淺析化工裝置中毒性介質(zhì)的安全設(shè)計(jì)

羅　瓊

（福陸（中國(guó)）工程建設(shè)有限公司，上海 201103）  

針對(duì)化工裝置中存在的有毒介質(zhì)，國(guó)外工程公司和企業(yè)尤為強(qiáng)調(diào)安全設(shè)計(jì)。在項(xiàng)目前期，工程公司會(huì)根據(jù)相關(guān)規(guī)定對(duì)介質(zhì)毒性分類。再結(jié)合工藝裝置特性、業(yè)主的安全要求以及國(guó)際上通用的理念和原則，通過(guò)制定工藝、管道、靜/ 動(dòng)設(shè)備、儀表、電氣、采暖通風(fēng)、土建等專業(yè)的設(shè)計(jì)規(guī)定，從根本上將工藝毒性介質(zhì)泄漏的可能性降到最低，從而保證化工裝置安全運(yùn)行。  

1 國(guó)內(nèi)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（略）  

2 國(guó)外工程公司針對(duì)毒性介質(zhì)的安全設(shè)計(jì)理念

2.1　工　藝

2.1.1　減少存儲(chǔ)量

危險(xiǎn)介質(zhì)存儲(chǔ)量越大，事故時(shí)造成的損失和影響范圍就越大。在滿足生產(chǎn)平穩(wěn)運(yùn)行前提下，盡量縮短物料在設(shè)備內(nèi)的停留時(shí)間，選用存液量少的分餾設(shè)備，從而減少有毒介質(zhì)在生產(chǎn)過(guò)程中的總存量。對(duì)于存儲(chǔ)有毒介質(zhì)的大型設(shè)備底部、大排量泵、高溫（≥自燃點(diǎn)）泵入口、功率>200 HP 壓縮機(jī)進(jìn)出口管線，均應(yīng)考慮設(shè)置事故自動(dòng)隔離閥，事故時(shí)緊急切斷，以減少事故外泄量。

2.1.2　系統(tǒng)能 量隔離

基于介質(zhì)的毒性等級(jí)，以及設(shè)備檢維修的頻次，結(jié)合操作人員的經(jīng)驗(yàn)，制定適用于項(xiàng)目的能量隔離方案。通常而言，進(jìn)出裝置的有毒物料均應(yīng)在邊界處設(shè)置切斷閥，并在裝置側(cè)安裝“8”字盲板，避免裝置火災(zāi)或停工檢修時(shí)相互影響。處理有毒介質(zhì)的設(shè)備，在裝置運(yùn)行中需要切斷進(jìn)行檢修清理時(shí)，應(yīng)設(shè)雙閥隔離或單閥隔離加盲板。

2.1.3　吹掃和置換

開(kāi)停工裝置內(nèi)設(shè)備和管道的吹掃和置換是為安全開(kāi)停工及檢修創(chuàng)造條件。吹掃不凈，不完善的吹掃系統(tǒng)，不符合要求的吹掃介質(zhì)會(huì)為事故留下隱患。固定吹掃系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有防止危險(xiǎn)介質(zhì)反串的措施。

2.1.4　密閉取樣

為確保采樣過(guò)程中對(duì)周邊環(huán)境的近零排放，盡量避免設(shè)置手動(dòng)取樣點(diǎn)。若不可避免，宜選用密閉采樣系統(tǒng)取樣。采樣過(guò)程中的采樣裝置不應(yīng)有可視的液體泄漏，采樣過(guò)程中的有毒氣體濃度不得大于規(guī)定的職業(yè)衛(wèi)生接觸限值濃度。

2.1.5　密閉放空排液系統(tǒng)

放空口和排凝口是容易發(fā)生泄漏的部位。針對(duì)毒性介質(zhì)，尤其是極度危害的介質(zhì)，配管布置時(shí)應(yīng)盡量減少高點(diǎn)放空、低點(diǎn)排凝的“死區(qū)”。若不可避免，需配置密閉放空排凝系統(tǒng)，送至相應(yīng)的凈化處理或回收裝置。

