空分设备液氮管道断裂事故分析及处理

摘要：本文通过对国内外泄漏扩散模型的比较分析，确定出比较适合模拟空分产品泄漏的模型，应用该扩散模型机理的软件，对国内单体产量最大的空分项目中液氧，液氮，液氩低温储罐区进行泄漏扩散分析，对不同的场景和各类参数进行了设定，评估出几种产品大规模泄漏扩散所可能带来的富氧、室息、低温等量化风险。

关键词：空分设备；储罐管道；泄漏模型；风险控制

中图分类号：C35文献标识码： A

引言

国内大型化工公司拟建设煤化工一体化基地，主要从事甲醇、醋酸、醋酸乙酯等化工产品的生产。而公司新建的国内单体最大的80000m3/h空分项目，工厂拟建于经济开发区内，为煤化工基地供应工艺气体。该煤化工基地总体规划面积平方公里，发展定位及思路是以煤气化为主体，羰基合成、煤经甲醇制烯烃“一体两翼”技术为支撑的煤化工产业发展格局；结合当地资源发展乙炔化工、生物化工；另外，进一步深加工以醋酸、丙酸、环氧丙烷下游系列产品为特色地技术密集、资金密集地精细化工、化工新材料。

一、空分气体泄漏的危害

氧气、氮气和氩气是空气分离过程中的主要危险物料，它们的火灾危险类别分别属于乙类、戊类和戌类，其中，危害性最大的是氧气。这些气体泄漏会引起的主要危害有火灾爆炸、缺氧窒息、低温伤害等。

标准大气压下，温度为-183℃时，氧气呈液态，即为液氧，属于低温液体，在常温下会急剧蒸发，由液态迅速转变为气态，通常1液氧可释放生产854L氧气，任何物品与液氧接触都很危险。液氧储罐种类可分为两种，粉末真空绝热储罐和珠光绝热储罐，存储液氧所需要的安全要求基本相同，主要从两方面考虑：一方面是要防止液氧由于剧烈蒸发而产生物理性超压爆炸；另一方面是要防止液氧中由于乙炔聚积析出而发生化学爆炸。

工业用的氧气纯度一般为99.2%-99.5%，纯度较高，且处于高压状态，具有极强的氧化性，当发生爆炸时，往往极易引起火灾，且由于氧气具有较强的扩散性，使得火势不易被扑灭，从而造成引燃易燃易爆物质、烧毁建筑物、对操作人员造成伤害等。如果大量纯氧泄漏，还会对操作人员造成严重的氧中毒现象。人体在大于0.05MPa的纯氧环境中，多所有的细胞都有毒害作用，吸入时间过长，肺部毛细管屏障被破坏，导致肺水肿、肺淤血和出血，严重影响呼吸功能，在0.2MPa的纯氧环境中，最多可停留1.5-2小时，超过了会引起脑中毒，生命节奏紊乱，精神错乱，记忆丧失等。液态氧气的温度处于深冷状态，对皮肤会产生类似灼烧的作用，其严重程度随温度及暴露时间的不同而不同。

二、原因分析

空分设备精馏系统部分流程示意图如图1所示。

图1空分设备精馏系统部分流程示意图

针对液氮管道断裂情况，从所使用管道材料、焊材和焊接质量、管架结构、管线应力以及施工质量管理等方面着手进行了如下分析。

（一）、材料因素

空分管道内管线因空分设备低温需要，均为铝制和不锈钢材质。铝制管道的焊接要求极高，焊材焊丝必须严格匹配。但在调查中发现施工现场用于管道内管道焊接的焊丝中混入约40kg与管线主材不匹配的铝硅焊丝。经材质检查校核，塔内断裂铝管和其他塔内管线材料的标识名称与设计全部一致。说明分馏塔内各管线材料的使用均符合设计要求。

为检验塔内管线铝管与焊丝使用的匹配性，对断裂铝管切割下的焊缝进行金属化学成分分析，并按照铝材及铝焊丝匹配表对照检查，未发现错误使用铝硅焊丝现象。同时又扩大检查范围，对塔内管线焊缝按高度布置和管线号进行了较大范围的取样分析检查，焊接的焊缝均符合铝材及铝焊丝匹配表，与安装记录一致。表1、表2为铝材及铝焊丝匹配表。

表1焊接纯铝及防锈铝合金焊丝选用表

表2异种铝焊接时焊丝选用表

（二）、焊接质量

铝在空气中及焊接时极易氧化，生成的氧化铝熔点高、比重大，非常稳定，不易去除，从而阻碍母材的熔化和熔合，易生成夹渣、未熔合、未焊透、气孔等缺陷。同时受外部环境影响大，温度、湿度等对焊接会产生直接的负面影响。另外铝及铝合金的线膨胀系数高，凝固时体积收缩率较大，焊件的变形和应力较大。铝焊接熔池凝固时容易产生缩孔、疏松、热裂纹及较高的内应力。在实际应用中可采取调整焊丝成分与焊接工艺的措施防止热裂纹的产生。鉴于铝材焊接的以上特点，对管道内管道的现场焊接质量进行了深入检查和分析。

在焊接工艺检查中，发现安装公司按照“JB/T2549－94”和“GBJ236－82”标准规定，设备中的铝和铝合金零件采用钨极氩弧焊或熔化极氩弧焊焊接，并且制定和实施的焊接工艺正确。而在现场对管道内管道焊接质量的随机抽查中，从焊缝的无损探伤检验报告发现部分焊缝存在焊接质量问题，有部分管道焊缝断面未焊透，长度占整个焊缝长度的3/4；部分管道焊缝的错变量较大；部分管道焊缝没有进行无损探伤。本次出现断裂的液氮管线焊缝就存在断面未焊透和错变量较大的问题，未焊透长度占整个焊缝长度的2/3。

