳鋼管道可以用于壓力高于3.0MPa的氣氧管道中,特別是長(zhǎng)輸管道。因?yàn)槭锹竦毓艿?,不銹鋼的外腐蝕防護(hù)沒有可鑒戒的經(jīng)驗(yàn)。雖然碳鋼與不銹鋼存在不少差異,如碳鋼生銹的情況下內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生顆粒,而不銹鋼一般情況下不會(huì),但是長(zhǎng)期在氧工況運(yùn)行的情況下,二者差別并不大。并且,不銹鋼與碳鋼相比,燃燒性能并沒有什么優(yōu)勢(shì),如燃燒熱,導(dǎo)熱系數(shù)等,不銹鋼的性能反而更差。液空通過大量實(shí)驗(yàn)證實(shí),不銹鋼對(duì)于氣氧沒有明顯的豁免壓力。
因此,建議修訂國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,允許碳鋼使用于大于3.0MPa的氣氧管道。
由于存在防護(hù)墻或罩的防護(hù),氣氧燃爆風(fēng)險(xiǎn)從風(fēng)險(xiǎn)矩陣上研究有可能已經(jīng)達(dá)到了可接受的范圍。因此,存在防護(hù)墻或罩的情況下,對(duì)流速的限制可以局部放寬。
非金屬材料相對(duì)金屬材料來說,與氧的兼容性更差,更容易在氣氧中被點(diǎn)燃,因此它的選擇也是氣氧管道系統(tǒng)中的重要議題。
非金屬主要用于墊片,閥座,螺紋潤(rùn)滑劑,螺紋密封件,閥填料以及類似的應(yīng)用場(chǎng)合。非金屬材料是點(diǎn)火鏈燃燒機(jī)理中的罪魁禍?zhǔn)?。點(diǎn)火鏈的燃燒機(jī)理是,燃燒首先從小的或容易燃燒的物質(zhì)開始,如小能量點(diǎn)燃油或脂,然后燃燒放出的熱量,點(diǎn)燃非金屬材料,然后點(diǎn)燃小的或薄的金屬材料,然后點(diǎn)燃大的金屬材料。純非金屬材料的氧兼容性能眾所共知,如純聚四氟乙烯,純石墨等與氧的兼容性都很好,但問題是純的材料在可靠性方面存在缺陷,如純聚四氟乙烯用作墊片,一般大概率會(huì)泄漏,石墨也存在同樣問題。
因此,一般工程實(shí)踐中使用添加其他材料或改性的非金屬材料需要提供相關(guān)氧兼容性的測(cè)試證明。氧兼容性測(cè)試項(xiàng)目?jī)?nèi)容對(duì)氣氧來說主要是高壓純氣氧條件下的自燃溫度,而這些測(cè)試需要行業(yè)內(nèi)認(rèn)可的實(shí)驗(yàn)室,采用ISO 11114-3、EN 1797 或 ASTM D2512 的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試。
“氣體排放”主要指空分設(shè)備的富氧氣體(氧氣)排放,以及窒息氣體(氮?dú)猓瑲鍤猓┡欧?。排放富氧氣體存在增加燃燒可能性風(fēng)險(xiǎn),而且其中含有的窒息氣體也會(huì)危及人身安全。目前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范雖然涉及到最小高度的要求,但是沒有考慮到相關(guān)參數(shù)的影響,存在不合理因素,如沒有考慮風(fēng)向,排放溫度,排放比重,排放直徑,平臺(tái),氣象條件等?,F(xiàn)行的國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于氣體排放的最小高度是4米或4.5米,可能存在排放高度不夠或過高的風(fēng)險(xiǎn)。比如,氧氣排放云團(tuán)一般會(huì)向下沉降(圖4),在4.5米的排放高度,大于50mm口徑的排放速度比較低,按照PHAST軟件模擬,排放高度不夠;而氮?dú)庠茍F(tuán)會(huì)往上升,4.0米的高度又有點(diǎn)過高。
因此,排放高度需要考慮以上各個(gè)因素,通過排放氣體擴(kuò)散計(jì)算確定,并且制定相關(guān)國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
3 國內(nèi)外工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)比及修改建議