中美可燃氣體探測報警系統應用標準差異研究

蔡亮

中國航油集團津京管道運輸有限責任公司，天津300300

中美可燃氣體探測報警系統應用標準差異研究

蔡亮

中國航油集團津京管道運輸有限責任公司，天津300300

可燃氣體探測報警系統是保證油氣管道站場設備和人員安全的重要設施。國內已有可燃氣體探測報警系統的設計、產品參數、施工安裝調試以及檢定校準等標準，但整體還不完善。以新發布的美國標準ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012《爆炸性氣體環境第29－2部分:氣體探測器——易燃氣體和氧氣探測器的選型、安裝、使用和維護》為例，介紹了美國油氣管道站場可燃氣體探測報警系統在產品選型、傳感器冗余設計、設置場所、報警設定值、運行維護和使用方法培訓方面的先進經驗和推薦做法，例如遠程控制可燃氣體探測報警系統的傳感器采用雙重或三重冗余設計，可燃氣體探測報警系統一級報警設定值＜20%LEL，以及故障時應采取的替代措施等。最后，提出了借鑒美國標準完善國內可燃氣體探測報警系統標準的建議。

可燃氣體探測器;標準;選型;報警;運行維護

0 前言

可燃氣體探測報警系統(以下簡稱氣體探測器)由報警儀和探測器組成，廣泛應用于油氣管道站場［1］，是保證油氣站場設備和人員安全的重要設施，適用于聚集易燃氣體—空氣混合物的場所，通過探測易燃氣體，發出聲光報警并啟動預防措施(停止設備運行、疏散人員、啟動通風、消除點火源和實施滅火程序)，降低環境危險性［2］。本文以新發布的美國標準ISA－60079－29－2 (12.13.02)－2012《爆炸性氣體環境第29－2部分:氣體探測器——易燃氣體和氧氣探測器的選型、安裝、使用和維護》［3］(以下簡稱ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012)為例，介紹了美國油氣管道站場可燃氣體探測報警系統在產品選型、傳感器冗余設計、設置場所、報警設定值、運行維護和培訓方面的先進經驗和推薦做法，對提高中國石油行業安全管理技術水平具有一定參考意義。

1 國內氣體探測器相關標準

國內涉及涵蓋氣體探測器的標準包括國家標準、行業標準和企業標準三個層面，層級較多，各有側重［4］。氣體探測器的系統硬件設計、產品參數，依據國家標準GB 16808－2008《可燃氣體報警控制器》［5］(以下簡稱GB 16808－2008)等;氣體探測器的施工安裝調試以及定期檢定校準，可參照國家標準GB 50116－2013《火災自動報警系統設計規范》(以下簡稱GB 50116－2013)［6］。本文重點研究與油氣管道站場安全密切相關的氣體探測器的選型、設置場所和運行維護等內容，其中氣體探測器選型、設置場所和安裝區域尺寸要求，參照國家標準GB 50493－2009《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計規范》(以下簡稱GB 50493－2009)［7］、GB 50183－2004《石油天然氣工程設計防火規范》(以下簡稱GB 50183－2004)［8］以及行業標準SY 6503－2008《石油天然氣工程可燃氣體檢測報警系統安全技術規范》(以下簡稱SY 6503－2008)［9］，氣體探測器的日常檢查、維護管理介紹了中國石油企業標準Q/SY 152－2012《油氣管道火災和可燃氣體自動報警系統運行維護規程》(以下簡稱Q/SY 152－2012)［10］和Q/SY GD 1053－2014《輸油氣站庫固定消防系統手冊》(以下簡稱Q/SY GD 1053－2014)［11］等的做法。

2 美國氣體探測器相關標準

美國儀表協會(Instrument Society of America，ISA)成立于1945年，致力于制定自動化領域的標準準則，包括計量設備、控制裝置、計算機硬件/軟件、符號系統、安全儀表等專業。ISA標準受國際公認，2008年ISA重新命名為International Society of Automation。ISA關于可燃氣體和有毒氣體探測器、安全儀表系統完整性、爆炸性氣體環境電氣設備標準，如ISA 92.00.02－2013《有毒氣體探測器的安裝、操作和維護》、ISA TR 84.00.03－2012《安全儀表系統(SIS)的機械完整性》和ISA 60079－26－2011《爆炸性氣體環境－第26部分:在1類0區危險區域的電氣設備》，具有較強的通用性和權威性。

美國標準ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012于2012年6月出版，是美國氣體探測器領域的綜合性標準，基本代表了美國氣體探測器的技術水平和發展趨勢。

