大型內壓縮空分裝置風險隱患分析及改進措施

黃劍平，張興(中國石化金陵分公司化工一部，江蘇 南京 210033)

1 裝置簡介

某公司56000Nm3/h O2空分裝置為水煤漿制氫裝置配套裝置，由液化空氣(杭州)有限公司(Air Liquide)提供，裝置采用立式分子篩前端凈化，液氧、液氮雙泵內壓縮，全精餾無氫制氬流程。裝置設計6.5MPa氧氣產量56000Nm3/h，4.2MPa高壓氮氣產量30000Nm3/h，2.2MPa中壓氮氣產量5000Nm3/h，0.125MPa低壓氮氣產量30000Nm3/h，裝置配建500m3、1000m3液氮槽，未配建液氧槽。

2019年7月19日17時45分左右，河南省三門峽市河南煤氣集團義馬氣化廠(以下簡稱義馬氣化廠)C套空氣分離裝置發(fā)生爆炸事故，造成15人死亡、16人重傷。事故發(fā)生后，空分裝置生產和安全管理面臨更高的標準和要求，本裝置針對裝置主要風險及相關預防措施完善程度開展了深度排查。

2 空分裝置主要風險及預防

2.1 冷箱泄漏導致設備損壞風險及預防

冷箱泄漏是指冷箱內設備、管線、儀表等設施發(fā)生泄漏。泄漏一般由超溫、超壓、設備腐蝕、振動、設計制作缺陷等因素引起。冷箱泄漏危害極大，液體管線在冷箱內泄漏后劇烈氣化，嚴重時會造成砂爆甚至是液氧爆炸等安全事故。義馬事故發(fā)生的直接原因就是冷箱泄漏導致砂爆，最終引起設備倒塌和液氧爆炸。

即使冷箱輕微泄漏對裝置生產也有極大影響。本裝置2016年5月6日17時，冷箱內液體管線發(fā)生泄漏，主冷箱5層與6層間鋼板凍裂，珠光砂飄出。后續(xù)的扒砂查漏檢修工作導致裝置停產長達25天。消漏完成重新開工后，空分裝置精餾塔壓力異常升高。上塔壓力由原來的30kPa左右升高至40kPa，純化器再生氣及水冷塔污氮量明顯減少，裝置生產負荷無法維持。原因為之前珠光砂通過斷裂的管線進入污氮出塔管線，從而導致主污氮通道堵塞，不得不再次停工并對相應管線進行反吹后裝置生產才恢復正常。

為預防冷箱泄漏造成事故，空分裝置冷箱基礎應設測溫點，宜設置低報警值。夾層充壓的干燥氮氣應正常投用；夾層氣壓力應配備監(jiān)測儀表，并設置高報警值。發(fā)生泄漏時能第一時間發(fā)現(xiàn)異常。冷箱夾層應配備在線氧含量分析儀，并設置高報警值；一旦冷箱內發(fā)生泄漏導致超標后應及時停車處置。

在日常生產和管理中應定期檢查確認冷箱呼氣閥及泄放設施保持完好。需密切關注冷箱箱體外腐蝕、結露或掛霜有無突然擴大的異常情況。冷箱內泄漏會造成夾層壓力異常升高及波動，現(xiàn)場巡檢時應注意檢查冷箱現(xiàn)場壓力表有無異常波動，冷箱附近是否有珍珠巖散落；注意冷箱外管線有無異常振動現(xiàn)象。完善冷箱附近的現(xiàn)場視頻監(jiān)控，確保泄漏發(fā)生及擴大時能及時發(fā)現(xiàn)并處理。

2.2 純化系統(tǒng)異常導致主冷烴類聚集風險及預防

碳氫化合物在主冷液氧中積聚，使其在液氧中濃度升高。特別是乙炔在液氧中局部濃縮可能析出危險的固體乙炔，如果碳氫化合物不能被及時排出，會導致濃度超標，嚴重時在沖擊磨擦或靜電等引爆源作用下發(fā)生爆炸。此外，液氧、液氮、液氬常溫下會急劇氣化膨脹，在體積得不到充分釋放的情況下，壓力急劇上升，可引起設備、管道因超壓而產生物理爆炸。大量泄漏的氧氣與可燃物質相遇又可引起燃燒或化學爆炸，比氣態(tài)純氧危險性更大。

