化工管道事故原理分析与控制技术

摘 要：系统阐述了化工管道燃爆事故的一些重要原因，并通过分析提出了对其进行预防和控制的机理和方法。
关键词：化工管道 事故原理 控制
前言：
化工管道，随着我国化工工业的发展，在越来越广泛的得到应用，但随之而来的燃爆事故也越来越多，并且损失严重。据1979-1989年全国各省市化肥、化工、炼油行业的不完全统计，发生管道破裂事故数十起，其中重大事故33起，造成的直接经济损失达218.76万元。据1990-1999年全国各省、自治区、直辖市化工系统县以上全民企业的不完全统计，发生化工管道破裂事故25起，死亡50人。因此，如何防止和减少化工管道火灾爆炸事故，显得尤为重要。在此，笔者对化工管道发生火灾事故的主要原因及对其控制的若干机理和方法试作简要阐述。
一、事故原理
对化工管道事故的分析主要应从工程力学性质和燃烧、爆炸机理以及安全管理理论入手，进行客观分析。引起化工管道火灾爆炸事故的原因主要有以下几个方面：
（一）管道设计不合理
主要是化工管道工艺设计缺陷，如在管道设计中没有考虑管道受热膨胀而隆起的问题，致使管道支架下沉或温度变化时因没有自由伸长的可能而破裂；敷设方式不合理；化工管道的布置不合理，如与其他管道、构筑物、电线等没有足够的安全间距；管件选用不当以及设计的管道流速过高；管道挠性不足，由于管道的结构、管件与阀门的连接形式不合理或螺纹制式不一致等原因，会使管道挠性不够，再加上管道的加工质量不好，从而引起管道的振动，致使焊缝出现裂纹、疲劳和支点变形，最后导致管道破裂等。
（二）材料缺陷、误用代材和制造质量低劣
主要体现在材料本身缺陷，如管壁有砂眼，弯管加工时所采用的方法与管道材料不匹配或不适宜的加工条件，使管道的壁厚太薄、薄厚不均和椭圆度超过允许范围；选用代材不符合要求或误用，如误用碳钢钢管代替原设计的合金钢管，将使整个管道或局部管材的机械强度和冲击韧度大大降低，从而导致管道运行中发生断裂爆炸事故；对不同的工作压力和不同的使用场所在选材上有误如管道法兰和阀门材料没有依据不同地段的工作压力分别对待；管道焊接质量低劣；管道强度和严密性不合格从而发生泄漏或变形等。
（三）违章作业、操作失误
在停车检修和开车时，未对管道进行置换，或采用非惰性气体置换，或置换不彻底，空气混入管道内，氧含量增加；检修时，在管道（特别是高压管道）上未装盲板，致使空气与可燃性气体混合，形成爆炸性混合气体，检修动火时发生爆炸；或在检修完工后忘记拆除管道上的盲板，开车时因截断气体或水蒸汽的去路，造成弊端而爆炸；检修脱洗塔放水后，空气进入管道内与洗涤水中溢出的氢气混合，形成爆炸性混合气体，用铁质工具堵盲板时产生火花而爆炸；用蒸汽吹扫管道时，因忘记关闭或未关严蒸汽阀门；紧急停车检修时，因忘记及时打开煤气发生炉盖板、放空阀，又未作吹扫处理等，以及水封被堵死、止逆阀失灵、突然断电、鼓风机停止运行等原因，造成可燃性气体（如煤气）管道与水蒸汽管道，煤气管道与空气管道，煤气或重油管道与氧气管道之间产生压差，致使可燃性气体（如煤气）、重油倒流入正在检修中的水蒸汽管道、处于常压状态下的空气总管道和氧气管道中，形成爆炸性混合气体，而引起管道爆炸；因氧含量超标（氧含量高达3%），化学反应（变换反应）压力超高使管道超压，或中压裂化气导入低压水管道时超压，当超过管道的强度极限时而破裂或遇火爆炸；检修前未进行动火分析而违章动火等。
（四）维护不周
主要是管道长期腐蚀断裂而导致泄露；管道磨蚀严重而造成管壁减薄严重而破裂；管道剧烈振动而疲劳断裂；管道内危险性杂质积累引起管道泄漏；管道承受外部荷载过大致使管道破裂，如地基沉降、地震、狂风、外力冲击、振动、摇摆等；压力表、安全阀失灵（如压力表、安全阀管道堵塞），致使管道、设备超压而不能准确反映压力波动情况，超压下不能及时泄载。
（五）安全管理上的失误
没有切实贯彻执行有关安全法律、法规和化工管道的技术规程、标准；化工管道的操作检修人员素质较差等。
（六）容易发生超温、超压
