氫氣報警器的高度整改方案對比

汪 銳

（中國石油化工股份有限公司荊門分公司，湖北荊門 448000）

2022 年4 月23 日23 時0 分，勝利煉油廠140萬t/a 加氫裂化裝置外操人員到新氫壓縮機K401/C處巡檢，未發現明顯異常。23時59分15秒，該壓縮機一級氣缸出現間斷性異響，隨后，振動值快速上升，機身振動高報警。23時59分55秒，一級缸頭水套蓋脫落，小股氣流從缸頭蓋處噴出，24s 后，大量氫氣從一級氣缸噴出，隨即著火。24日0時20分，切除氫氣流程后火勢變小，1時18分，明火被撲滅。事故造成兩臺壓縮機過火，廠房局部坍塌和裝置非計劃停工。

事后調查顯示，壓縮機附近安裝的三臺氫氣報警器安裝在壓縮機平臺上，未按標準安裝在壓縮機上方，氫氣泄漏后，三臺表檢測始終為0，均未報警。

不排除該壓縮機在設備管理和工藝管理上可能存在缺陷，但是三臺氫氣報警器的不合規安裝卻為此事故的發生早早地埋下了安全隱患，造成該公司不可估量的經濟損失。此事故引起我廠高度重視，進一步引發了我廠對生產裝置所在的氫氣報警器是否符合設計規范及時進行了排查，對發現不合規的氫氣報警器提出了整改方案，并對這些方案進行了對比。

1 概述

石油化工行業生產過程中不可避免地產生大量易燃和有毒氣體，這些有毒氣體一旦發生泄漏，就可能引發火災、中毒甚至爆炸事故，給企業造成巨大的經濟損失，危害工作人員的身體健康，對社會也產生惡劣影響。氣體檢測報警器作為長期連續檢測環境空氣中某種氣體濃度的計量儀器，確保其安裝符合設計規范是有效預防氣體泄漏引發事故的必要條件。針對案例對氫氣的氣體特性[1]進行簡單的介紹。

1.1 氫氣的理化性質

在標準狀態下，氫氣為無色、無臭可燃氣體，比空氣輕，且不溶于水。

1.2 氫氣的危害

氫氣可通過吸入、食入或經皮膚吸收等途徑侵入人的身體，吸入氫氣后，人會出現燒灼感、咳嗽、喘息、氣短、頭痛、惡心和嘔吐等癥狀。

氫氣的最大危害在于與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱或明火即會發生爆炸。

2 氫氣報警器的工作原理

氫氣屬于可燃氣的范疇，與空氣的混合氣體在一定溫度下發生燃燒反應，產生一定的產物和一定的熱量。根據傳感器檢測原理的不同，氫氣報警器可以分為催化燃燒式、紅外式、半導體式等類型。由于我廠的氫氣報警器大部分采用催化燃燒式的報警器，因此本節著重介紹催化燃燒式報警器的工作原理[2]。

催化燃燒式氣體傳感器主要由檢測元件、補償元件和兩個固定電阻構成惠斯通橋路。其中，補償元件是對外界溫度或濕度變化起補償作用。如圖1所示。

圖1 催化燃燒式傳感器

當空氣中無可燃性氣體時，氣路輸出U等于零，則此橋路處于平衡狀態，滿足R1×R2=R3×R4。當空氣中含有可燃性氣體的混合氣體擴散到檢測元件時，迅速進行無焰燃燒，并產生反應熱，使R3增大，電橋輸出一個變化的電壓信號U，這個電壓信號的大小與可燃氣體的濃度成正比。信號經放大送至模數轉換器，然后送至微處理器運算后通過顯示屏顯示可燃氣體的濃度，最后經過數模轉換器實時輸出4~20 mA 的模擬信號到工控室，如下圖2所示。

圖2 報警器工作原理框圖

3 氣體檢測報警器的安裝

氣體檢測報警器的安裝應盡量避免沖擊、振動、強電磁干擾等因素的影響，并且其安裝位置要便于更換和后期維護。按照GB/T 50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》的要求，通過檢測泄漏氣體的分子量與環境空氣分子量的比值大小，可以判別泄漏氣體相對于環境空氣的輕重，