空氣中的烴類等易燃易爆組分主要靠分子篩純化器除去，純化系統(tǒng)還可以清除空氣中的水和二氧化碳等易結冰組分，防止冷箱設備和管道冰堵。純化系統(tǒng)一旦無法正常工作，發(fā)生如二氧化碳穿透等異常工況時，會導致冷箱內低溫設備冰堵，生成負荷無法維持，主冷內烴類聚集的風險也會大大增加。

為防止主冷烴類聚集爆燃事故發(fā)生，首先需保證空分裝置預冷純化單元正常運行，確保純化器吸附效果。生產中循環(huán)水溫度不宜過高，盡量控制進純化器的空氣溫度，降低其含水量，避免分子篩吸水負荷過大導致二氧化碳及烴類無法及時吸附發(fā)生穿透。

為防止冷凝蒸發(fā)器局部干蒸發(fā)，需加強全浸式冷凝蒸發(fā)器液位監(jiān)控，確保全浸操作。為防止冷凝蒸發(fā)器的靜電感應引起因乙炔和碳氫化合物濃縮所造成的爆炸事故，冷凝蒸發(fā)器必須采取接地措施。主冷凝蒸發(fā)器及液氧槽等碳氫化物易聚集的部位中應設置在線碳氫化合物監(jiān)測儀表，并定期手工監(jiān)測。同時應對空壓機吸入口空氣中碳氫化合物等組分含量按要求定期分析，超標時及時停車處理，避免事故發(fā)生。

2.3 涉氧設備及管道爆燃風險及預防

氧經壓縮后，在輸送的過程中，涉氧設備及輸送氧氣的管道內，如存有油脂、溶劑、橡膠等可燃物質，隨著氣流運動與管壁或機體發(fā)生磨擦、撞擊，會產生大量磨擦熱，導致氧氣管道、機器迅速燃燒。而氧氣管道內，若存在鐵銹、焊渣或其他高危雜質，在氣流的作用下，雜質與管道發(fā)生磨擦，會產生高溫而發(fā)生爆燃。爆燃的危險性與雜質的種類、粒度和氧氣流速有直接關系。雜質的粒度越細，氧氣流速越大，越易爆燃。在一定條件下，許多金屬都能在純氧中燃燒。如輸送氧氣的鋼管，由于管道中閥門急驟打開，可能因氧氣流速過大，使管道或閥門燃燒，將鋼管燒熔。當引火或給以一定力量的撞擊時，則會發(fā)生爆炸事故。

為防止涉氧設備火災或爆炸，設計建造時氧氣管道的閥門應選用專用氧氣閥門，閥門密封填料應采用四氟乙烯或柔性石墨材料。貯存和輸送氧氣或液氧的設備、管道、閥門及其他管件，其內壁應光滑無毛刺。用于輸配的多級離心液氧泵以及外送管線閥門組區(qū)域應設防護墻或防護罩與周圍隔離。涉氧設備、部件檢修時，應在檢修方案中明確清潔處理的方法、標準及檢查內容。氧管道在安裝、檢修后或長期停用后，投用前應按要求將管內殘留的水分、鐵屑、鐵銹焊渣等雜物用無油干燥空氣或氮氣吹掃干凈。使用前必須進行脫脂處理，去除易燃易爆物。應嚴格控制管道輸送氧的流速，氧氣閥門開關盡量緩慢；前后管線一定要均壓。

2.4 低溫介質導致設備冷脆及人員凍傷風險及預防

低溫脆性是金屬材料的重要特性之一。在溫度極低的環(huán)境下，部分金屬材料如碳鋼等會發(fā)生由韌變脆的現(xiàn)象。斷裂前無明顯塑性變形，突然發(fā)生，斷口齊平，裂紋起源于材料組織中的缺陷或構件應力集中處，并快速擴展。設備及管道的冷脆破壞無法預告和控制，危害性極大，一旦發(fā)生，瞬間崩潰。管道脆裂后裝置中液氧、液氮、液空等介質發(fā)生泄漏，接觸人體會造成低溫凍傷。另外，即使未發(fā)生泄漏，裝置中低溫設備(管線)如保冷不良，人體接觸后，也可能造成低溫凍傷。

為預防低溫冷脆事故發(fā)生，出主換熱器管線、液體后備系統(tǒng)送出管線等可能發(fā)生低溫影響的設備和碳鋼管線應設置低溫保護，設置溫度測量報警和緊急事故聯(lián)鎖。同時要設置多點測溫，防止測溫點故障而影響正常運行。為防止人員凍傷，空分裝置現(xiàn)場液體排放區(qū)域應設有圍擋和警示標示，人員巡檢時也應穿戴好相關防護裝備。

