氫氣氣瓶充裝的技術(shù)及安全

孫 猛，李荷慶，金向華

(蘇州金宏氣體股份有限公司，江蘇 蘇州 215152)

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·安全技術(shù)·

氫氣氣瓶充裝的技術(shù)及安全

孫 猛，李荷慶，金向華

(蘇州金宏氣體股份有限公司，江蘇 蘇州 215152)

氫氣是主要的工業(yè)原料，也是最重要的工業(yè)氣體和特種氣體，但是氫氣也是易燃易爆的氣體，容易引發(fā)事故。綜述了氫氣氣瓶充裝過程中的操作流程和氫氣充裝過程中的危險性分析。最后，對氫氣充瓶過程中易出現(xiàn)的事故及原因、出現(xiàn)事故后的處置技術(shù)、出現(xiàn)事故前的預(yù)防措施等三方面加以闡述。

氫氣；技術(shù)規(guī)范；危險性；氣瓶充裝

0 引 言

氫氣在工業(yè)中有廣泛用途。應(yīng)用量最大的是作為一種重要的石油化工原料，用于生產(chǎn)合成氨、甲醇以及石油煉制過程的加氫反應(yīng)。 還大量運用于電子工業(yè)、冶金工業(yè)、食品工業(yè)、浮法玻璃、精細有機合成航空航天工業(yè)等領(lǐng)域。

并且，將來氫氣還是人類最清潔且永恒的能源之一。世界能源的構(gòu)成經(jīng)歷了從固化(柴、煤、核子)、液化(石油)、到氣化(天然氣、氫氣)的進程，其中的碳氫比重一路下降：90%(柴)、60%(煤)、30%(石油)、20%(天然氣)、0%(氫氣)，氫的含量越來越高，而碳的含量則越來越低。隨著世界能源的緊缺及對環(huán)保問題的重視，氫氣作為高能量的載體，越來越受到世界的關(guān)注。

但是，氫氣極易燃，與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱或明火即發(fā)生爆炸。并且比空氣輕，在室內(nèi)使用和儲存時，漏氣上升滯留屋頂不易排出，遇火星會引起爆炸。在空氣中燃燒時，火焰呈藍色，不易被發(fā)現(xiàn)。所以，氫氣在制備、儲存、使用過程中的安全必須要重視，需要對氫氣充裝過程的操作流程、對出現(xiàn)事故后的應(yīng)急處理進行統(tǒng)一規(guī)范。

1 氫氣氣瓶充裝操作流程

1.1 充裝前檢查

為了確保充裝安全，充裝前應(yīng)該檢查下列內(nèi)容：

1.氣瓶是否有綠色可充裝標識，若符合可充裝氣瓶要求，黏貼綠色可充裝標識。

2.氣瓶外表面的顏色標記是否與所充裝的氣體規(guī)定標記相符合，漆色是否良好。

3.氣瓶外表有無損傷和油脂等。

4.檢查集裝格除主閥外的所有分瓶閥是否打開。

5.氣瓶內(nèi)有無剩余壓力，無余氣和檢驗維修后以及新投用的氣瓶，需進行置換處理。

1.2 氣瓶充裝

1.檢查充裝匯流排進氣總管是否有壓力，若壓力表顯示為零，則按檢修程序操作；

2.檢查充裝軟管是否符合要求；

3.將氣瓶的接地線連接好；

4.在每一個托盤或集裝格上懸掛“軟管已連接”標識牌；

5.利用匯流排內(nèi)的壓力進行本組軟管置換；

6.當(dāng)氣瓶充灌壓力達到5 MPa時，及時摸冷瓶，發(fā)現(xiàn)冷瓶及時處理，超過5 MPa時發(fā)現(xiàn)冷瓶應(yīng)停止該瓶的充裝，待其余氣瓶充裝結(jié)束后處理；

