大型液氧液氮貯罐:如何設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)安全
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如何在設(shè)計(jì)上確保大型液氧、液氮貯罐安全?除了我們熟知的可靠的強(qiáng)度設(shè)計(jì)、周密的絕熱設(shè)計(jì)、完善的安全設(shè)施儀控設(shè)計(jì)外,在6月24日結(jié)束的中國空分裝置安全運(yùn)營(yíng)大會(huì)上,中國氣體安全技術(shù)委員會(huì)副主任委員馬大方給出了建議。
液氧貯罐管路保溫工程是保證裝置經(jīng)濟(jì)安全的重要環(huán)節(jié)。圖為浙江一家聚氨酯噴涂公司為寧波海軍液氧貯罐實(shí)施保溫工程。 (寧海 攝)
內(nèi)罐排液口
必須設(shè)快速切斷閥
“內(nèi)罐排液口必須設(shè)置重錘式快速切斷閥。”這是馬大方給出的第一個(gè)建議。
他先給記者講述了兩起事故。事故一,2007年11月17日,江西某鋼鐵公司氧氣廠,由400m3液氧貯罐向50m3液氧貯罐用液氧泵倒液氧后,在關(guān)閉液氧泵前真空管道上的進(jìn)口閥時(shí),閥門由于自身設(shè)計(jì)制造缺陷(絕熱材料可燃且液氧滲入)發(fā)生化學(xué)性燃爆。大量液氧外泄,操作者被炸傷凍傷致殘。所幸另一操作者將貯罐下的排液閥門關(guān)閉,防止了事故擴(kuò)大。如果這個(gè)排液閥來不及關(guān),后果將更加嚴(yán)重。
事故二,2010年12月5日,湖北某鋼氣體公司,一外來購買液氧的槽車在充裝完液氧后,未卸下輸液氧管道接頭就將槽車開動(dòng),將輸液氧管道拉斷,閥門損壞,約700m3液氧全部外泄。事故造成一死一傷,3000余居民被疏散,經(jīng)濟(jì)損失巨大。如果內(nèi)罐排液口有快速切斷閥,且能就地和遠(yuǎn)程遙控操作,大量液氧就不會(huì)外泄,事故就不會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。
“目前國內(nèi)大多數(shù)大型液氧、液氮貯罐均未設(shè)置該閥,業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)、制造、使用單位尚未形成共識(shí),但在國外已是成熟經(jīng)驗(yàn)。”馬大方介紹說,大型液氧、液氮貯罐排液,一般在內(nèi)罐底靠中心處設(shè)置兩個(gè)排液口,可在排液口設(shè)置兩個(gè)重錘式快速切斷閥,關(guān)閉靠自身重力,開啟靠垂直牽引的鋼繩。重錘式快速切斷閥和牽引鋼繩均為不銹鋼材質(zhì),抗低溫液體冷凍。兩個(gè)重錘式快速切斷閥配兩個(gè)排液通道,雙保險(xiǎn),如果一個(gè)有故障,不影響正常使用。
馬大方表示,設(shè)置兩個(gè)重錘式快速切斷閥,除了正常工藝功能外,最重要的是其安全功能。當(dāng)貯罐排液管線或閥門發(fā)生事故時(shí),可通過現(xiàn)場(chǎng)儀表盤緊急關(guān)閉按鈕或主控室遠(yuǎn)程操作,將該閥門緊急快速關(guān)閉,防止低溫液體大量外泄,避免事故擴(kuò)大。
據(jù)悉,武鋼氣體公司現(xiàn)有2000m3液氧、液氮貯罐共12臺(tái),均在內(nèi)罐底部排液口設(shè)有重錘式快速切斷閥兩個(gè),全由德國引進(jìn),最早投用的至今已超過10年,功能完好,運(yùn)行安全。目前國內(nèi)尚沒有企業(yè)生產(chǎn)這種重錘式切斷閥。
貯罐頂蓋
宜設(shè)計(jì)為薄弱結(jié)構(gòu)
“貯罐頂蓋宜設(shè)計(jì)為薄弱結(jié)構(gòu),以便發(fā)生爆炸事故時(shí)泄壓,減小損失。國外已有這種設(shè)計(jì)理念與實(shí)踐。”這是馬大方給出的第二個(gè)建議。
他舉例說,2002年某日傍晚,安徽某鋼鐵公司氣體廠400m3液氧貯罐,停用一年多未排空,再投用時(shí)未采取安全措施,裝槽車時(shí)突然發(fā)生典型的化學(xué)性燃爆,罐頂全掀,內(nèi)存100多m3液氧全部爆破汽化,貯罐全毀,但內(nèi)罐底未泄漏。2011年1月11日,石家莊某氣體公司,3000m3/h全液體空分停產(chǎn)檢修一個(gè)月后復(fù)產(chǎn),配套約400m3液氮貯罐已基本恢復(fù)常溫,往里送液氮時(shí)操作過急,液氮汽化超壓,放空不及,發(fā)生物理性超壓爆破,頂蓋爆裂掀翻,貯罐報(bào)廢,內(nèi)外罐底及基礎(chǔ)尚好。
以上兩起事故有一個(gè)共同特點(diǎn):貯罐內(nèi)、外頂蓋全掀飛,內(nèi)存低溫液體均全部爆破汽化,而內(nèi)罐底部尚完好,無液氧或液氮在下部外泄。這給人們一個(gè)啟發(fā),大型液氧、液氮貯罐頂蓋可以設(shè)計(jì)成薄弱結(jié)構(gòu),在發(fā)生爆炸事故時(shí)泄壓,避免大量低溫液體外泄而造成更大的災(zāi)難性事故。
