空分本质安全化设计.docx

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1、空分本质安全化设计空分设备中存在在着包括爆炸，燃烧，窒息，低温等等许多危险，具体地如冷箱泄漏倒塌、主冷凝蒸发器燃爆、氧气管道燃爆、氮气窒息，低温冷脆，低温冻伤等,而这些危险存在于空分各个系统中,特别是冷箱管道和结构,冷箱精储系统，液体后备系统等等;这些危险分布在空分生命周期中的各个阶段，如设计,制造，检验，安装，运行等等。空分设备中的这些危险，有的可能性大很常见，如低温冻伤；有的后果非常严重往往造成灾难性事故如近年来发生的“7.19”义马事故。针对这些危险，空分设备的设计需要采取相应的安全设计措施。空分设备的安全设计，重点不能放在事故发生后的应急措施上或者被动防范上，而首先要从源头上减少事故发

2、生的概率以及严重性，即在设计阶段，就要依据空分工艺系统的特性，设计出具有固有或本质安全特征的生产过程，以保障空分生产过程稳定运行、不易发生事故。欧盟在塞维索II指令的指导文件中有提到“需借由固有安全技术的应用，尽可能的避免或降低危险的发生”。美国化学工程师协会发布了自己的本质更安全技术“1ST”定义：本质上更安全技术（IST）,也称为本质上更安全设计（ISD）,永久消除或减少危险，以避免或减少事故的后果。因此空分设备系统设计和管理是以风险控制为基准，采用本质安全化的思路，减少或消除固有危险，从降低危险的可能性和严重性二个维度进行设计与控制，将空分设备的风险主动控制在低风险绿色区域，如以下的风险

3、控制矩阵所示（图1）。A产量性图1风险控制矩阵由于空分设备有许多系统，本文着重探讨冷箱和平底储罐本质安全化设计。一、冷箱本质安全化设计空分冷箱的主要危险是主冷爆炸和冷箱喷砂及倒塌，它们将引起灾难性事故。主冷爆炸与可燃杂质风险相关联；而冷箱喷砂倒塌与管道柔性设备强度，冷箱密封气，检修扒砂程序和冷箱钢结构设计计算关联，并且与可燃杂质也相关。因此探讨空分冷箱的危险，需要探讨可燃杂质风险控制和管道柔性设备强度等风险控制。（一）可燃杂质风险控制探讨空分设备可燃杂质风险，也就是探讨碳氢化合物的风险。我们首先从氧化剂、可燃物、激发能量的燃烧3要素说起。空分设备的产品氧气就是氧化剂，它帮助燃烧并且加速燃烧，世

4、界上几乎所有物质都可以在氧气中燃烧，并且火焰在液氧中的传播速度比气氧快，比空气中更是快得多；可燃物主要指可燃杂质，如碳氢化合物以及铝翅片等；激发能量是个值得研究的问题。空分设备中碳氢化合物的燃爆主要发生在冷凝蒸发器和主换热器。冷箱内冷凝蒸发器和主换热器的燃爆过程和危险消除方法如图2所示针对这个燃爆过程，风险控制的手段就是采取相应的防范措施阻止这个过程内其中一个环节的发生。对于初始点火能量,有许多推测和假设,至今为止没有定论，因此没有相应有效的防范措施。对于点燃铝翅片，目前所有的防范措施都是基于同一个目标，就是防止碳氢化合物在冷凝蒸发器内沉积浓缩，使其含量不超过临界值，从而防止铝被点燃。对于点燃

5、污染的邻近通道，由于铝在液氧中燃烧的后果太严重，没有经济、有效的被动防范措施。空分设备碳氢化合物风险控制或危险消除，应当系统地从各个方面进行控制（如图2所示），主要包括：技术方面的措施，如设计与制造、主换热器设计；蒸发器运行控制方面的措施，如全浸操作控制与防浓缩排液控制；安装调试方面的措施；进入冷箱杂质的监测；加温系统的设计；以及其他等等。由于篇幅有限，下面仅探讨进入冷箱杂质监测和蒸发器的运行控制包括全浸操作控制与防浓缩排液控制。1进入冷箱杂质监测控制空分中的可燃杂质是碳氢化合物，主要来自大气，包括如甲烷，乙块，丙烷等等,另外还有危险的堵塞性气体如二氧化碳，氧化亚氮等等，因此本质安全化设计应当