7.對連接處等進行檢漏(檢漏壓力點為1 MPa、5 MPa 、10 MPa 、15 MPa)；

8.氣瓶充裝至規(guī)定壓力時，即可關(guān)閉充裝閥；

9.關(guān)閉主充裝閥，釋放匯流排內(nèi)壓力至常壓。

1.3 充裝后檢查

1.對氣瓶上的各接口用檢漏液進行檢漏；

2.檢查/張貼警示標識，將氣瓶移到待分析區(qū)域；

3.進行分析檢測。

2 氫氣充裝系統(tǒng)危險性分析

2.1 制氫充裝過程中的危險性分析

氫氣充裝系統(tǒng)未設(shè)置相應(yīng)的安全裝置(如超壓泄放用安全閥、分組切斷閥、壓力顯示儀表、氫氣回流閥、吹掃放空閥、氫氣放空管接至室外安全處設(shè)施等)，引發(fā)的超壓爆炸事故。

未設(shè)置氫氣回流閥，使氫氣回流至氫氣壓縮機前管路或氫氣緩沖罐。

未設(shè)置氣瓶內(nèi)余氣及含氧量測試儀表及氮氣置換吹掃系統(tǒng)。

未設(shè)置超壓泄放用安全閥，造成充裝超壓、超量。

充裝流速超過限度值,充裝管破裂、瓶閥等泄漏。

沒有設(shè)置符合安全技術(shù)要求的防雷、防靜電設(shè)施、可燃氣體泄漏報警等措施。

氣瓶未有效固定發(fā)生倒瓶事故造成瓶嘴漏氣。

2.2 生產(chǎn)環(huán)境的危險性分析

在氫氣生產(chǎn)過程中，其生產(chǎn)環(huán)境可能引發(fā)下列危險：

1.作業(yè)區(qū)域環(huán)境通風(fēng)不良，若有易燃易爆氣體泄漏，遇火源、高溫會引發(fā)爆炸、燃燒事故。

2.違章用火、明火、可能產(chǎn)生火花的工具撞擊產(chǎn)生火花引發(fā)火災(zāi)、爆炸危險。

3.生產(chǎn)防火防爆技術(shù)措施不當(dāng)、地坪未采用不發(fā)火材料、使用非防爆電器儀表等引發(fā)的火災(zāi)爆炸事故。

4.在易燃易爆環(huán)境中產(chǎn)生爆炸必須同時存在下列條件：

1)可燃氣體、易燃液體的蒸氣或薄霧其濃度在爆炸極限以內(nèi)；

2)在足以點燃爆炸性氣體混合物的火花電弧或高溫。

5.天然氣制氫裝置設(shè)備、管道泄漏，造成一氧化碳和二氧化碳的滲漏，引發(fā)中毒窒息事故。

6.作業(yè)人員上崗時未穿戴防靜電、阻燃的工作服和防靜電工作鞋造成靜電火花引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。

2.3 壓力容器的危險性分析

壓力容器的最薄弱處，由于強度不夠，在受壓下發(fā)生破裂；同時容器內(nèi)的介質(zhì)形成強大的沖擊波，引起爆炸摧毀廠房設(shè)備，處在爆炸中心的人員將造成嚴重傷亡。

1.壓力容器可能發(fā)生爆炸的過程:壓力容器強度不夠，在受壓下發(fā)生破裂；即一定壓力下的危險物質(zhì)從破口處急速沖出來，形成強大的沖擊波，引起爆炸摧毀廠房設(shè)備，處在爆炸中心的人員將造成嚴重傷亡。

2.壓力容器裂紋危險性：壓力容器受壓部件在使用中由于各種原因產(chǎn)生各種裂紋，稱裂紋事故。因為裂紋的發(fā)展速度很快，如不及時采取有效措施，就會導(dǎo)致容器重大事故或爆炸事故的發(fā)生。

3.爆炸危害:壓力容器爆炸是重大惡性事故，不但容器本身毀壞，還會波及周圍的設(shè)備及建筑物，并造成人員傷亡，后果不堪設(shè)想，其危害十分嚴重，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1)沖擊波的危害：容器爆炸時氣體爆炸的能量除很少部分消耗于進一步撕裂容器或?qū)⑺槠瑨伋鐾猓蟛糠之a(chǎn)生沖擊，除直接傷人外還能摧毀波及范圍內(nèi)的其他設(shè)備或建筑物；