三、检修处理

（一）、查漏

扒砂后，对以下三个系统进行查漏:(1)增压系统，包括:膨胀机增压空气管道进管道后经主换热器进入膨胀机前管道，循环粗氩泵后至粗氩I塔调节阀V713前管道，膨胀机增压空气阻力导压管，循环粗氩泵后压力导压管道等。(2)中压系统，包括:空气进管道后至下塔和下塔液空至上塔节流阀前管道；下塔液空至粗氩Ⅱ塔阀V701前管道；下塔液氮至粗氩液化器阀V711前管道；下塔液氮至精氩冷凝器阀V705前管道；下塔液氮至精氩蒸发器阀V707前管道；液体排放和加温管道；以及与下塔相对应的中压系统的压力、液位、流量、阻力、分析仪等导压管；管道内中压带法兰阀门和中压管道法兰等。(3)低压系统，包括:所有下塔节流阀后至上塔的管道；上塔、粗氩系统、精氩系统进、出涉及到的所有氧、氮、氩的气、液管道；膨胀空气进上塔管道；上塔、液体排液和加温管道；与上塔、粗氩系统、精氩系统相对应的低压系统的压力、液位、流量、阻力、分析仪等导压管；管道内低压带法兰阀门和低压管道法兰等。

（二）、管线应力分析

空分设备塔内管线的设计一方面必须保证管路系统有足够柔度，减少二次应力，另一方面又不能设置太多的弯头和太长的管道，同时还要尽量减轻管道自重和管内流体重量，降低一次应力。管道自重大，尤其是水平管道承受珠光砂重量大，就会造成一次应力增大。若自补偿能力差，热胀冷缩后还会产生较大的二次应力。

80000Nm3/h空分设备采用规整填料上塔和全精馏制氩，空分塔高度为56m，因空分塔较高，使得管道内管道长度、弯头数量增加较多，管道内管路应力变得复杂、管路变形大。设备厂家结合各支承点支架、管架的位置和形式(固定或活动)对管道内所有管道进行了应力复核计算，并提交了书面确认文件，另外还抽样做了应力数据的复核计算，确定管道的应力状态基本符合要求，但管道内管道在使用自补偿方面仍存在较多不足，譬如弯头数量多，管线长度增加，造成管道内管道结构复杂，布置困难，管道阻力增加。本次出现断裂的液氮管线从下分馏塔到上分馏塔上部的长度达10m左右，为实现自补偿，设计了多环节纵向及水平布置，由于管架数量减少而珠光砂重量增加，造成管线二次应力突增，从而使原本存在焊接质量问题的焊缝出现断裂，这也是部分管线管道和弯头变形的主要原因。

（三）、检修处理

(1)处理明显变形的管道以及初步查漏时发现的漏点。(2)处理结束后用干燥空气进行一次系统充压查漏(达到设备正常运行压力)，并进行第二次检修处理。(3)加固管道冻裂处的钢梁、钢板，以及管道内管道、阀门等支架，管道上部增设了污氮充气管道，对管道进、出工艺管道进行防泄漏处理。(4)更换分子筛、活性氧化铝，以及管道内约一半的受潮珠光砂。(5)进行气密性试验，测试残留率合格。

（四）、施工质量管理

“GB50236”《现场设备、工业管道焊接工程及验收规范》标准中规定了焊接环境中的防风、防雷、防雨设施及低温条件下的焊接措施，焊接环境温度一般应在0℃以上。施工企业必须重视作业环境，不能忽视天气因素。空分设备管道内的安装质量是确保管道长期运行的重要条件，而管道的安装质量又是整个管道设备安装最关键的部分。阀架、管架与管道壁焊接处必须满焊。

80000Nm3/h空分设备塔内管道的焊接施工期跨越冬季，因工期进度要求紧，施工企业存在不按规范施工现象，主要包括:作业环境温度低，安装公司没有经过充分焊前预热就实施焊接作业，从对塔内管线焊缝的分析评定看出多处焊缝存在未溶透问题；不严格遵守焊接工艺纪律，导致焊接接头产生气孔、夹渣，使得焊接接头性能下降；部分接头没有经过检验和无损探伤，留下隐患；部分焊接表面仅得到象征性处理或干脆不处理，造成焊接接头抗拉强度和塑性不足；焊接接头无损探伤照片与焊接位置不对应；阀架、管架与管道壁焊接处没有满焊；管道强行组装等。同时，在施工质量检查中还发现部分设计被私自修改、管架抱箍未加装四氟垫片及管线布置不规范的现象。尤其是本次出现断裂的液氮管线，安装公司在没有办理更改许可书的情况下，将原已焊接完毕并且无损探伤检验合格的DN150管道更改为DN200管道，通过对更改后DN200管道进行无损探伤，从焊缝断裂断面发现焊缝存在缺陷。

结束语:

通过对管道内泄漏故障的处理，深刻认识到空分设备从设计、安装、调试到正式投入运行、以及正常运行期间的维护保养，都是一项严谨细致的工作，在今后的生产过程中应注意以下几个方面:(1)设备安装、做气密性试验时，用户都要跟踪检查。(2)设备检修及验收时，都要逐项检查，不留死角。(3)管道内外连接处要密封严实，减少冷损和空气侵入，管道密封气必须通入。(4)日常工艺操作中，严格遵守操作规程，严格控制各项工艺参数，尤其是各控制点温度、压力不能骤变，操作要缓慢。

参考文献:

[1] 张勇.低温压力容器用钢的现状与发展概况[J].压力容器,2006,23(24).

[2] 汤学忠,顾福民.新编制氧工问答[M].北京:冶金工业出版社,2001.