管道的超温、超压与反应容器的操作失误或反应异常有关，冷却介质输送管道出现故障，导致冷却介质供应不足或中断，使生产系统发生超温超压的恶性循环，最终导致设备、管线发生超压爆炸事故；在管道中由于产生聚合或分解反应，会造成异常压力。如在乙烯和引发剂过氧化物的管道中，温度过高，超过催化剂引发温度，乙烯就会在管道内聚合或分解，产生高热，使压力上升，导致管道胀裂或爆炸；连续排放流体的管道，尤其是排放气态物料的工艺管线，因输送速度降低等因素会导致设备内的物料不能及时排出，从而使设备发生超压爆炸事故；高压系统的物料倒流入低压管道，压力增加，从而造成超压爆炸事故等。
（七）容易造成堵塞
管道发生堵塞，会使系统压力急剧增大，导致爆炸破裂事故；操作不当使管道前方的阀门未开启或阀门损坏卡死，或接受物料的容器已经满负荷，或流速过慢等都会使物料沉积，发生堵塞；输送具有粘性或湿度较高的粉状、颗粒状物料的管道，易在供料处、转弯处粘附管壁最终导致堵塞。输送悬浮速度高的粉料易发生沉积堵塞；用大管径长距离输送管道输送物料易发生沉积堵塞；输送速度不平稳，管径突然增大以及输送过程中突然停车等情况易堵塞；管道连接不同心,有障碍物处易堵塞；采用吸送式系统输送粉料,若系统的密封性不好而存在漏风现象时也会导致管道堵塞；输送低温液体或含水介质的管道，在低温环境条件下极易发生结冰“冻堵”，尤其是间歇使用的管道，流速减慢的变径处、可产生滞留部位和低位处是易发生“冻堵”之处。

（八）容易产生静电
在物料输送的过程中，粉体与管壁、粉体颗粒之间、液体与固体、液体与气体、液体与另一不相溶的液体之间、气体与所含少量固态或液态杂质之间，发生碰撞和磨擦，均可带上静电；可燃物料从管道破裂处或密封不严处高速喷出时会产生静电，成为泄漏的可燃物料或周围可燃物的引火源。
（九）容易成为火灾蔓延的通道
由于管道连接着各种设备，管道发生火灾，不但影响管道系统的正常运行，成为火势蔓延的通道，而且还会使整个生产系统发生连锁反应，起到资助火灾或爆炸发生的作用，使事故迅速蔓延和扩大。在管道中传播的爆炸，一定条件下会发生由爆燃向爆轰的转变，对生产设备、厂房等建筑物造成严重的破坏。
二、防火防爆对策
1.化工管道选材、设计、加工合理
根据输送介质的性质、温度、压力和流量等因素正确选择管材，不可随意选用代材或误用；可燃液体燃料架空管道的支架应用不燃材料建造；选用不燃材料设保温层；保证良好的通风，防止可燃蒸汽积聚；管道应尽量直线敷设，平行管的连接应考虑热膨胀的问题；置换或工艺用惰性气体与可燃性气体管道应装设两个阀门，中间应加放空阀，将漏入的氧气放空，防止氧气窜入燃气管道；严格按照工艺设计要求设计，管道直径的设计值应尽量大些，弯曲和变径处应缓慢，而且弯管和变径管要尽可能少，尤其是由水平向垂直过渡的弯管要更少；管道内壁应平滑，不准有折绉或凸起，不装设网格状的构件；管道的焊接质量符合要求，无焊缝、无气孔、无夹渣。
2.输送易燃、可燃性介质均应采用地上式敷设；生产车间内输送物料的管道应为明式敷设，公用工程管道宜为暗式布置。输送火灾危险性为甲、乙类介质或有毒、腐蚀性介质的管道，不应穿过与其无关的构筑物，同时要与其它管道保持足够间距。集中敷设于同一管架上的各种介质管道，必须留有规定的间距；多层管架中的热料管道应布置在最上层，腐蚀性介质管道应布置在最下层；易燃液体及液化石油气体管道严禁与蒸气、热料管道相邻布置；氧气管道与可燃液体、气体管道共架敷设时，氧气管道应设于外侧，且不得上下方式布置；助燃与可燃介质管道之间，易用不燃物料管道隔开或保持不低于250mm的间距。
3.管道必须合理连接，使其结构合理、密封可靠、拆装方便；管道穿墙、楼板和屋面时，应加套管、防火肩、防水帽等装置。焊缝、法兰等接头均应避开墙和楼板；管道和管件不得与管架直接接触，应按设计温度、压力等要求，采取加置木垫、软金属片或橡胶石棉垫等措施隔离。
4.根据输送物料的腐蚀性选择耐腐蚀材料，如可采用铬钢，不锈钢或渗铝钢防硫化氢腐蚀；对高温条件下的氢脆要用Cr-Mo合金钢；采用5Cr、7Cr、9Cr钢管防硫腐蚀；用奥氏体不锈钢管、5Cr或9Cr钢管防高温氧化腐蚀等。同时要采取合理的防腐措施，如涂层防腐、衬里防腐、电化学防腐、使用缓蚀剂防腐等。