3 氣體探測器類型

國內標準SY 6503－2008和Q/SY GD 1053－2014規定烴類可燃氣體宜選用催化燃燒型或紅外吸收型氣體探測器，缺氧或高腐蝕性場所宜選用紅外吸收型氣體檢測器，其他應用還包括電化學型、熱傳導型、半導體型、光致電離型氣體探測器。催化燃燒型氣體檢測器具有響應快、線性好、示值重復性好、干擾小、精度高、廣譜性及穩定性好等優點，應用最廣泛［12］。

美國標準ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012介紹了催化燃燒型、熱傳導型、紅外吸收型、半導體型、電化學型和光致電離型氣體探測器，規定了氣體探測器的工作溫度、適用探測氣體種類/濃度范圍、靈敏度、響應時間和抗干擾性等，中美標準基本一致。此外還介紹了中國標準未規定的火焰離子化探測器(Flame ionization detectors，FID)和火焰溫度分析儀(Flame Temperature Analysers，FTA)［13］:

1)火焰離子化探測器原理是有機化合物的電離作用，有機化合物在探測器內部的H2火焰中燃燒。離子云運動產生電勢梯度，在燃燒室的電極間形成幾百伏的電壓，從而產生極弱的電流，與氣流中的氣體濃度成比例關系。火焰離子化探測器不能探測惰性氣體和易燃無機氣體(NO、N2、O2、CO2、H2、CO和H2S)，適用于探測易燃有機化合物(不含甲醛)或高溫氣體。反應時間快，通常低于1 s;測試范圍寬，從百萬分之幾到LFL，甚至更高。

2)火焰溫度分析儀工作原理基于火焰溫度的升高值，火焰由空氣樣品中的易燃污染物燃燒產生，要求氣體樣品中的空氣和易燃氣體流量應保持恒定以形成火焰。火焰溫度分析儀適用于探測濃度低于LFL的易燃氣體和高溫氣體，反應時間低于5 s。

4 氣體探測器選型

中國標準根據探測氣體種類選用相應類型的氣體探測器，例如GB 50493－2009規定烴類可燃氣體可選用催化燃燒型或紅外吸收型氣體探測器;缺氧或高腐蝕性場所選擇紅外吸收型氣體探測器;H2檢測選用催化燃燒型、電化學型、熱傳導型探測器。

中國氣體探測器設備選型較簡略，主要依據設計慣例和投資資本因素，很少綜合考慮易燃氣體—空氣混合物性質、探測場所特點、人員可進入性和方便維護等因素。美國標準ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012規定了選擇氣體探測器應考慮的因素，內容全面細致，具有借鑒意義，具體如下:釋放源物理性質、幾何形狀以及是否封閉等;探測氣體各組分的濃度范圍，所需氣體探測器量程和精度;易燃液體的揮發性，包括蒸汽壓力、汽化熱、沸點、閃點、相對密度和易燃液體溫度等;探測器用途，例如區域性監測、人員安全監測、滲漏探測、例行安全檢查等;存在干擾氣體的可能性;選擇固定式或者便攜式探測器(儀)，選擇擴散型或者吸入性探測器;應用場所環境條件，例如腐蝕性、風速、降雨和霜霧等。

5 氣體探測器的傳感器冗余設計

傳感器是氣體探測器的核心部件，中國標準規定了氣體探測器和火災報警系統的邏輯關系，以及控制器多線路輸出功能。但針對設置在特定區域或者重要場所的氣體探測器重要部件是否需要進行冗余設計，中國標準無相關規定［14］。例如GB 50116－2013和SY 6503－2008規定氣體探測器宜獨立設置，氣體探測器不應接入火災報警系統的探測器回路，如可燃氣體報警信號需接入火災報警系統，應用可燃氣體報警控制器接入;GB 16808－2008規定控制器在可燃氣體報警狀態下應至少有兩組控制輸出;此外有文獻［15］設計了油氣站庫可燃氣體遠程監測報警系統，采用計算機分布式模塊化設計，實現多點監測、獨立報警功能，但未采用傳感器冗余設計。

美國標準ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012規定進行連續性監測的重要場所，氣體探測器的傳感器應采用雙重或者三重冗余設計，或者采用“故障安全性”“自動保護型”控制電路，避免由于氣體探測器的某個傳感器故障，或者控制電路元器件故障，導致不能發出報警信號，但該標準未具體說明需要進行連續性監測的重要場所類型。建議中國標準針對涉及人員安全進入、作業的重要場所或者受限空間作業場所，例如儲罐人孔區域、工藝閥井等，在滿足經濟條件下，氣體探測器采用傳感器冗余設計理念，確保在傳感器故障和氣體探測器維修期間的場所安全監測。