馬大方解釋說,由于貯液靜壓和防風(fēng)載的需要,大型液氧、液氮貯罐通常設(shè)計(jì)成下強(qiáng)上弱,所以才會(huì)出現(xiàn)上述兩起事故時(shí)掀頂而底部尚完好的情況。如果設(shè)計(jì)者在此基礎(chǔ)上有意識(shí)地在內(nèi)、外罐頂蓋作薄弱設(shè)計(jì),如頂蓋某處厚度更薄或增加爆破膜安全裝置等,發(fā)生爆炸事故時(shí)可靠泄壓是可能的。這不僅不會(huì)造成大量低溫液體底部外泄產(chǎn)生更大災(zāi)害,而且事故后貯罐也不會(huì)報(bào)廢,更換或修復(fù)頂蓋的損失要小得多。
他強(qiáng)調(diào),對(duì)于大型液氧貯罐,這個(gè)設(shè)計(jì)更有必要。因?yàn)橐貉踔杏幸胰驳忍細(xì)浠衔铮瑫?huì)引發(fā)化學(xué)性爆炸,如上述第一起事故,比物理性爆炸更可怕。而且化學(xué)性爆炸是連鎖、支連鎖化學(xué)反應(yīng),速度非常快,諸如安全閥、呼吸閥、放空閥等安全裝置是來不及動(dòng)作的。如能設(shè)計(jì)在內(nèi)、外罐頂蓋某個(gè)部位為薄弱部位爆破泄壓,保住罐體,液體不在底部大量外泄,只是向上汽化損失,確是安全、經(jīng)濟(jì)、合理的措施。
貯罐罐區(qū)
可不設(shè)置安全圍堰
據(jù)馬大方介紹,在GB16912-2008《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》國家標(biāo)準(zhǔn)修訂中,曾有人提出液氧是超低溫氧化劑,液氮汽化是超低溫窒息性氣體,大型貯罐四周應(yīng)像大型油罐一樣設(shè)置安全圍堰,圍堰內(nèi)容積應(yīng)容下最大貯罐滿罐泄漏量。隨后,修訂人員進(jìn)行了廣泛的調(diào)研和咨詢,認(rèn)為大型液氧、液氮貯罐區(qū)可不設(shè)防泄漏安全圍堰,故在GB16912修訂中未提出設(shè)置安全圍堰的要求。
天津“8·12”事故后,北京市某區(qū)安監(jiān)局向北京市某鋼鐵公司氧氣廠提出了安全隱患整改意見,要求大型液氧、液氮貯罐的罐區(qū)增設(shè)防止泄漏安全圍堰。該鋼鐵公司于2015年底,特邀中國安全科學(xué)研究院、北京科技大學(xué)、北京化學(xué)工業(yè)協(xié)會(huì)、中國工業(yè)氣體工業(yè)協(xié)會(huì)、冶金工業(yè)氣體安全技術(shù)協(xié)會(huì)、中冶京城工程技術(shù)公司、山東鋼鐵日照公司等單位有關(guān)專家學(xué)者,在北京開會(huì)研討,最終統(tǒng)一意見,認(rèn)為可不增設(shè)防泄漏安全圍堰。
到底大型液氧、液氮貯罐灌區(qū)是否需要設(shè)置安全圍堰?馬大方的觀點(diǎn)是“可不設(shè)置”。他給出了如下解釋。
一是液氧是強(qiáng)氧化劑,只助燃,本身不是可燃物。液氮汽化是窒息性氣體,還能滅火。而且,他們均為超低溫液體,標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的沸點(diǎn)是分別為-183℃和-196℃,泄漏后會(huì)很快汽化,一般不會(huì)留存,不必設(shè)安全圍堰。
二是貫徹“安全第一、預(yù)防為主、綜合治理”的安全生產(chǎn)方針,提高貯罐的設(shè)計(jì)、制造、施工和運(yùn)行質(zhì)量,特別是在內(nèi)罐底部排液口設(shè)置重錘式快速切斷閥和頂蓋設(shè)計(jì)為薄弱結(jié)構(gòu)事故泄壓,防止液氧、液氮大量外泄事故是有保證的。
三是大型液氧、液氮貯罐區(qū)經(jīng)常有低溫液體槽車進(jìn)出。由于低溫液體極易汽化,槽車必須靠近貯罐,若設(shè)安全圍堰,這些作業(yè)將很難甚至無法進(jìn)行,嚴(yán)重影響生產(chǎn)運(yùn)行。
四是罐區(qū)圍堰占地面積很大,會(huì)給氧站總圖布置帶來很大困難,而且極不經(jīng)濟(jì)。
五是根據(jù)國內(nèi)外生產(chǎn)實(shí)際,大型液氧、液氮貯罐設(shè)置安全圍堰,方案還不成熟。特殊情況下要求罐區(qū)作安全圍堰,或者考慮在液體外泄時(shí)向安全的低處導(dǎo)流避害等具體情況,要區(qū)別對(duì)待,但不應(yīng)納入設(shè)計(jì)規(guī)范執(zhí)行。
對(duì)于已經(jīng)投入運(yùn)行的大型液氧、液氮貯罐增設(shè)安全圍堰,馬大方說,業(yè)界專家的基本共識(shí)是“幾乎不可能”,他也認(rèn)為如此。原因是總圖布置已定型,圍堰無處可加;液氧、液氮超低溫圍堰,目前尚無建造規(guī)范與實(shí)踐,無法實(shí)施;可能有安全負(fù)面影響,若圍堰內(nèi)存滿一大貯罐超低溫液氧或液氮,將會(huì)凍壞貯罐支架、基礎(chǔ)和地基等設(shè)施,造成貯罐坍塌的災(zāi)難性事故;停產(chǎn)施工,成本昂貴。