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， 特別是冷箱管道和结构，冷箱精馏系统，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“IST” 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 ，如以下的风险控制矩阵所示（图1）。

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。

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，乙炔，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（3～30）×10-6之间 ，总碳含量（不包括甲烷)应被控制在（1～12）×10-6之间，丙烷含量应被控制在（0.3～4）×10-6。文献要求空分液氧中总碳含量＜100×10-6，不够全面，值得商榷或需要修订；而且由于理论上乙炔被分子筛吸附器100%吸附，并且乙炔在液氧中的溶解度是（4～6）×10-6，因此，文献[2]要求空分液氧中乙炔含量＜0.1×10-6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。

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。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。

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，设备管口推力校核的正确性。

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，局部结冰或扒砂引起的事故。

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、液氩，而200吨以上液氧根据国家标准GB18218-2018《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，液氮及液氩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。

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

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）

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——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问的关键交接点，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的二次应力外，还有端点位移引起的二种失效模式：第一个是内容器压力向上的抬升力超过管道与内容器连接处的许用应力；第二个绝热夹层压力使外容器产生向上的抬升力超过管道与外容器连接处的许用应力。这两种情况可能的失效后果是内容器地脚变形或局部破裂、内容器或外容器与管道相对变形位移、管道局部破裂以及液体泄漏，如图8所示。

低温平底储罐外部管道失效机理：柔性不够，碳氢化合物积聚爆炸以及外部荷载冲撞或泵火灾引起的多米诺效应。

2.本质安全化设计措施

合理的绝热夹层内管线设计：管道布置自补偿，不允许有位于夹层内的管道膨胀节。管道穿外容器 壁设计：从混凝土底板穿出，而一般不从外容器侧壁穿出。如必须侧壁穿出时需要特殊设计，从而避免外容器对管道的影响。液体抽出管安全设计：安装自动切断阀用以紧急切断响应；配备用于维修的自动阀和位于上游的手动切断阀；在靠近自动阀的高点设置气封，用以改善维修阀门时的可靠性及安全性；液氧管道配置防碳氢化合物积聚的热虹吸管；自动阀后管道加设大刚度的固定点；管道系统需要好的柔性。设置安全阀和翻板装置作为夹层超压安全保护装置。

（三）相关危险防范措施

1. 溢流防范措施

（1）失效机理

如果没有溢流保护系统或它不起作用，液体就可能到达内容器顶部，并且可能再上升到达安全阀底，导致罐顶向上抬升的静压很大，一般可以达到设计压力的几倍，而内容器罐顶的安全阀却不会动 作，所以罐顶的安全阀不能作为溢流的防护措施(如图9所示)

图9 溢流危险

（2）本质安全化安全防护措施

配备实质物理上的真正溢流管，并且在溢流管上配置溢流安全阀，并且设置防溢流安全保护回路，它由两个独立的液位检测、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。

2. 气相超压防范措施

（1）失效机理

气相超压可能发生在当蒸发和闪蒸的流量大于放空阀排放流量的时候。由于罐顶连接强度一般大于地脚锚带，所以超压主要影响内容器地脚系统。

（2）安全防护措施

如前所叙的合理内容器设计及合理的地脚系统设计，并且设置多层超压安全控制及泄放装置，它们分别是放空阀、安全阀和爆破片。配置压力控制阀，至少2个安全阀，其设置应当保证储罐运行中至少有1个安全阀作用，能排放100％的安全泄放流量，即使有一个发生故障或维修时也应当保证1个 安全阀工作。超压安全控制回路按前所叙。

3. 地震防范措施

（1）失效机理

横向地面运动引起筒体及液体谐振，有两个主要破坏作用：水平荷载引起液体晃动；垂直荷载产生倾复力矩，液体晃动可能损坏顶盖和顶部筒体。两个作用均影响地脚系统，当然液位高时可能影响顶盖。典型的地震破坏是筒壁屈曲，即所谓的“象腿”。

（2）安全防护措施

采用合理的基础设计、混凝土底板设计及地脚系统设计，并采用高强度的绝热泡沫玻璃砖；经有资质的土建工程师审批基础设计及地震计算。

4. 其他失效模式防范措施

（1）顶部压环破坏和顶部连接破裂

它的失效模式是突然气体卸压、气体及珠光砂泄漏喷射，可能无液体泄漏。合理的内容器设计是其安全防护措施。

（2）负压防范措施

真空负压可能发生于：储罐筒体冷却太快或充装过冷液体时；排液过快时；液压试验后排液没有将放空阀或人孔打开时；排液时增压系统有问题时；充装时气体冷凝时；装填珠光砂时。合理的夹层保护设计和防真空安全装置是其安全防护措施。

夹层保护设计：用干燥氮气不断充人夹层以驱赶潮气及防止罐体最初冷却时的真空。配备气源调压器及背压调压器，2个调节器可用二级压力调节器替代，气源调压器信号由背压调压器反馈，用转子流量计监测流量，以保证夹层空间压力正常；安装压力变送器，当夹层空间超出压力范围时向操作员报警。

（3）溢流区及溢流监测

为保证不可避免的液体泄漏，如少量排液、充车管道等，应当设置溢流区，使低温液体流向非敏感设备或区域，如电器仪表等区域。溢流区体积按安全等级设定为储罐体积的百分比(最少5％）。溢流探测安全控制回路由低温液体探测仪及温度探测仪等组成。设置急停按钮用于储罐紧急安全隔离。

本文介绍探讨了液空集团冷箱和平底罐本质安全化设计方法和经验，希望能够对行业安全做出相应的贡献。空分设备作为钢铁，化工，煤化工或石油化工企业重要的公辅设施，它的长期可靠安全运行对于全企业的安全生产具有显著影响。因此，在设计阶段充分辨识各个工艺和设备中潜在的危险及其失效机理，针对性地采用风险控制手段，是实现空分本质安全化或更安全设计的关键或根本手段。