6 氣體探測器設置場所

針對氣體探測器設置場所，中國標準較完善，例如GB 50183－2004規定天然氣凝液、液化石油氣罐區和可燃氣體壓縮機房應設氣體探測器;Q/SY GD 1053－2014規定油氣站場的工藝閥井、地坑及排污溝應設氣體探測器，原油、成品油、液化天然氣儲罐防火堤內應設氣體檢測器，如防火堤內有隔堤且隔堤高度高于檢測器安裝高度時，隔堤分隔區域內應設氣體檢測器。

此外，GB 50493－2009規定離心泵密封處、液體/氣體采樣口、液體排放口和氣體放空口、在線分析儀表間應設氣體探測器;明火加熱爐附近如有可燃氣體釋放源，距加熱爐5 m處應設氣體探測器;控制室、機柜間、變配電所的空調引風口、電纜溝和電纜橋架進入建筑物的洞口處宜設氣體探測器。GB 50493－2009適用于石油化工行業，該標準規定的氣體檢測器設置位置適用于石油化工行業設施，油氣管道站場設施可參考執行［16］。

氣體探測器設置在不同場所，其要求的防護措施中國標準較簡略，中國的油氣管道站場做法也不一致［17］，例如Q/SY GD 1053－2014規定氣體探測器周圍應預留更換和標定的空間，按照防爆要求施工，探測器在室外時應有防塵和防雨設施。中國站場維護管道側重于輸油泵、壓縮機、閥門和加熱爐等輸油氣生產設備，油庫消防系統側重于消防泵、固定式泡沫滅火系統和冷卻水噴淋系統等。氣體探測器維護管理工作有待改進，由于氣體探測器維護不及時、防護措施不到位導致的誤報警、設備老化故障普遍存在。

美國標準ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012規定了設置氣體探測器應考慮的因素，以及復雜場所和惡劣氣候條件下氣體探測器應采取的防護措施，具有借鑒意義，具體如下:

1)設置氣體探測器應考慮釋放源是否封閉，現場地形和空氣流動狀況(自然通風和強制通風)，員工職業健康安全，易于維護。

2)下列現場環境條件下，氣體探測器應采取風雨防護措施:環境溫度低于－10℃，電化學型氣體探測器電解液可能凍結，應采取防凍措施;安裝在機械設備上的氣體探測器應采用防振或減振設計;腐蝕性空氣環境中的氣體探測器(如氨、酸霧、H2S等)，應采取預防性的保護措施，避免嚴重腐蝕導致電氣故障;塵埃、潮氣、油脂和薄霧等空氣污染物可能導致氣體探測器元件故障。

7 氣體探測器報警設定值

中國標準SY 6503－2008、Q/SY GD 1053－2014和 Q/SY 152－2012規定氣體檢測器宜采用兩級報警，一級報警(高限)設定值≤25%LEL(爆炸下限濃度)，二級報警(高高限)設定值≤50%LEL(爆炸下限濃度)。Q/SY 152－2012規定遠程開路對射式氣體報警器一級報警≤全量程10%，二級報警≤全量程20%。

美國標準ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012規定催化燃燒型氣體探測器CH4報警設定值不低于5% LFL，C3H8和C4H10報警設定值不低于10%LFL，易燃氣體—空氣混合物報警設定值不低于20%LFL。針對氣體探測器報警設定值，美國標準更嚴格，建議氣體探測器一級報警設定值＜20%LEL。

8 氣體探測器故障條件下替代措施

國內標準Q/SY 152－2012和Q/SY GD 1053－2014規定氣體探測器在維修維護期間，應采取可靠的替代測試方法或者替代措施，保證現場運行安全。該標準未給出明確的替代措施，部分國內油氣管道站場的執行力難以保證，可能造成安全隱患［18］。

美國標準ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012規定氣體探測器故障時應采取下列替代措施:氣體探測器故障時發出報警信號，使用便攜式可燃氣體檢測儀，啟動通風設備，消除點火源，釋放源封閉，停止設備運行。

9 氣體探測器使用方法培訓

針對氣體探測器使用方法培訓，中國標準較簡略，主要依靠制造商或者產品說明書，重視氣體檢測器操作維護規程，而氣體探測器運行特性、檢定氣體介質、零位漂移調整、讀數異常和報警滯后等問題較少涉及［19］。中國已開展相關問題研究，例如文獻［20］針對天然氣管道氣體探測器基礎顯示數據進行了統計，分析了正常情況下誤報警和有泄漏不報警的原因，并提出了對策和建議。