6、主动监测和控制进入空分冷箱内的这些大气杂质。空分中的大气杂质一般最后都聚集在主冷凝蒸发器中，浴式液氧蒸发器中碳氢化合物等杂质含量最大允许控制值可以参考深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程等文献。内压缩流程中，液氧在主换热器中蒸发，碳氢化合物的沉积与主换热器液氧蒸发压力有关，因此碳氢化合物等杂质含量的控制也与主换热器的压力相关：氧化亚氮含量应被控制在（330）X1（之间，总碳含量（不包括甲烷）应被控制在（112）X1Of之间，丙烷含量应被控制在（0.3-4）X1Ot文献要求空分液氧中总碳含量VIooX10上不够全面，值得商榷或需要修订；而且由于理论上乙焕被分子筛吸附器100%吸附，并且乙烘在

7、液氧中的溶解度是（46）106,因此，文献要求空分液氧中乙快含量VO.1X1（也是值得探讨或需要修订。2.蒸发器的运行控制可燃杂质的浓缩或积聚程度，随液氧的蒸发越来越严重，到了液氧干蒸发时达到最高值，如非常低的蒸发器液位，存在液氧盲端死角点等。另外，通道被固体杂质（如二氧化碳固体或氧化亚氮沉积物）或气溶胶或其他杂质（如珠光砂）等堵塞时，会使可燃杂质的浓缩加剧。保证蒸发器安全运行的主要措施是全浸操作控制与防浓缩排液控制，而全浸操作是最重要的安全措施。100%主冷板式浸没操作优先于其他任何安全措施，应当优先于液体产品抽取和防浓缩排液控制。所以，应当设置防低液位安全保护回路。对液氧蒸发器，需要设置2

8、个独立的液位测量回路（如图3所示），即独立的测量仪表管加上专用逻辑控制器和2个独立的执行机构；对富液氧蒸发器，安全保护回路仅需要1个液位测量仪表管、常规DCS控制和1个执行机构；而上层蒸发器仅仅需要设置安全报警功能即可。_.100%至:受测量80%MjSBBu图3液氧蒸发器的防低液位安全保护回路安全措施中必须限制浓缩倍率以避免蒸发器中杂质浓度过高。浓缩倍率是相关蒸发器池中不完全挥发的杂质浓度与其在进入冷箱内空气中的浓度之比。在浴式蒸发器中，液氧排放率越高，浓缩倍率就越低，最大浓缩倍率由最小液氧排放流量确定。对于浓缩倍率的计算应当考虑所有相关管线，即包括富液氧蒸发的每个位置和所有可能的操作模式。

9、应当采用相应的安全保护回路，来防止防浓缩排液量过低。（二）冷箱倒塌风险控制冷箱钢结构喷砂倒塌产生的原因有很多，存在于空分设备的各个阶段，如设计,建造，运行，检维修等等，它们又互相缠绕，使得问题复杂多变，冷箱倒塌原因分析见图4。图4冷箱倒塌原因分析冷箱结构倒塌也就是冷箱钢构梁柱失效，引起的主要原因有基础倾斜，内部设备倒塌，碳钢冷脆，珠光砂产生的砂爆，管道设备泄漏引起的超压以及腐蚀。无论从安全性或可靠性角度，内部设备倒塌是一个非常严重的事故，因此必须彻底杜绝，法液空的本质安全设计原则是所有冷箱内主要设备必须直接支承在混凝土基础上或不锈钢支架上，除非通过专门的风险分析，使得它们由于冷脆而倒塌的可能性

10、为零。冷箱基础倾斜，碳钢构件冷脆，喷砂或砂爆，超压都直接或间接都与冷箱内管道设备泄漏有关,冷箱内管道设备泄漏是引起空分冷箱风险的主要原因，它是低温,窒息，富氧危险的主要来源，其中造成这个问题的环节有设计，建造，运行，维修或其他损坏。针对泄漏危险，本质化更安全设计方法首先是管道设备的强度计算以及相应的材质选择问题，另外就是设置相应的泄漏检测仪表，监测冷箱内部运行情况，预报不正常工况，提前采取行动措施消除危险。设计计算选材是指正确地进行设计工作，包括冷箱结构和管道柔性应力计算。钢结构计算应当根据钢结构设计规范进行恒载，活载以及偶然载荷的计算校核。管道设备的强度计算或柔性设计计算，具体要求是包括几何

11、尺寸的正确性,管道支架位置和形式,荷载的假设合理性（包括各种压力，温度，流量工况），以及应力校核，设备管推力校核的正确性。材料选择是根据各个管道设备和支架的设计应力和工况，选择合适的材料，一般从本质安全化角度，冷箱内设备管道应当采用低温材料，并且冷箱内管道尽量少用铝合金，因为铝合金强度差或硬度低更容易断裂破坏（如更容易产生珠光砂气割或气锯现象），另外铝合金更容易与氧燃烧反应（点燃温度低，燃烧热高）。根据有关研究和文献，珠光砂结冰后的静载重量可以达到干燥时的10倍以上，不均匀珠光砂流动的动荷载将接近20倍左右，而低温液体突然蒸发产生的砂爆压将近高达数百倍以上，本质化更安全设计措施是监测冷箱内部运