3.1 泄漏氣體分子量與環境空氣分子量的比值關系如下[3-4]。

（1）比值≥1.2，說明泄漏氣體比空氣重；

（2）1.0≤比值≤1.2，說明泄漏氣體比空氣略重；（3）比值≤0.8，說明泄漏氣體比空氣輕；

（4）0.8≤比值≤1.0，說明泄漏氣體比空氣略輕。

3.2 不同比重氣體檢測報警器對應的安裝高度不同

（1）檢測比重重于空氣的可燃氣體或有毒氣體的氣體檢測報警器，其應安放在距地面（或樓層地面）0.3~0.6 m 高度并靠近釋放源；

（2）檢測比重略重于空氣的可燃氣體或有毒氣體的氣體檢測報警器，其安裝高度應高出釋放源0.5~1.0 m；

（3）檢測比重輕于空氣的可燃氣體或有毒氣體的氣體檢測報警器，其安裝高度應在釋放源2 m 內；

（4）檢測比重略輕于空氣的可燃氣體或有毒氣體的氣體檢測報警器，其安裝高度應高出釋放源0.5~1.0 m。

3.3 確定氣體檢測報警器的安裝高度后，還需要確定其水平位置

（1）當生產裝置的釋放源處于露天或敞開式廠房布置的設備區域內時，可燃氣體檢測報警器與釋放源的水平距離不宜大于10 m，有毒氣體檢測報警器與釋放源的水平距離不宜大于10 m；

（2）當生產裝置的釋放源處于封閉或局部通風不良的半敞開廠房內，可燃氣體檢測報警器距其所覆蓋范圍內的任一釋放源不宜大于5 m，有毒氣體檢測報警器距其所覆蓋范圍內的任一釋放源不宜大于2 m；

（3）比空氣輕的可燃氣體或有毒氣體釋放源處于封閉或局部通風不良的半敞開廠房內，除應在釋放源上方設置氣體檢測報警器外，還應在廠房內最高點氣體易于積聚處設置可燃或有毒氣體檢測報警器。

4 問題的提出

環境空氣主要由氮氣和氧氣組成，它們的體積比約為4：1，因此可以計算環境空氣的相對分子量：

環境空氣的相對分子量=28×4/5+32×1/5≈29

氫氣的分子量為2，所以可以計算氫氣與環境空氣的比值：

比值=2/29≈0.07<0.8

因此，氫氣比空氣輕。按照國家的安裝標準，只需要把氫氣報警器安裝在高于釋放源2 m范圍內即可。對全廠98臺氫氣報警器進行了檢查，發現有37臺氫氣報警器的安裝完全不符合國家標準，問題主要集中表現在部分壓縮機、容器等處的氫氣報警器的水平位置安裝合理，但是其垂直安裝高度卻按照可燃報警器的標準安裝，尤其是壓縮機處的氫氣報警器，其安裝高度遠低于最容易泄漏氫氣所在的氣缸處，一旦發生泄漏，該報警器將起不了任何報警作用，會給生產裝置的運行帶來嚴重的安全隱患。

依據最初的設想，打算對不符規范的37臺氫氣報警器直接動火進行焊接加高，使之符合規范。按照《動火作業安全管理規范》第十七條特殊動火作業規定：“在帶有可燃、有毒介質的容器、設備、管線、工業下水井、污水池等部位不允許動火，確屬生產需要必須進行的動火作業，按特殊動火處理。特殊動火必須經地區公司主管領導和有關部門、屬地及動火作業單位共同進行風險評價。制定可靠的動火安全工作方案、安全措施和應急預案并有效落實后方可動火”[5]。而37臺不符規范的氫氣報警器所在的裝置正在運行，為了保證裝置的正常生產和安全，工藝和安全所屬部門禁止動火處理，要求尋求其他的整改方案。

為了避免重蹈齊魯石化“4.24”事故的覆轍，廠領導高度重視，要求限期一個月完成對不符規范的氫氣報警器進行整改。

5 整改方案選定

對生產裝置現場的37 臺氫氣報警器所在操作柱直徑再次進行確認，發現各個裝置的操作柱直徑不同，主要有DN40和DN50兩種尺寸。于是按照GB/T 50493—2019《石油化工可燃氣體和有毒氣體檢測報警設計標準》，提出了如下兩種整改方案。

1）DN40 和DN50 執 行 不 同 的 方 案。其 中，DN40 是將高度合適的DN50 鍍鋅管套在DN40 的操作柱上，而DN50是將符合規范的DN40鍍鋅管插入DN50的操作柱上，然后固定新操作柱，續接電纜線，恢復報警器的通信。