5.采取设置减振装置，增加柔性设计等措施防止管道振动；采用增加管系可挠性，缓解热应力的热补偿方法减弱热应力的破坏作用，如采用专用的热补偿器(Z型或Ⅱ型热补偿器、填函式伸缩器、波形补偿器和特殊弯管补偿器等)；利用弹簧吊架结构或止动器约束管道在约束方向上的位移，在设备管口附近设置固定支架，削弱管口的应力和力矩，加设弯管，改变管道走向，增加管系总的可挠性或利用绝热保温等方法。采用改变管道设置位置或支撑方式或强化基础设计的方法防止基础下沉；通过加强防护设施，可挠性设计，合理设置，加护栏或套管以及加强施工监督等方法预防外力冲击；采取设置减震装置，增强柔性设计等措施避免震动疲劳。
6.严格按照工艺要求控制物料的输送温度、压力、流速等；检修前后，应按规定进行管道盲板的抽堵工作；增设紧急停车连锁装置和空气总管防爆膜；输送可燃气体、可燃液体、可燃粉粒状物料的管道，输送速度不应高于工艺值；冷却介质的输送管道要采取措施确保冷却介质的供应量，避免中断，如安装双路水源和电源控制，防止生产系统出现超温、超压的恶性循环；及时清除管道内的污垢、沉淀等沉积物，并严禁采用铁质工具或能产生火星的器具输通易燃易爆、易自燃的不安定沉积物；定期清除管道以及周围的设备、设施上的积尘，以减少粉尘沉积；要注意管道的防冻和化冻，如积水弯、压力表的弯管，排凝阀等处，同时要及时采取保温防冻措施。
7.定期检测管道的泄漏和受损情况，防止管道系统出现跑冒滴漏现象；定期检查管道的腐蚀、磨损情况；经常检查重点保护管段的截断阀和管道腐蚀情况，为及时维修、保养提供依据；采取合理的管道布置和妥善的加固措施，在进出振动较大的化工机器和设备的附近，应设置缓冲装置，以减轻对管道的干扰；严禁危险物料管道和高温管道周围堆放易燃易爆物质；需要散热的输送管道上严禁堆放各种杂物，以防止热量积累引起火灾；停车检修和开车前应按规定进行管道的排气置换作业，检测合格后方可动火检修或开车；进行动火检修作业时,要严格执行动火作业的各项规章制度；危险物料输送管道的周围杜绝各种火源。

8.防止静电危害一方面要控制静电的产生，另一方面要防止静电的积累。控制静电的产生主要是控制工艺过程和控制工艺过程中所用材料的选择；管道应选用导电性能良好的材料制造。控制静电的积累主要是设法加速静电的泄漏和中和，使静电不超过安全限度。加速静电泄漏可采用接地、增湿、加入抗静电剂等方法；加速静电中和可运用感应中和器、外接电源式中和器、放射线中和器等装置。
9.在容易发生超压爆炸的管道上需设置安全阀等防爆卸压装置；在容易造成火焰传播的管道上需设置水封、砂封、阻火器或防火阀；在高压和低压系统之间的接点处和容易发生倒流的管道上、需设置止回阀和切断阀；易燃易爆物料的管道系统应设清洗、置换的接口；具有着火爆炸危险的输送管道，应配备惰性介质管线保护；在泵和阀门的进口装设管道过滤器，防止由于杂质或夹杂物造成事故；对于输油管道，应准备抽灌、储油设备，以便收集泄漏的油品，平原地区也可预设部分拦油土方。输送过程中容易产生静电荷导致火灾的管道应设置静电导出装置；可燃气体的尾气排放管线应用氮气封或设置阻火器等防止火势蔓延的装置；火灾危险性较大的密集管网系统可设置可燃气体浓度检测报警装置，以及时发现火险隐患，亦可设置水喷淋等灭火设施,以便及时扑救初起火灾。
10.管道的运行管理尤其是随着自动化水平的日益提高，对管理者的素质提出了很高的要求。只有提高管理者的业务素质，才能及时发现和防止运行中因误操作等原因引发的泄漏破裂事故，从根本上减少化工管道燃爆事故的发生。
结束语：
由于化工管道火灾事故频频发生，而且伤亡惨重，损失惊人，给国家和人民财产造成重大损失，给人们留下了惨痛教训和深刻思考，化工管道的安全问题也因此越来越受到人们的重视。本文通过对化工管道火灾危险性的阐述和分析，提出了防止管道事故发生的防火防爆措施。通过本文可以使我们充分认识到化工管道燃爆事故发生的主要原因和机理，并从本文所说的技术和管理两方面入手，预防和控制化工管道燃爆事故的发生。
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（作者单位：甘肃省张掖市山丹县公安消防大队）