3 裝置風險排查及改進措施

3.1 分子篩純化系統(tǒng)

排查中發(fā)現(xiàn)空分裝置存在分子篩純化器頻繁穿透現(xiàn)象。設計環(huán)境二氧化碳體積含量為550×10-6。實際生產時，附近的水煤氣凈化裝置放空的CO2導致吸入口二氧化碳濃度高于正常值。同時本裝置夏季循環(huán)水溫偏高，導致分子篩純化器入口空氣溫度較高，也增加了穿透風險。例如2014年12月27日環(huán)境CO2持續(xù)在4000×10-6以上，純化器穿透，管線冰堵停工。

空分裝置針對二氧化碳穿透現(xiàn)象已聯(lián)系后序裝置更改二氧化碳放空口緩解純化器壓力，但夏季循環(huán)水溫過高現(xiàn)象始終存在。未來生產中將降低循環(huán)水溫度，同時對預冷系統(tǒng)中空冷塔、水冷塔噴淋管進行清理，并更新兩個設備的填料，提升其換熱效果。降低純化器進口空氣溫度和含水量，確保純化器吸附效果。

3.2 冷箱區(qū)域

冷箱內氧含量現(xiàn)為現(xiàn)場手動分析，缺少冷箱內氧含量在線分析儀，冷箱附近的現(xiàn)場視頻監(jiān)控需完善。冷箱區(qū)域設備及管線標識較少，設備無中文名稱標識，部分管線介質走向指示不清。主副冷箱過橋處跑冷及腐蝕情況較為嚴重；冷箱部分接地線存在腐蝕現(xiàn)象；冷箱夾層壓力測點只有主冷箱頂部一個。

未來裝置將進一步完善冷箱區(qū)域標識及監(jiān)控設施，增加進出冷箱相關管線標識。進一步檢查冷箱接地、基礎溫度測量探頭、基礎加熱器等設施的完好性，盡快落實腐蝕較嚴重區(qū)域的防腐工作。增設冷箱氧含量在線分析儀，增設冷箱壓力測點，主、副冷箱分別設置頂部、底部夾層壓力測點。加強對冷箱泄漏風險的監(jiān)控。

3.3 氧氣外送系統(tǒng)

氧氣外送防護墻入口正對通道，有傷害行人的風險；氧氣管道上壓力表根部閥設置在防護墻內，壓力表故障時需人員進入防護墻檢修；防護墻外手輪及壓力表無位號標識。

空分裝置將進一步完善氧氣外送閥門組區(qū)域管理，氧氣外送防護墻改為迷宮式入口，避免入口正對人員通道；相關壓力表根部閥盡可能布置在防護墻外，同時進一步完善防護墻外相關閥門標識，降低操作風險。

3.4 后備液氮儲槽區(qū)域

液氮貯槽外送管線溫度有低報警無低聯(lián)鎖。貯槽及液氮泵之間僅設置手閥，無緊急切斷閥；現(xiàn)場泵體無保溫，存在結冰跑冷現(xiàn)象；后備系統(tǒng)無低溫殘液排放坑，水泥地面存在凍裂風險。液氮槽復熱器蒸汽調節(jié)閥老舊，歷史上曾出現(xiàn)故障全關導致氮氣管線溫度過低等故障，存在冷脆風險。裝置其余儀表控制設備也存在老化現(xiàn)象。

裝置將進一步加強后備系統(tǒng)安全管理，增設后備液氮槽外送管線溫度點，由1取1變更為3取2，并將該點設置低聯(lián)鎖。降低外送管線冷脆風險。在液氮貯槽合適區(qū)域設置低溫殘液排放坑，避免低溫液體排放時凍裂水泥地面。增設緊急切斷閥，確保一旦儲槽或管線發(fā)生泄漏，可快速切斷。增設后備泵箱并在泵箱內裝填珠光砂或礦渣棉，減少冷損。同時需做好關鍵儀表閥門的預防性維修，在安排檢修計劃時對裝置儀表控制系統(tǒng)及閥門進行風險識別，對使用年限較長的以及易出問題關鍵儀表設備進行預防性維修，對風險設備進行提前更換。

4 結語

空分裝置高壓、低溫，生產工藝復雜，高危風險點眾多，操作條件苛刻。日常生產中工藝波動、違規(guī)操作、使用不當、維護維修不到位等均可能導致事故發(fā)生。空分裝置將針對可能引發(fā)事故的風險點進一步認真排查并制定整改計劃，確裝置安全平穩(wěn)生產。