2）DN40和DN50執行相同的方案。重新另立高度合適的DN40和DN50的鍍鋅管，然后固定新操作柱，續接電纜線，恢復報警器的通信。

6 具體的整改方案和方案對比

方案一：將高度合適的DN50鍍鋅管套在DN40的操作柱上，然后固定DN50 的新操作柱，續接報警器所在的電纜線，恢復報警器的通信。DN50大于DN40 的直徑，所以DN50 套在DN40 的操作柱上中間留有10 mm 的空余尺寸。當有風吹過時，高處的報警器極易處在搖晃的狀態中。為了加強新操作柱的穩定性，在DN50鍍鋅管下側鉆了兩個相距30 mm 或者35 mm 的小孔，然后裝上兩個可以往里面旋轉擰緊的螺絲，頂住DN40的鍍鋅管，使DN50鍍鋅管保持穩定。同時，為了使電纜線符合敷設規范，在DN50的鍍鋅管旁邊立了一根DN15或者一根DN20的絕緣套管，通過上下兩塊角鋼和若干個U 型恰使DN50鍍鋅管和絕緣套管之間保持固定，然后把續接的電纜線穿過DN15或者DN20的絕緣套管，恢復氫氣報警器的通信。圖3是氫氣報警器整改后的方案圖。

圖3 氫氣報警器整改方案圖②

圖3 氫氣報警器整改方案圖①

圖①是將DN50鍍鋅管套在DN40鍍鋅管后的整改圖。其中，黑色雙向箭頭是原來的氫氣報警器所在的部分操作柱，紅色雙向箭頭是DN50鍍鋅管套在DN40鍍鋅管上后形成的新操作柱。

圖②中的兩個黑色圓圈可以往DN50鍍鋅管里面擰緊的兩個螺絲的側面圖，用于固定新形成的操作柱。

該方案節省空間，但是穩定性差，成本高，原因是該方案僅通過兩個螺絲來固定DN50的鍍鋅管，且與平常的焊接相比，鉆出兩個符合要求的螺絲孔似乎是一項很復雜、高成本的焊接作業。

而將高度符合規范的DN40鍍鋅管插入DN50的操作柱上，操作上可能要煩瑣很多。因為裝置現場大部分DN50鍍鋅管頂端都封閉，如果確定要實施該方案，則需要把現場DN50的操作柱拆解回去切割頂端的封閉端。如果DN50鍍鋅管高度過高，則還需要切割一部分鍍鋅管，以方便DN40鍍鋅管插入DN50的操作柱中。然后對DN50操作柱的下端鉆孔，再重新安裝上，后續操作則同上面將DN50 鍍鋅管套在DN40所在操作柱的方法一樣。

該方案具有可行性，但是操作煩瑣，不利于工作的開展。

方案二：另立高度合適的DN40或DN50的鍍鋅管，然后固定新操作柱，續接電纜線，恢復報警器的通信。在原來DN40或者DN50旁邊另立高度適中的新操作柱，該操作柱中上部焊接了兩塊角鋼。為了使電纜線的敷設符合規范，我們在新操作柱旁邊立了一根DN15或者DN20的絕緣套管，通過上下兩塊角鋼和若干個U 型恰使新操作柱和絕緣套管之間保持固定。圖4是氫氣報警器整改后的方案圖。

圖4 氫氣報警器整改方案圖③

圖4 氫氣報警器整改方案圖②

圖4 氫氣報警器整改方案圖①

圖4 氫氣報警器整改方案圖④

圖①和圖②是另立操作柱后的正面圖和側面圖，其中，圖①黑色雙向箭頭是氫氣報警器原來操作柱所在的高度，紅色雙向箭頭是整改后形成的新操作柱所在的高度。

圖③和圖④是用于固定新操作柱的角鋼和U 形卡的正面圖和背面圖。

該方案占用一定空間，但是穩定性好，成本相對較低，且后期如果裝置停工，還會對新立的操作柱底板套管膨脹螺絲進一步加固，使其保持良好的穩定性。

綜上，相比于方案一，方案二的優勢更加明顯。

7 結束語

可燃氣體和有毒氣體報警器在石油化工生產和儲運過程中長期處于監控運行狀態，其正確安裝對于可燃氣體和有毒氣體泄漏和濃度超標等危險源能及時進行檢測和報警，確保了生產操作人員人身安全、生產裝置財產安全和環境安全。因此，在實施報警器安裝時，必須依據國家規范和行業規范的要求，這樣可以最大限度地減少或降低石油化工工廠或裝置發生事故的危險及影響，達到安全生產的目的。