2)碎片的危害：壓力容器爆炸后的碎片或部件以很高速度飛出會直接毀壞其他設(shè)備、建筑物或致人傷亡；

3)介質(zhì)毒性的危害：盛裝一定毒性介質(zhì)的壓力容器爆炸時，因介質(zhì)外泄、擴散，造成周圍環(huán)境污染和人員中毒傷亡；

4)二次爆炸：盛裝易燃介質(zhì)的壓力容器爆炸時，由于介質(zhì)外泄，并因靜電或遇明火等會造成二次爆炸惡性事故。

2.4 壓力管道危險性分析

壓力管道安裝、檢測、氣密性試驗、質(zhì)量等不符合要求易造成泄漏、破裂，引起火災(zāi)爆炸事故發(fā)生。

氫脆的危險性，氫脆現(xiàn)象是在高應(yīng)力和氫氣的聯(lián)合作用下發(fā)生的一種脆性破壞，使金屬延性和韌性降低，甚至產(chǎn)生裂紋。高溫、高壓下鋼與氫氣接觸易產(chǎn)生氫脆和氫腐蝕，這是加氫反應(yīng)器及管道泄漏以致于出現(xiàn)損壞的重要原因之一。

2.5 氣瓶存放危險性分析

氫氣鋼瓶存放，其危險、有害因素情況分析如下：

氫氣極易泄漏。因此氫氣鋼瓶在儲存過程中一旦泄漏，將與空氣混合后形成爆炸性混合物，當(dāng)達到一定爆炸濃度范圍，遇明火、電火花、靜電火花或極小的點火能量可能引起火災(zāi)和爆炸等事故。

氫氣儲存過程中稍有不慎就會造成爆炸和火災(zāi)事故，同時超壓、物體打擊、雷擊產(chǎn)生火花等事故也會引起火災(zāi)危險性。

氣瓶在運輸、搬運過程中遇到猛烈撞擊和震動、瓶體及附件質(zhì)量不良、高溫、充裝過度等原因造成瓶內(nèi)氣體超壓，瓶體發(fā)生爆炸破裂，造成人員傷亡事故。

氣瓶在運輸裝卸過程中發(fā)生事故也是常見的。因為氣瓶容易受到震動或沖擊，如果氣瓶超壓或氣瓶本身存在一些缺陷，在這種情況下就更容易發(fā)生事故，有時候會使氣瓶發(fā)生粉碎性爆炸。

各種火源、火種、火花(如運輸車輛未戴尾氣阻火器、使用產(chǎn)生火花的工具)等引起的火災(zāi)爆炸危險。

夏季高溫期間，充裝車間未設(shè)置或冷卻降溫系統(tǒng)發(fā)生故障造成庫溫高而引發(fā)的事故。

建筑防火、防爆未達到設(shè)防要求，如電器沒有采取防爆措施，通風(fēng)換氣設(shè)施缺失或失修等原因，極易導(dǎo)致火災(zāi)爆炸的危險。

建筑防火等級，與其它產(chǎn)生明火的建筑、場所之間的間距不符合防火規(guī)范要求，導(dǎo)致的事故隱患。

3 氫氣充瓶的應(yīng)急處置技術(shù)規(guī)范

3.1 易出現(xiàn)的事故及原因

1.氫氣充裝過程中，由于氫氣為易燃氣體，氫氣壓縮過程若因操作不慎，壓縮機進口壓力降低以致吸入空氣，形成爆炸混合氣，將可能造成嚴重的火災(zāi)爆炸、傷亡事故。

2.氫氣輕，在充裝、鋼瓶儲存過程中，一旦泄漏并上升滯留室內(nèi)屋頂不易排出，遇火星、火源等會引起爆炸。

3.管道內(nèi)流動流速過大，與管壁摩擦增強，特別是管道內(nèi)含有鐵銹雜質(zhì)時，形成火花引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故。

