40 000 Nm3/h空分氧氣管線安全閥泄漏風險分析與處理

李志斌

(寧夏和寧化學有限公司,寧夏 銀川 750041)

西北某公司煤化工裝置配有兩套40 000 Nm3/h(O2)空分設備[1]。該空分設備是一套采用填料塔、內壓縮和前段預凈化流程的空氣分離裝置,即采用常溫分子篩預凈化、空氣增壓膨脹、雙塔精餾、液氧泵內壓縮流程。

兩套空分裝置(04空分和05空分)為后續煤氣化裝置提供氧氣,為凈化工序及氨合成工序提供氮氣;為生產系統提供吹掃、置換及保護用氮氣。兩套空分氧氣在界區內并入氧氣管線后出界區送往后工序煤氣化裝置,氧氣設計壓力8.6 MPa,設計溫度32 ℃。兩套空分可同時為后系統供氧,也可單獨供氧,這樣當后系統負荷較低、氧需求量較低,或者其中一套空分裝置因故需要停車檢修的時候,仍能保持半負荷運行。具體流程如圖1所示。

圖1 空分界區內氧氣流程圖

2022年大修結束開車不久工藝巡檢發現,安全閥05SV4393先導閥放空管喇叭口出現泄漏。

1 氧氣管線安全閥泄漏風險分析

1.1 氧氣管線安全閥泄漏發現

2022年10月11日,05空分開車,氧管線在工作壓力下查漏時發現05氧管線安全閥05SV4393安全閥先導閥放空管喇叭口處有氣體排出,用氧檢測儀檢測發現所排氣體為氧氣。因該喇叭口為安全閥先導閥泄壓口,在安全閥工作壓力未達到安全閥啟跳壓力的情況下該處有氣體連續排出,說明該安全閥先導閥存在泄漏,因無法進行在線維護,只能下線檢修。

同樣的異常現象在前期多次出現,因此是工藝巡檢檢查的重點,但大多數是該閥工作一段時間之后且冬季較容易出現,最近一次是在2022年1月4日,所以本次泄漏在有針對性的檢查中及時發現。

1.2 氧氣管線安全閥簡介

氧氣安全閥05SV4393工作壓力8.6 MPa,啟跳壓力9.2 MPa,是一種先導式安全閥,其結構示意見圖2。先導式安全閥由主閥和導閥兩部分構成,安全閥在正常工作狀態,主閥、導閥同時保持在一種密封的狀態[2]。導閥在主閥進口壓力達到規定的開啟壓力值的時候會自動開啟,將主閥上腔部分氣體排放,主閥同步開啟泄壓,當先導式安全閥的主閥閥芯快速升起的時候,安全閥就會處于一種全部開放以及排放的狀態對管網進行泄壓。

圖2 先導式安全閥結構示意圖

當管網壓力下降,降至主閥回座壓力值的時候,主閥、導閥閥芯會同步回到密封的狀態,也就是正常工作狀態。

當導閥放空管喇叭口有連續氣體逸出時候說明導閥閥芯或其他部位密封性能不好,從以往出現泄漏后的檢修經驗分析,出現泄漏的主要原因有兩個一是導閥“O”型密封圈因老化、磨損、環境溫度變化引起的變形使“O”型密封圈塑性下降受損,一是檢修過程的安裝質量、清潔質量等造成的密封性能不好。

1.3 氧氣管線安全閥泄漏風險分析

1.3.1 安全風險

安全閥先導閥泄漏屬于帶病運行,從安全的交付分析,不滿足國家相關法律法規要求。另氧氣是助燃物,空氣中氧的體積分數為21%,其成分稍微有些變化就足以引起危險,通常氧氣的體積分數控制在23%以內。氧的濃度越高,燃燒也就越劇烈。空氣中的氧含量只要增加4%,就會導致燃燒的顯著加劇,包括金屬在內的許多物質在普通大氣中不會點燃,但在具有較高濃度氧的情況下,或在純氧中,便能燃燒起來。可燃性物質在氧濃度較高的情況下,容易引起自燃,甚至爆炸,如遇浸透氧的衣物極易著火(例如由靜電產生的火花),并迅速地燃燒起來,因此安全閥先導閥泄漏若不及時處理不但不合規,而且周邊火災等事故發生的概率明顯增加,存在較為嚴重的安全風險。

