氧气管道系统安全设计、生产等国内外标准对比分析及实践研究

转载：安工智享

随着我国化工行业的不断发展，化工产品的不断优化，氧气的使用越来越广泛。但是在氧气生产、供应特别是输送氧气管线系统中，经常发生安全事故，造成设备损坏和人身伤亡，相关事故教训极其惨痛。为此，在华外企安全专家组秘书处邀请成员单位液化空气集团（以下简称“液空”）专家对氧气管道安全设计、生产等国内外标准进行对比分析，并结合管理经验提出更符合安全要求的工程实践建议。

液空的氧气管道系统设计是以风险控制为基准，从可能性及严重性二个维度进行风险管理与控制。

液空风险矩阵（图1）以GB36894-2018《危险化学品生产装置和储存设施风险基准》为基础，作为主要欧洲气体协会标准参与和编写者，风险矩阵又系统地应用和参考了欧洲气体协会标准IGC文件要求，具体根据燃烧三要素（图2），对氧气管道的系统及每个元件逐一进行燃爆可能性与严重性分析，将氧气燃烧爆炸的风险控制在低风险绿色区域。

降低可能性

氧化剂：从工艺上考虑，尽可能降低燃烧三要素中的氧化剂的氧浓度，压力，温度或速度。

可燃物：尽量除去系统中的油脂颗粒污染物等等，保持清洁。不得使用润滑油，不用或少用润滑脂，不用或少用非金属材料，采用金属材料时，避免小和薄的零件，一定条件下，采用阻燃材料。

点火源：每种点火源都需要一定的条件，因此对点火源，应当控制或去除各个点火机理的点火条件。

举例说明：颗粒冲击被认为是气氧燃爆事故的主要原因之一。颗粒冲击需要四个条件：颗粒物存在，高流速，冲击角及冲击点上的可燃物，如果能够去除颗粒或降低流速，就有很大的可能性控制颗粒冲击这个燃烧机理。

降低严重性

采用自动或无人操作，安装防护罩或墙，设置对人的安全距离或对设备财产的分离距离。

说明：人与物对爆炸冲击波及热辐射等的承受能力不一样，因此设置的防护距离不一样：比如冲击波人最大只能承受是20mbar,设备可以到达200mbar以下；而热辐射也同样。

针对国内氧气管道设计，安装和运行中存在的问题，通过分析研究，液化空气集团专家提出如下建议：

一个颗粒杂质集聚的典型案例（图3）：

如上图3所示，当空分1气氧停止运行，其他系统代替它供氧期间，比如空分2气氧或后备系统气氧管道投用时，空分1的气氧管道的低点可能成为其他系统运行时的颗粒杂质集聚点。当一段时间运行后，空分1气氧管道再度投用时，颗粒冲击的风险就非常高。

颗粒冲击是气氧中最大可能的燃爆机理，安装维护中虽然严格进行清洁及吹扫，实际管道系统中不可避免地存在或会产生颗粒杂质。因此，设计及安装中应当避免颗粒杂质集聚的低点盲端。

1963年德国材料试验所W-Wegener的《氧气在钢管中容许流速的研究》报告中指出，通过不同物质在不同流速的氧气流中进行多次着火燃烧试验，当氧气管道中只有不可燃烧物质颗粒时，即便是在比较高的氧气流速，管道也没有燃烧的危险。但有可燃物质颗粒时，只要达到一定流速，管道就可能燃烧。可燃物质的着火点愈低，引起氧气管道燃烧的氧气流速愈低。

气氧流速控制主要是为了控制与流速相关的燃爆机理，而与流速相关的仅仅或主要是颗粒冲击这个机理。因此，控制流速对于控制颗粒冲击这一气氧燃爆机理也至关重要。

国外有大量的工程实践证明，碳钢管道可以用于压力高于3.0MPa的气氧管道中，特别是长输管道。因为是埋地管道，不锈钢的外腐蚀防护没有可鉴戒的经验。虽然碳钢与不锈钢存在不少差异，如碳钢生锈的情况下内部会产生颗粒，而不锈钢一般情况下不会，但是长期在氧工况运行的情况下，二者差别并不大。并且，不锈钢与碳钢相比，燃烧性能并没有什么优势，如燃烧热，导热系数等，不锈钢的性能反而更差。液空通过大量实验证实，不锈钢对于气氧没有明显的豁免压力。

因此，建议修订国家标准规范，允许碳钢使用于大于3.0MPa的气氧管道。

由于存在防护墙或罩的防护，气氧燃爆风险从风险矩阵上研究有可能已经达到了可接受的范围。因此，存在防护墙或罩的情况下，对流速的限制可以局部放宽。

非金属材料相对金属材料来说，与氧的兼容性更差，更容易在气氧中被点燃，因此它的选择也是气氧管道系统中的重要议题。

非金属主要用于垫片，阀座，螺纹润滑剂，螺纹密封件，阀填料以及类似的应用场合。非金属材料是点火链燃烧机理中的罪魁祸首。点火链的燃烧机理是，燃烧首先从小的或容易燃烧的物质开始，如小能量点燃油或脂，然后燃烧放出的热量，点燃非金属材料，然后点燃小的或薄的金属材料，然后点燃大的金属材料。纯非金属材料的氧兼容性能众所共知，如纯聚四氟乙烯，纯石墨等与氧的兼容性都很好，但问题是纯的材料在可靠性方面存在缺陷，如纯聚四氟乙烯用作垫片，一般大概率会泄漏，石墨也存在同样问题。

因此，一般工程实践中使用添加其他材料或改性的非金属材料需要提供相关氧兼容性的测试证明。氧兼容性测试项目内容对气氧来说主要是高压纯气氧条件下的自燃温度，而这些测试需要行业内认可的实验室，采用ISO 11114-3、EN 1797 或 ASTM D2512 的标准进行测试。

“气体排放”主要指空分设备的富氧气体（氧气）排放，以及窒息气体（氮气，氩气）排放。排放富氧气体存在增加燃烧可能性风险，而且其中含有的窒息气体也会危及人身安全。目前国内标准规范虽然涉及到最小高度的要求，但是没有考虑到相关参数的影响，存在不合理因素，如没有考虑风向，排放温度，排放比重，排放直径，平台，气象条件等。现行的国家标准对于气体排放的最小高度是4米或4.5米，可能存在排放高度不够或过高的风险。比如，氧气排放云团一般会向下沉降(图4），在4.5米的排放高度，大于50mm口径的排放速度比较低，按照PHAST软件模拟，排放高度不够；而氮气云团会往上升，4.0米的高度又有点过高。

因此，排放高度需要考虑以上各个因素，通过排放气体扩散计算确定，并且制定相关国家或行业标准。