4.輸送過程中因超壓引起管道、管件等發(fā)生破裂、損壞而造成易燃易爆氣體泄漏，可能發(fā)生火災(zāi)、爆炸等事故。

5.氫氣在管道內(nèi)流速超過其極限速度、無防靜電措施或效果達不到要求均會引起火災(zāi)、爆炸事故的發(fā)生。

6.氫氣放空管未設(shè)置阻火裝置引起的燃燒或放空速度太快導(dǎo)致靜電積聚引起火花而燃燒。由于氫氣比重僅為0.069(空氣為1)，若系統(tǒng)的最高點或氫氣罐的最高點未設(shè)放空管，檢修維修前未用氮氣進行吹掃、系統(tǒng)置換，極易引起系統(tǒng)內(nèi)氫氣爆炸事故。

7.氫氣充裝系統(tǒng)未設(shè)置相應(yīng)的安全裝置(如超壓泄放用安全閥、分組切斷閥、壓力顯示儀表、氫氣回流閥、吹掃放空閥、氫氣放空管接至室外安全處設(shè)施等)，引發(fā)的超壓爆炸事故。

8.未設(shè)置氫氣回流閥，使氫氣回流至氫氣壓縮機前管路或氫氣緩沖罐，引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故。

9.未設(shè)置氣瓶內(nèi)余氣及含氧量測試儀表及氮氣置換吹掃系統(tǒng)，引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故。

10.未設(shè)置超壓泄放用安全閥，造成充裝超壓、超量，引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故。

11.沒有設(shè)置符合安全技術(shù)要求的防雷、靜電設(shè)施、可燃氣體泄漏報警等措施，引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故。

12.氣瓶未有效固定發(fā)生倒瓶事故造成瓶嘴漏氣，引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故。

3.2 出現(xiàn)事故后的處置技術(shù)

1.滅火

切斷氣源。若不能立即切斷氣源，則不允許熄滅正在燃燒的氣體。噴水冷卻容器，可能的話將容器從火場移至空曠處。噴霧狀水、二氧化碳。

2.處理泄漏

迅速撤離泄漏污染區(qū)人員至上風(fēng)處，并隔離直至氣體散盡，切斷火源。建議應(yīng)急處理人員戴自給式呼吸器，穿一般消防防護服。切斷氣源，抽排(室內(nèi))或強力通風(fēng)(室外)。如有可能，將漏出氣用排風(fēng)機送至空曠地方或裝設(shè)適當(dāng)噴頭燒掉。漏氣容器不能再用，且要經(jīng)過技術(shù)處理以清除可能剩下的氣體。

3.3 出現(xiàn)事故前的預(yù)防措施

1.氫氣充裝系統(tǒng)設(shè)置相應(yīng)的安全裝置(如超壓泄放用安全閥、分組切斷閥、壓力顯示儀表、氫氣回流閥、吹掃放空閥、氫氣放空管接至室外安全處設(shè)施等)，避免引發(fā)的超壓爆炸事故。

2.設(shè)置氫氣回流閥，使氫氣無法回流至氫氣壓縮機前管路或氫氣緩沖罐。

3.設(shè)置氣瓶內(nèi)余氣及含氧量測試儀表及氮氣置換吹掃系統(tǒng)。

4.設(shè)置超壓泄放用安全閥，使充裝不會超壓、超量。

5.充裝流速低于限度值。

6.設(shè)置符合安全技術(shù)要求的防雷、防靜電設(shè)施、可燃氣體泄漏報警等措施。

7.氣瓶有效固定(基本是集裝格)，避免發(fā)生倒瓶事故造成瓶嘴漏氣。

8.充(灌)裝站、匯流排間、空瓶和實瓶的布置符合下列要求：

1)匯流排間、空瓶和實瓶應(yīng)分開放置。若空瓶和實瓶儲存在封閉或半敞開式建筑物內(nèi)，匯流排間應(yīng)通過門洞與空瓶或?qū)嵠块g相通，但各自應(yīng)有獨立的出入口。

2)當(dāng)實瓶數(shù)量不超過60瓶時，空瓶、實瓶和匯流排可布置在同一房間內(nèi)，但實瓶、空瓶應(yīng)分開存放，且實瓶與空瓶之間的間距不小于0.3 m?？?實)瓶與匯流排之間的間距不宜小于2 m。