2.1.6　安全泄壓設(shè)施

遵循ASME 設(shè)計(jì)的容器均要求考慮安全泄壓設(shè)施。對(duì)于極度危害的介質(zhì)，建議通過(guò)提高設(shè)計(jì)的本質(zhì)安全（例如提高最大允許工作壓力），規(guī)避除了火災(zāi)以外的超壓工況；安全閥和爆破片應(yīng)組合使用，以降低有毒介質(zhì)從安全閥外泄的可能性；適當(dāng)考慮可靠的防火保溫措施，減少火災(zāi)工況下的安全泄放量；或通過(guò)抬高設(shè)備安裝位置，避免池火形成來(lái)規(guī)避火災(zāi)的可能性。

2.1.7　安全泄放降解裝置

隨著化工裝置能力的日益擴(kuò)大，事故工況下，安全泄放的有毒氣體動(dòng)輒會(huì)達(dá)到每小時(shí)百萬(wàn)立方米，所有有毒緊急排氣需集中匯總到廠區(qū)緊急降解裝置（如火炬或洗滌塔），經(jīng)過(guò)凈化處理達(dá)標(biāo)后才能排放。若無(wú)適宜的降解系統(tǒng)，有毒氣體仍需集中回收?？赏ㄟ^(guò)搭建擴(kuò)散模型確定泄放總管的排放高度，以將泄放過(guò)程中對(duì)周邊人員和環(huán)境的影響降到最低，并提高安全儀表等級(jí)來(lái)降低緊急泄放的概率。

2.2　管道及靜設(shè)備

2.2.1　夾套設(shè)備及夾套管設(shè)置

對(duì)于不在封閉廠房?jī)?nèi)裝有極度危害介質(zhì)的設(shè)備和管道，應(yīng)設(shè)外夾套，防止外泄的工藝物料擴(kuò)散到周邊操作環(huán)境中。夾套內(nèi)設(shè)有一定流量的連續(xù)惰性吹掃氣體，一旦發(fā)生泄漏，工藝物料隨惰性氣體送至全廠廢氣處理裝置，降達(dá)標(biāo)后就地排放。在惰性氣體的排氣管路上配置在線分析儀以便監(jiān)測(cè)泄漏工藝介質(zhì)的來(lái)源。

2.2.2　容器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)容器時(shí)，內(nèi)件應(yīng)防止積液；容器內(nèi)應(yīng)避免物流死區(qū)，還應(yīng)設(shè)置容器清洗通風(fēng)設(shè)施。對(duì)需要進(jìn)入容器內(nèi)檢維修的設(shè)備，需在立式容器頂部或臥式容器人孔的另一側(cè)封頭設(shè)置通風(fēng)口，通風(fēng)口的尺寸與設(shè)備容積成正比。

2.2.3　管口/ 管道尺寸

針對(duì)有毒介質(zhì)，避免選用2"以下的設(shè)備管口及工藝管道（包括放空排凝管線）。通過(guò)增大尺寸、增加管口和管道強(qiáng)度，防止由外力作用引起的低周疲勞斷裂；在滿足水力學(xué)的前提下，優(yōu)化管道尺寸，從而減少毒性介質(zhì)在管道中的存儲(chǔ)量。

2.2.4　換熱器設(shè)計(jì)

換熱管和管板是換熱器殼程和管程之間的唯一屏障，也是換熱器最容易引起工藝介質(zhì)泄漏的部位。針對(duì)有毒介質(zhì)，國(guó)外均采用密封焊，保證換熱管與管板連接的密封性能；對(duì)于極度危害介質(zhì)，不宜使用浮頭式換熱器；走管程的極度危害介質(zhì)，需采用TEMA“B”或“N”型管箱；極度危害介質(zhì)，不宜使用空冷器。

