大型液氧液氮贮罐：如何设计更经济安全

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如何在设计上确保大型液氧、液氮贮罐安全？除了我们熟知的可靠的强度设计、周密的绝热设计、完善的安全设施仪控设计外，在6月24日结束的中国空分装置安全运营大会上，中国气体安全技术委员会副主任委员马大方给出了建议。



液氧贮罐管路保温工程是保证装置经济安全的重要环节。图为浙江一家聚氨酯喷涂公司为宁波海军液氧贮罐实施保温工程。 （宁海 摄）

　　“内罐排液口必须设置重锤式快速切断阀。”这是马大方给出的第一个建议。
　　他先给记者讲述了两起事故。事故一，2007年11月17日，江西某钢铁公司氧气厂，由400m3液氧贮罐向50m3液氧贮罐用液氧泵倒液氧后，在关闭液氧泵前真空管道上的进口阀时，阀门由于自身设计制造缺陷（绝热材料可燃且液氧渗入）发生化学性燃爆。大量液氧外泄，操作者被炸伤冻伤致残。所幸另一操作者将贮罐下的排液阀门关闭，防止了事故扩大。如果这个排液阀来不及关，后果将更加严重。 
　　事故二，2010年12月5日，湖北某钢气体公司，一外来购买液氧的槽车在充装完液氧后，未卸下输液氧管道接头就将槽车开动，将输液氧管道拉断，阀门损坏，约700m3液氧全部外泄。事故造成一死一伤，3000余居民被疏散，经济损失巨大。如果内罐排液口有快速切断阀，且能就地和远程遥控操作，大量液氧就不会外泄，事故就不会进一步扩大。 
　　“目前国内大多数大型液氧、液氮贮罐均未设置该阀，业内设计、制造、使用单位尚未形成共识，但在国外已是成熟经验。”马大方介绍说，大型液氧、液氮贮罐排液，一般在内罐底靠中心处设置两个排液口，可在排液口设置两个重锤式快速切断阀，关闭靠自身重力，开启靠垂直牵引的钢绳。重锤式快速切断阀和牵引钢绳均为不锈钢材质，抗低温液体冷冻。两个重锤式快速切断阀配两个排液通道，双保险，如果一个有故障，不影响正常使用。 
　　马大方表示，设置两个重锤式快速切断阀，除了正常工艺功能外，最重要的是其安全功能。当贮罐排液管线或阀门发生事故时，可通过现场仪表盘紧急关闭按钮或主控室远程操作，将该阀门紧急快速关闭，防止低温液体大量外泄，避免事故扩大。 
　　据悉，武钢气体公司现有2000m3液氧、液氮贮罐共12台，均在内罐底部排液口设有重锤式快速切断阀两个，全由德国引进，最早投用的至今已超过10年，功能完好，运行安全。目前国内尚没有企业生产这种重锤式切断阀。


　　“贮罐顶盖宜设计为薄弱结构，以便发生爆炸事故时泄压，减小损失。国外已有这种设计理念与实践。”这是马大方给出的第二个建议。 
　　他举例说，2002年某日傍晚，安徽某钢铁公司气体厂400m3液氧贮罐，停用一年多未排空，再投用时未采取安全措施，装槽车时突然发生典型的化学性燃爆，罐顶全掀，内存100多m3液氧全部爆破汽化，贮罐全毁，但内罐底未泄漏。2011年1月11日，石家庄某气体公司，3000m3/h全液体空分停产检修一个月后复产，配套约400m3液氮贮罐已基本恢复常温，往里送液氮时操作过急，液氮汽化超压，放空不及，发生物理性超压爆破，顶盖爆裂掀翻，贮罐报废，内外罐底及基础尚好。 
　　以上两起事故有一个共同特点：贮罐内、外顶盖全掀飞，内存低温液体均全部爆破汽化，而内罐底部尚完好，无液氧或液氮在下部外泄。这给人们一个启发，大型液氧、液氮贮罐顶盖可以设计成薄弱结构，在发生爆炸事故时泄压，避免大量低温液体外泄而造成更大的灾难性事故。 
　　马大方解释说，由于贮液静压和防风载的需要，大型液氧、液氮贮罐通常设计成下强上弱，所以才会出现上述两起事故时掀顶而底部尚完好的情况。如果设计者在此基础上有意识地在内、外罐顶盖作薄弱设计，如顶盖某处厚度更薄或增加爆破膜安全装置等，发生爆炸事故时可靠泄压是可能的。这不仅不会造成大量低温液体底部外泄产生更大灾害，而且事故后贮罐也不会报废，更换或修复顶盖的损失要小得多。 
　　他强调，对于大型液氧贮罐，这个设计更有必要。因为液氧中有乙炔等碳氢化合物，会引发化学性爆炸，如上述第一起事故，比物理性爆炸更可怕。而且化学性爆炸是连锁、支连锁化学反应，速度非常快，诸如安全阀、呼吸阀、放空阀等安全装置是来不及动作的。如能设计在内、外罐顶盖某个部位为薄弱部位爆破泄压，保住罐体，液体不在底部大量外泄，只是向上汽化损失，确是安全、经济、合理的措施。