3)匯流排間、空瓶間和實瓶間不應(yīng)與儀表室、配電室和生活間直接相通，應(yīng)用無門、窗、洞的防火墻隔開。如需連通，應(yīng)設(shè)雙門斗間，門應(yīng)能自動關(guān)閉(如彈簧門)，且耐火極限不低于0.9 h。

4)空瓶間和實瓶間應(yīng)有支架、柵欄等防止倒瓶的設(shè)施。

5)匯流排間、空瓶間和實瓶間內(nèi)通道的凈寬應(yīng)根據(jù)氣瓶的搬運方式確定，一般不宜小于1.5m。

6)匯流排間應(yīng)盡量寬敞。匯流排應(yīng)靠墻布置，并設(shè)固定氣瓶的框架。

7)實瓶間應(yīng)有遮陽措施，防止陽光直射氣瓶。

8)空瓶間和實瓶間宜設(shè)氣瓶裝卸平臺。平臺的高度應(yīng)根據(jù)氣瓶裝卸形式確定。平臺上的雨篷和支撐應(yīng)采用阻燃材料。

9)氫氣充(灌)裝間不應(yīng)存放實瓶，空瓶數(shù)量不應(yīng)超過匯流排待充瓶位的數(shù)量。

4 總 結(jié)

氫氣在工業(yè)中有廣泛用途。并且，將來氫氣還是人類最清潔且永恒的能源之一。但是氫氣也是易燃易爆的氣體，容易引發(fā)事故。所以，本文總結(jié)了：

1.氫氣氣瓶充裝操作流程，包括充裝前檢查、氣瓶充裝流程、充裝后檢查等各個步驟；

2.氫氣充裝系統(tǒng)危險性分析，包括制氫充裝過程中的危險性分析、生產(chǎn)環(huán)境的危險性分析、生產(chǎn)過程其它危險性分析、壓力容器危險性分析、壓力管道危險性分析、氣瓶存放危險性分析；

3.氫氣充瓶的應(yīng)急處置技術(shù)規(guī)范，包括易出現(xiàn)的事故及原因、出現(xiàn)事故后的處置技術(shù)、出現(xiàn)事故前的預(yù)防措施。

[1] 畢兵華.氫氣的充裝、運輸和使用的風(fēng)險與防范措施[J]. 氯堿工業(yè)，2009(11)：34-35.

[2] 李中民.氫氣充裝站的安全管理[J].氯堿工業(yè)，2012(1)：32-34.

[3] 李景興.《氫氣》國家標準簡介[J].化工標準化與質(zhì)量監(jiān)督，1997(3)：17-18.

[4] 顧憶紅,錢峰.氫氣壓縮灌裝工藝的優(yōu)化[J].中國氯堿，2011(7)：11-13.

[5] 蔡曉玲.安全生產(chǎn)工藝對氫氣充裝的重要性[J].氣體分離，2011(6)：17-23.

[6] 柏其亞,許延峰,孫建國,等，氫氣壓縮充裝系統(tǒng)的工藝安全性設(shè)計[J].廣州化工，2014(8)：174-176.

The Technology and Safety of Hydrogen Cylinder Filling

SUN Meng, LI Heqing, JIN Xianghua

(Suzhou Jinhong Gas Co., Ltd., Suzhou 215152, China)

Hydrogen is the main industrial raw material, is also the most important industrial gas and special gas, but the hydrogen is also a flammable and explosive gas, easily lead to accidents. So this paper summarized hydrogen cylinder filling procedure in operation process, and risk analysis of hydrogen filling process. Finally, the three aspects such as the accident and the cause of the gas filling process, the disposal technology of the accident, the prevention measures before the accident.

hydrogen; technical specifications; danger; cylinder filling

2016-05-31

TQ051.3

A

1007-7804(2016)05-0045-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.05.013

孫 猛(1977)，男，博士研究生，高級工程師。主要研究方向為電子特氣、氣體工藝、催化劑、顯示材料等。2008年畢業(yè)于北京航空航天大學(xué)材料物理與化學(xué)專業(yè)獲博士學(xué)位。擁有30多項專利技術(shù)，并且已經(jīng)在國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議和期刊上發(fā)表了15篇學(xué)術(shù)論文。