2.2.5　管　件

用于極度或高度危害毒性介質(zhì)的支管管件，優(yōu)先選用標(biāo)準(zhǔn)三通，其次為支管臺(tái)或嵌入式支管。避免使用安放式接管；不宜采用補(bǔ)強(qiáng)圈作為補(bǔ)強(qiáng)措施；不宜選用螺紋或承插連接。危險(xiǎn)介質(zhì)管道應(yīng)盡量避免使用波紋膨脹節(jié)解決管道應(yīng)力問(wèn)題。

2.2.6　法蘭/ 墊片

對(duì)于極度危害介質(zhì)，除必要的法蘭連接外，應(yīng)盡量采用焊接方式。若法蘭連接不可避免，選用墊片時(shí)，應(yīng)選擇焊唇密封環(huán)。其余毒性介質(zhì)墊片的密封性能應(yīng)符合美國(guó)環(huán)保局或德國(guó)TA Luft接近空氣法案規(guī)定的VDI 2440 檢驗(yàn)方法。相較CL 150 法蘭，CL 300 法蘭的內(nèi)孔和突面直徑是相同的，但其螺栓孔數(shù)量以及螺栓孔直徑都相應(yīng)增加。因而，在滿足溫壓的前提下，對(duì)于毒性介質(zhì)，尤其是極度危害的工藝物質(zhì)，至少選用等級(jí)CL 300 或以上的法蘭，以此避免法蘭在溫壓臨界狀態(tài)下使用。

2.2.7　閥門

密封極度危害介質(zhì)的管道閥門，不得采用螺紋閥蓋的閥門，高壓閥門應(yīng)選用壓力密封結(jié)構(gòu)或更好的密封結(jié)構(gòu)。事故隔離閥采用軟密封時(shí)應(yīng)是防火型；對(duì)于毒性介質(zhì)的閥門，都需遵循《工業(yè)閥門漏氣測(cè)量、試驗(yàn)和鑒定程序》（ISO 15848）。

2.2.8　用于水壓試驗(yàn)放空排凝接口

盡量減少用于水壓試驗(yàn)的排氣排水口。對(duì)于極度危害的介質(zhì)，水壓試驗(yàn)后需關(guān)閉放空排凝閥并焊死末端；毒性較弱的工藝介質(zhì)，可選用盲法蘭隔離閥門末端；不應(yīng)設(shè)置用于水壓試驗(yàn)的臨時(shí)放空排凝接口。

2.2.9　檢驗(yàn)及處理要求

用于盛裝毒性為極度或高度危害介質(zhì)的碳素鋼和低合金鋼制容器應(yīng)進(jìn)行焊后熱處理。針對(duì)極度或高度危害介質(zhì)的容器，所有焊縫應(yīng)進(jìn)行全部射線或超聲檢測(cè)；法蘭接口和換熱器管板連接處需要?dú)饷茉囼?yàn)；焊接、法蘭接口和換熱器管板連接處需要氦檢漏；需在最低金屬設(shè)計(jì)溫度下進(jìn)行40 J 沖擊功的沖擊試驗(yàn)。

2.3 動(dòng)設(shè)備

2.3.1　軸　封

以泵為例，軸封裝置是設(shè)立于旋轉(zhuǎn)的泵軸和靜止的泵殼之間的密封裝置，可以防止外泄漏，也可以防止空氣吸入泵內(nèi)。為了防止有毒介質(zhì)的外泄，轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備的軸封應(yīng)采用帶檢測(cè)的串聯(lián)密封（多級(jí)密封）或直接選用零泄漏設(shè)備（如屏蔽泵或磁力泵）。

2.3.2　測(cè)試檢驗(yàn)

測(cè)試含有毒介質(zhì)的設(shè)備殼體及其連接需遵循相關(guān)規(guī)定，例如，德國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)VDMA關(guān)于離心泵的標(biāo)準(zhǔn)（VDMA 24276）。