12、行情况，提前采取行动防止这些事故的发生，而采用被动的防范措施，理论上或经济上都是不可行的。通过设置冷箱内部压力监测，气体成分变化监测，温度监测，随时了解冷箱内部管道设备泄漏情况，一旦发现不正常情况或事故苗头，立即采取相应的措施，防止事件恶化和事故发生。在监测参数正常的情况下，保证冷箱内干燥是非常重要的本质安全化措施，它防止空气和潮气侵入冷箱，避免造成空气低温冷凝成富氧低温液体和珠光砂结冰,前者可能使得碳钢冷脆，后者使得静载一次应力增加并使得管道无法自由活动（二次应力增大）。运行检维修程序也是非常重要的本质安全化的重要手段，包括平常的巡检程序和珠光砂充填扒砂程序，用来防止由于腐蚀，局部结冰或扒砂

13、引起的事故。二、平底罐空分工程上一般采用低温平底储罐储存大于400立方米的大量低温液体，如液氧、液氮、液氤，而200吨以上液氧根据国家标准国标18218危险化学品重大危险源辨识属于重大危险源。平底罐倒塌或大量低温液氧，液氮液体等泄漏及泄漏后产生的相应低温云雾将产生许多重大危害，它们分别为：人员的低温冻伤，碳钢结构的冷脆，由于雾或能见度降低引起的交通等事故，液氮及液僦缺氧云雾引起的窒息和液氧富氧云雾引起的火灾，行业内也有许多重大事故报道，比如今年最近发生的某公司“5.6”液氮平底罐事故以及“7.19”义马事故。因此分析低温平底储罐的失效模式，针对其失效机理，采取相应防护措施，对低温平底储罐的本质

14、安全化设计是非常重要的。低温液体平底储罐的主要部件及典型结构如图5所示。图5低温液体平底储罐典型结构它的主要危险是低温液体大量泄漏，引起的原因是内筒破裂、液体管道破裂或倒塌，其失效模式如图6所示图6低温平底储罐主要失效模式根据图6的主要失效模式，下面对低温液体平底储罐的失效机理及防护措施进行分析研究（一）内容器本质安全化1 .内容器的失效机理内压使内容器产生向上的抬升力，当抬升力超过地脚锚带的极限时，可能产生失效，其后果是内容器地脚彻底断裂，底板撕裂，筒体被推向上，大量液体随之泄漏（如图3所示）图7内容器失效机理2 .本质安全化措施第一，内容器本质安全化设计。采用奥氏体不锈钢材料建造内容器，保

15、证它的低温韧性；结构上采用筒体与压环全焊透，自支撑式拱形顶盖。罐顶设计成先于其他部分破裂的薄弱点一一易碎罐顶，采用爆破片实现所谓的薄弱易碎罐顶。石墨爆破片安装于内容器顶部人孔。按照以上设计原则，根据潜在影响后果，注重强弱顺序，按可能的后果及其试验方法，对不同部件采用不同的安全系数，在各个压力段范围内提供确实的安全余量，如操作压力范围、安全泄放装置压力范围及相应机械强度极限的压力范围，所有部件的设计参数均以爆破片的爆破压力作为基准。第二，地脚系统本质安全化设计。内容器地脚采用锚带锚板结构；锚带用与筒体相同材料的标准扁钢制成；地脚锚带预埋于储罐混凝土底板内，锚带均匀分布于内容器圆周上并且每个埋地处

16、用钢筋加强。混凝土底板中的筒体地脚锚带和拱顶与筒体的连接部件均应当认为是压力容器的一部分。也就是说，地脚锚带也应当按容器设计、制造规程进行压力试验，确保建造质量。在固定筒体之前，根据需要，对一定数量的地脚锚带（一般最少4个）逐个进行拉拔试验，试验力大于等于锚带最大设计应力值，用以检验锚带埋于混凝土底板的连接强度。它是低温平底储罐与土建结构两个专业之间的关键交接点，拉拔试验用于验证这个交接点是整个储罐系统的最强部分。第三，超压安全控制回路的设计。超压安全控制回路由压力检测、控制系统及执行阀门组成，按设定的安全逻辑进行控制动作，如报警、压力高时关闭所有进液阀门、压力低时关闭所有出液阀等。（二）液体管道本质安全化1 .液体管道失效机理低温平底储罐内部管道失效除温差引起