　　据马大方介绍，在GB16912-2008《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》国家标准修订中，曾有人提出液氧是超低温氧化剂，液氮汽化是超低温窒息性气体，大型贮罐四周应像大型油罐一样设置安全围堰，围堰内容积应容下最大贮罐满罐泄漏量。随后，修订人员进行了广泛的调研和咨询，认为大型液氧、液氮贮罐区可不设防泄漏安全围堰，故在GB16912修订中未提出设置安全围堰的要求。 
　　天津“8·12”事故后，北京市某区安监局向北京市某钢铁公司氧气厂提出了安全隐患整改意见，要求大型液氧、液氮贮罐的罐区增设防止泄漏安全围堰。该钢铁公司于2015年底，特邀中国安全科学研究院、北京科技大学、北京化学工业协会、中国工业气体工业协会、冶金工业气体安全技术协会、中冶京城工程技术公司、山东钢铁日照公司等单位有关专家学者，在北京开会研讨，最终统一意见，认为可不增设防泄漏安全围堰。 
　　到底大型液氧、液氮贮罐灌区是否需要设置安全围堰？马大方的观点是“可不设置”。他给出了如下解释。 
　　一是液氧是强氧化剂，只助燃，本身不是可燃物。液氮汽化是窒息性气体，还能灭火。而且，他们均为超低温液体，标准状态下的沸点是分别为-183℃和-196℃，泄漏后会很快汽化，一般不会留存，不必设安全围堰。 
　　二是贯彻“安全第一、预防为主、综合治理”的安全生产方针，提高贮罐的设计、制造、施工和运行质量，特别是在内罐底部排液口设置重锤式快速切断阀和顶盖设计为薄弱结构事故泄压，防止液氧、液氮大量外泄事故是有保证的。 
　　三是大型液氧、液氮贮罐区经常有低温液体槽车进出。由于低温液体极易汽化，槽车必须靠近贮罐，若设安全围堰，这些作业将很难甚至无法进行，严重影响生产运行。 
　　四是罐区围堰占地面积很大，会给氧站总图布置带来很大困难，而且极不经济。 
　　五是根据国内外生产实际，大型液氧、液氮贮罐设置安全围堰，方案还不成熟。特殊情况下要求罐区作安全围堰，或者考虑在液体外泄时向安全的低处导流避害等具体情况，要区别对待，但不应纳入设计规范执行。 
　　对于已经投入运行的大型液氧、液氮贮罐增设安全围堰，马大方说，业界专家的基本共识是“几乎不可能”，他也认为如此。原因是总图布置已定型，围堰无处可加；液氧、液氮超低温围堰，目前尚无建造规范与实践，无法实施；可能有安全负面影响，若围堰内存满一大贮罐超低温液氧或液氮，将会冻坏贮罐支架、基础和地基等设施，造成贮罐坍塌的灾难性事故；停产施工，成本昂贵。