1.3.2 運行風險

安全閥導閥泄漏,使安全閥處于一種非正常的工作狀態。一方面因導閥密封不好存在泄漏,使導閥的開啟需要更高的工作壓力,相應的此時主閥啟跳也需要更高的壓力。安全閥存在管網壓力超過整定壓力(啟跳值:9.2 MPa)滯后啟跳或者不會啟跳的風險;另一方面因持續的泄漏沖刷、密封圈徹底失效等原因,運行一段時間以后隨著泄漏量的增大,主閥上腔壓力有可能會降低,當泄漏量增大到一定程度時,主閥上腔壓力會進一步降低,有可能會達到導閥開啟的排放效果,在管網壓力波動等外界干擾的情況下,安全閥存在提前啟跳的風險。因此安全閥先導閥泄漏威脅裝置的長周期運行。

2 氧氣管線安全閥泄漏處理思路

2.1 監護運行

因無法在線處理消缺,因各種原因無法馬上交付檢修,從安全和運行兩個方面評估,雖有風險,但整體風險可控,可短期監護運行,擇機整改。

2.1.1 監護運行要點

1)當班副班長對安全閥先導閥排氣口附近用測氧儀檢查一次,在離漏點固定范圍內(2 m范圍內)檢測氧含量是否增大。

2)現場巡檢人員每小時巡檢時候需傾聽離地面3 m高防爆墻邊安全閥的先導閥的排氣聲,在漏點下方通過傾聽聲音變化情況來判斷泄漏量是否增大,列入固定巡檢交班項目。

3)車間值班管理人員巡檢一次并簽字確認泄漏量是否加大。

4)目前氣化工序綜合負荷100%,空分供氧以平穩為主,負荷變化及時同調度室溝通協調。

5)氧氣外送管線壓力(05PI4339)操作中盡量保持穩定,建議穩定在8.0 MPa左右,不要超過8.0 MPa,杜絕壓力大幅上漲。

6)主控嚴密監視氧管線壓力、流量以及放空閥閥位、液氧主泵電流、高壓氧氣溫度等參數的變化,結合現場的異常放空聲音,作為判斷安全閥突然啟跳的參考依據。

7)在泄漏區域增設警示標識,設置警戒線,清理雜物,進入泄漏區域巡檢時,不要戴油膩臟手套及類似防護器具;先消除人體靜電,使用防爆對講機,嚴禁攜帶手機。

2.1.2 監護運行期應急處置措施

2.1.2.1 提前啟跳

若05SV4393安全閥啟跳后迅速回坐,氧管線壓力與流量會因出現短時間較大幅度的波動,此時應及時同調度室聯系,主控及時穩定氧壓,隨著安全閥回坐后,氧管線壓力與流量會很快恢復正常。

若05SV4393安全閥啟跳后不回座,將無法繼續維持該套裝置正常外送高壓氧氣,此時應及時聯系調度,班組維持好另外一套裝置的安全運行,按操作規程操作停止此套空分氧氣的外送,并降低氧氣壓力與流量,直至安全閥回座。

在安全閥突然啟跳時,當班主控應根據氧氣外送閥、放空閥的狀態,以及液氧泵的互備狀態,對空分的工藝做出相應調整。重點應保證氧氣溫度符合指標要求,增壓機不得出現防喘振動作、絕對不允許出現喘振現象。