美國標準ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012規定操作人員應掌握氣體探測器基本知識和信息:

1)氣體探測器只能探測周圍一定區域內的氣體，氣體探測器不能探測可燃液體、可燃薄霧、粉塵和纖維等。

2)顯著濕度/溫度變化可能導致液體產生蒸汽或者蒸汽凝結在探測器內部，使探測器讀數顯示錯誤、誤報警或者不能發出報警信號。

3)氣體泄放特性，例如壓力管道發生泄漏高速泄放氣體會形成射流;氣體擴散特性，例如高壓射流、液體噴濺和緩慢滲漏等;

4)氣體檢測器的靈敏度對不同種類的氣體略有差異，如果被檢測氣體和儀器校準所用氣體不一致，顯示讀數可能略高，屬于儀器正常工作范圍。

5)讀數異常原因可能是儀器故障或者空氣擾動，如存在讀數異常可能性，可用相同類型的檢測器進行驗證，疑似故障的檢測器應檢查后才能繼續使用。

6)連續性檢測低濃度可燃氣體可能導致讀數零位漂移，如存在這種情形，儀器請用清潔空氣進行重新校準后方可繼續使用。

7)任何出現讀數超出量程的情形，都應假設存在爆炸性氣體，并采取必要處置措施，除非用相同類型探測器確認不存在爆炸性氣體。

8)易燃氣體均具有毒性，應采取必要防護措施;受限空間屬于缺氧環境或者存在有毒氣體，應進行易燃氣體特性等相關知識培訓。

10 氣體探測器運行維護

日常檢查維護是保證氣體探測器可靠性的重要措施，管道企業普遍做法是重視氣體探測器防雨淋、防粉塵和接地等［19］。Q/SY 152－2012和Q/SY GD 1053－2014規定氣體探測器日常巡檢:設備無損壞、安裝是否牢固、顯示是否正常;檢查氣體探測器是否有未復位報警;巡檢維護通道是否暢通，環境溫度和濕度是否滿足設備要求;氣體探測器每周進行1次自檢測試。

Q/SY GD 1053－2014規定氣體探測器每季度進行1次檢查維護，每年進行1次全面測試，日常維護包括:氣體探測器窗口采用輕微浸潤酒精的軟布進行清潔;清潔氣體探測器防塵罩，防止水進行儀器內部。測試每回路電纜絕緣電阻，阻值不小于20 MΩ;測試系統接地電阻，阻值應小于1 Ω。

美國標準ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012與中國標準基本一致，此外針對氣體檢測器運行維護的推薦做法具有借鑒意義:建立氣體探測器維護標識，標注上次校準時間和下次校準時間;每個班次進行1次氣體探測器外觀檢查;傳感器應綜合考慮上一次更換傳感器時間、實際使用情況、校準期間對特殊氣體的靈敏度以及制造商推薦的保養時間進行維護;接觸高濃度易燃氣體、抑制劑，或者受到嚴重沖擊、機械振動的傳感器，都需要重新評價;檢查氣體探測器吸入系統是否滲漏、堵塞，虹吸球/電泵是否工作正常;完成過濾器、樣品室等必要清理工作。

11 結論

美國標準ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012的技術先進性主要體現在以下幾方面，建議中國相關標準借鑒參考:

1)氣體探測器類型多樣化，除中國常見類型的氣體探測器，還應用了火焰離子化探測器和火焰溫度分析儀等。

2)綜合考慮釋放源性質、探測氣體濃度范圍、易燃液體揮發性、探測器用途和探測器維護等因素進行氣體探測器選型。

3)針對涉及人員進入、作業的重要場所，例如儲罐人孔區域、工藝閥井等受限空間場所，氣體探測器盡可能采用傳感器冗余設計。

4)低溫環境、機械設備振動超標、強腐蝕性和潮濕環境等復雜場所和惡劣氣候條件下氣體探測器應采取的防護措施。

5)氣體探測器一級報警設定值＜20%LEL，國內標準為25%LEL，技術參數更嚴格。

6)明確規定氣體探測器故障時應采取的替代措施，例如應用便攜式氣體檢測儀、通風、停運設備等。

7)將氣體探測器運行特性、檢定氣體介質、零位漂移調整、讀數異常和報警滯后等問題納入氣體探測器使用方法培訓范疇。

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10.3969/j．issn．1006－5539.2016.06.020

2016－03－30

蔡亮(1973－)，男，天津人，高級工程師，現從事長輸管道的安全技術管理工作。