2.4　儀　表

2.4.1　儀表系統(tǒng)與工藝介質(zhì)分離

為了保護(hù)正常操作，儀表系統(tǒng)的保護(hù)需要將工藝介質(zhì)與儀表系統(tǒng)隔離，使儀表系統(tǒng)適用于環(huán)境要求。如采用膜片密封方式將儀表與工藝介質(zhì)隔離；采用隔離液方式將儀表及其測(cè)量管路與工藝介質(zhì)隔離；含有毒介質(zhì)的儀表管線應(yīng)盡量靠近工藝管線及設(shè)備。

2.4.2　選用波紋管密封控制閥和安全閥

控制閥是通過(guò)閥桿提升改變閥芯和閥座的流通截面積來(lái)實(shí)現(xiàn)流體量的調(diào)節(jié)。閥桿的提升運(yùn)動(dòng)往往會(huì)導(dǎo)致工藝介質(zhì)外泄。對(duì)于有毒性的流體不允許其泄漏時(shí)，就不能使用徑向環(huán)縫的填料密封，必須使用金屬波紋管密封來(lái)實(shí)現(xiàn)“零泄漏”的要求。

2.4.3　儀表選型

對(duì)于毒性介質(zhì)，不宜配置視鏡以及類似玻璃管液位計(jì)的玻璃監(jiān)測(cè)元件；選擇泄漏等級(jí)至少是Class V 的開(kāi)關(guān)閥和Class IV 的控制閥；引壓管不宜選用硬管；對(duì)于極度危害介質(zhì)的控制閥，不宜考慮設(shè)置旁路。

2.5　土　建

對(duì)于有極度危害介質(zhì)的工藝設(shè)備和管道，國(guó)外的通用做法是將其設(shè)置在封閉廠房?jī)?nèi)，從而降低設(shè)備或管道泄漏對(duì)于周邊人員和裝置的影響。如果把存儲(chǔ)有毒介質(zhì)的容器和管道認(rèn)為是第一道物理保護(hù)層的話，封閉廠房的作用就是為了防止有毒介質(zhì)擴(kuò)散到外界的第二道物理保護(hù)層。相較普通廠房，封閉廠房在密封和安全疏散方面有特定的考量。例如，廠房大門必須向外開(kāi)，盡量減少墻縫，廠房?jī)?nèi)微負(fù)壓設(shè)計(jì)防止有毒氣體外泄，嚴(yán)格控制操作人員進(jìn)出，設(shè)置專用氣體探頭等等。

除了以上各專業(yè)通用的安全設(shè)計(jì)理念外，工程公司還會(huì)依據(jù)裝置中工藝介質(zhì)的特殊性，例如環(huán)境條件下的穩(wěn)定性、與水反應(yīng)的劇烈程度、對(duì)熱或機(jī)械沖擊的敏感性等，再具象化相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。  

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于有毒介質(zhì)的化工裝置，事故次生危險(xiǎn)對(duì)生命財(cái)產(chǎn)和環(huán)境有強(qiáng)大的破壞力。為確保安全生產(chǎn)運(yùn)行，需要從工程設(shè)計(jì)源頭環(huán)節(jié)加以重視。相較國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)院各專業(yè)從各級(jí)規(guī)范中尋找相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)定的做法，國(guó)外工程公司結(jié)合當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)、業(yè)主要求和項(xiàng)目特殊性發(fā)展的項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)定更具針對(duì)性和實(shí)用性。建議國(guó)內(nèi)有關(guān)部門針對(duì)不同毒性，尤其是極度危害和高度危害介質(zhì)，制定一套完整全面的設(shè)計(jì)管理規(guī)定，從工藝、儀表、設(shè)備、管道、土建設(shè)計(jì)上采取措施，從設(shè)計(jì)源頭防范于未然。

參考文獻(xiàn)（略）