安全閥啟跳未回座,壓力下降過程中,禁止人員接近該閥門。

2.1.2.2 不啟跳或推遲啟跳

若氧氣管線實際壓力因各種原因上漲,達到安全閥的啟跳壓力,但該安全閥不啟跳,此時氧泵泵后安全閥將啟跳,已卸放多余氧,同時投自動的氧氣放空閥將自動打開排放多余氧。

2.2 下線檢修

在發現安全閥04SV4393先導閥泄漏后,經過對監護運行的風險全面評估之后,最后公司決定對此安全閥進行下線消缺處理。

2.2.1 部分停車(冷箱封塔)后交付檢修

在以往的歷次歷史故障的處理中均采用部分停車即空分冷箱封塔后將氧氣管道徹底退出后安全閥交付檢修,此方式需要將膨脹機液氧泵等動設備停車,關閉所有進冷箱熱介質閥門,關閉所有處冷箱冷介質閥門,一般停車約需要1.5 h,再次開車導氣至冷箱各進出口管道流程打通,氧管線建立壓力約需要2.5 h,總時間需要4 h左右,且冷箱封塔退氣以及冷箱導氣開車需要大量的操作,此過程風險較大。

但此次因后系統氮氣用量大,單套空分無法滿足后系統用氮需求,必須維持兩套空分的氮氣供應,后經綜合分析研判,決定此次安全閥檢修采用全新的不停車下線處理思路。

2.2.2 不停車后交付檢修

不停車交付檢修是指相對部分停車(冷箱封塔)而言,在整個過程中膨脹機、液氧泵均保持運行狀態,只需要在安全閥拆裝過程中短暫的將氧氣管線中的氧氣退出,和部分停車比較,不停車交付檢修和節約4 h,最主要的是避免了冷箱封塔退氣和導氣開車過程中帶來的安全風險。

2.2.2.1 不停車交付檢修風險分析及應對措施

不停車交付檢修雖然相對來說是一個最佳選擇,但對我們來說是一個全新的思路和嘗試,在進行前需要充分地辨識風險,并針對風險提出有效的應對措施。

氧泵全回流運行風險。在正常運行中,一臺氧泵高速主運行,一臺氧泵低速備運行,備運行的氧泵相當于全回流運行工況并沒有改變。主要的變化是高速運行氧泵全回流運行,因回流量增大,會引起上塔回流比的增加,有出現液泛的風險,另一個風險就是回流量增大上塔氣體也會增加,上塔有超壓的風險。以上風險的主要應對措施就是在原高速主運行泵在全回流的操作過程中首先應該降速,若上塔壓力或阻力出現明顯的上漲,應及時查明原因,如果是全回流造成的應及時恢復外送或停泵。

高壓主換熱器氧通道降壓風險。高壓主換熱器正常工作時共有3.9 MPa膨脹空氣和7.2 MPa高壓空氣兩種正流介質和0.02 MPa的無氮氣以及8.6 MPa的高壓氧氣兩種反流介質。氧通道降壓后各通道工作情況就偏離了設計值,使高壓主換熱器的工作環境更加苛刻,主要應對措施是氧管道在降壓過程中其他通道尤其是高壓空氣通道也要降壓操作,使高壓主換熱器的各通道的工作情況和空分裝置開車積液階段(液氧泵未啟動)類似。

氧管線有殘氧風險。氧管線泄壓之后再拆卸安全閥的過程中氧管線內仍有殘氧,屬于富氧環境,存在發生火災的風險。主要應對措施在拆卸過程中一是必須禁油,同時使用銅制扳手等工具,二是要攜帶氧檢測儀,當環境中的氧含量超標氧檢測儀出現報警的時候應該停止作業,暫時撤離,待檢測儀不報警之后方可繼續作業,三是安全閥當安全閥螺栓全部松開安全閥能移動的時候,法蘭口不允許有帶壓的氧氣泄漏,若帶壓則應立即將螺栓緊固,并應再次核實管道壓力是否歸零、氧氣管道放空閥是否打開,四是安全閥拆卸之后法蘭口在安裝盲板之前,盲板必須徹底脫脂,并安裝牢固。

精餾工況惡化風險。不停車交付檢修,因整個過程精餾還在繼續進行,膨脹機繼續制冷,氮氣產品仍正常外送,但氧產品已經停止外送,因此精餾過程的冷量平衡、物料平衡已經被打破,精餾工況存在惡化的風險,精餾塔內比較明顯的變化是主冷凝換熱器液位會持續上漲,當上漲到一定程度時主冷凝換熱器就會停止換熱,氮氣純度也將下降,甚至不合規。主要應對措施一是在氧管線泄壓,氧泵全回流的操作過程中,同步應該將膨脹機減負荷,維持在最低轉速,二是監控主冷凝換熱器液位當超過4 000 mm的最高液位時,應該通過主冷凝換熱器排液閥按程序排放液氧,控制液位的穩定,三是因安全閥檢修時間較長,在氧泵全回流期間應關注主冷碳氫化合物濃度,若甲烷等含量有變化,應及時排放液氧控制甲烷等碳氫化合物濃度在合理在指標范圍內。

2.2.2.2 檢修工藝交出過程

當接到交出指令后,工藝通過降低05P0401A/B兩臺氧泵的轉速、全開05P0401A/B兩臺氧泵回流閥05PV4511/12以及逐漸開大05氧氣放空閥05FV4339B至60%以上開度這一途徑降低05氧氣管線壓力05PI4339及流量05FI4339。

當05PI4339<1.0 MPa時關閉兩臺氧泵的出口閥05HV4523/24使氧泵短暫全回流工作,在此過程中要注意控制氮氣純度和主冷液位,若主冷液位05LI4302>4 000 mm則通過下層排液閥05V4364按流程進行排放。若氮氣純度05AI4302有變差趨勢(數值上漲),則聯系調度將05空分氮氣退出。

氧泵全回流期間,氧管線內的殘氧通過05FV4339B放空,同時將氧氣外送閥05FV4339A關閉,當05氧氣管線壓力05PI4339及流量05FI4339顯示均為0時,此時鉗工可拆卸安全閥05SV4393(此時氧管線內仍有余氧)。

預計安全閥調校時長>2 h,當05SV4393下線之后,在05SV4393進口管道處安裝盲板,將氧管線安全閥接口封閉。

為了避免主冷碳氫的聚集和氧管線冷態下濕空氣進入,當氧管線安全閥接口封閉之后,工藝緩慢打開氧泵出口閥05HV4523/24控制氧管線壓力在0.8 MPa以內放空。

安全閥檢修完畢回裝時,工藝按照上述步驟再次將氧管線內的氧退出,交檢修回裝安全閥。

安全閥回裝之后緩慢打開氧泵出口閥05HV4523/24通過提升轉速、關小回流05PV4511、關小放空05FV4339B按操作票的規定將氧管線提壓查漏后使05氧氣并網。

2.2.2.3 不停車檢修過程重點注意事項

1)工器具應使用銅制防爆工具并脫脂;

2)因氧管線無法置換,檢修人員因攜帶氧檢測儀,若檢測儀報警應暫停作業;

3)作業平臺上最多允許兩人作業;

4)拆裝作業時不得攜帶手機等電子產品;

5)檢修人員應避免攜帶的容易掉落的隨身小物件,防止雜物通過氧管線安全閥接口落入氧管線;

6)工藝在氧管線退氧、送氧操作時應注意控制流速。

3 結束語

安全閥是重要的安全設施,必須保證其工作的可靠性,但由于閥門自身質量、檢修質量、工作磨損以及工況波動等原因致使其出現各種隱患,隱患的消除必定要投入大量的資源,雖然本文從工藝的角度在隱患的消除過程中優化了交出過程,在保證全公司用氮的同時,也使故障裝置恢復供氧時間縮短4 h,給公司創造了一定的經濟。

但從工藝角度優化交出過程,治標不治本,做到不該出現的隱患不出現和已經出現過的隱患應想法根治或充分分析做到預防、預知檢修,避免類似事后檢修,才是解決此類問題的根本途徑,其產生的經濟效益和安全效益遠遠大于隱患消除過程優化所產生的效益。因此一是要持續有針對性的從設計或制造角度去消除頻繁出現的隱患,二是要選擇質量有保障的產品,尤其是當現有產品存在較為明顯的缺陷時,應想法去改進或替代,三是要按標準的程序開展檢修效驗工作,保證檢修質量,避免上線檢驗。最終通過以上措施為裝置的安穩長滿優運行提供強有力的支撐。