防噴器氣密性試驗爆炸傷害事故后果分析及評價

吳紅霞

（中國石化集團(tuán)江漢石油工程有限公司鉆井一公司，湖北 潛江433121）

眾所周知，井控設(shè)備為安全鉆井提供了保障，保護(hù)了人員、鉆井設(shè)備以及油氣井的生產(chǎn)安全。防噴器——井控設(shè)備的核心組件，承擔(dān)著關(guān)井和油氣井壓力控制的重責(zé)，國內(nèi)外眾多的井控標(biāo)準(zhǔn)都對其有著高于其他井控部件的要求：不僅要求防噴器組做液密試驗，還要求做等壓氣密性試驗，二者缺一不可。而防噴器的氣密性試驗主要是為了勘探開發(fā)“高產(chǎn)、高壓、高含 H2S”井的需要，為其安全鉆井提供重要的保障。

1 氣密性試驗原理

氣密性試驗就是利用理想氣體的規(guī)律，以空氣或氮氣為介質(zhì)，將常溫常壓（標(biāo)態(tài)）下的空氣，借助氣體增壓泵機(jī)械增壓并填于被檢工件——防噴器的密封腔內(nèi)，直至防噴器的額定工作壓力，然后將整個工件沉沒于水中，若有滲漏，防噴器就會有氣泡冒出水面，同時檢測壓力的傳感器也會有相應(yīng)變化，該變化經(jīng)計算機(jī)測量、控制與處理，然后以壓降顯示，結(jié)合冒泡與壓降判定為依據(jù)，最終確定被檢工件是否合格。一般常用于石油鉆井的井控裝置，如防噴器、節(jié)流管匯、壓井管匯、平板閥、采油樹、套管頭等工件的氣密性檢測。當(dāng)然也可用于其他密閉工件，如鍋爐壓力容器、閥門等的氣密性檢測。

防噴器（圖1）的密封性主要靠前密封（鉆桿與閘板之間）、頂密封（閘板頂部與殼體之間）、側(cè)密封（側(cè)門與殼體之間）、軸密封（活塞桿與側(cè)門之間）等四處密封以及下部的法蘭墊環(huán)密封同時作用完成。試驗時，防噴器座于試壓盲板上，兩者之間靠墊環(huán)密封，防噴器半封閘板總成關(guān)閉抱住鉆桿（鉆桿水眼已封閉），此時防噴器的內(nèi)腔就形成了一個封閉的壓力容器，氣密性試驗就是檢測該“壓力容器”是否能承受住其額定壓力的高壓氣體沖擊，能否有效氣密?？墒窃谏a(chǎn)和生活中，壓力容器通常就是一個潛在的重大危險源。所以，防噴器氣密性試驗過程就是一個重大的危險源。

圖1 防噴器結(jié)構(gòu)示意圖

2 壓力容器爆炸傷害分析及評價

通常情況下，壓力容器爆炸有兩種，一是物理爆炸，二是化學(xué)爆炸，兩者都在瞬間釋放巨大能量并做功。爆炸釋放能量以沖擊波能量、碎片能量和容器殘余變形能量等為主，其中碎片能量和容器殘余變形能量占總爆破能量的3%～5%，絕大部分是沖擊波能量。壓力容器一旦破裂，高壓氣體急速沖出，導(dǎo)致外圍空氣壓力、密度等發(fā)生急劇變化，距離爆破中心某一點處，空氣壓力會隨時間發(fā)生一個忽高忽低的迅速而懸殊的變化，開始時產(chǎn)生一個很大的正壓力，然后迅速衰減，瞬時正壓降至負(fù)壓，反復(fù)循環(huán)數(shù)次，壓力漸次衰減下去。開始時的正壓力就是我們常說的超壓△p。多數(shù)情況下，沖擊波的傷害、破壞作用是由超壓引起的（超壓△p可以達(dá)到數(shù)個甚至數(shù)十個大氣壓）。超壓波對人體的傷害和對建筑物會造成一定的破壞作用（表1）。

表1 超壓波對人體和建筑物的傷害及破壞作用

3 防噴器氣密性試驗爆炸傷害后果及評價

防噴器氣密性試驗采用的介質(zhì)為空氣，若其爆炸，就是一個典型的物理爆炸。爆炸時，防噴器內(nèi)的高壓氣體急劇絕熱膨脹對外做功引起介質(zhì)變形、移動和破壞，其大小與防噴器承載的壓力、防噴器內(nèi)腔容積有關(guān)。我們以一臺常用的上海神開石油化工裝備股份有限公司生產(chǎn)的2FZ35／105的雙閘板防噴器為例，對防噴器氣密性試驗做一個科學(xué)的風(fēng)險性評價。

第一步，根據(jù)防噴器內(nèi)填充的空氣特性，計算出其爆破能量Eg。

式中，Eg－空氣的爆破能量，KJ；P－防噴器內(nèi)空氣的絕對壓力，MPa；V－防噴器內(nèi)腔容積，m3；K－空氣的絕熱指數(shù)，通常取空氣絕熱指數(shù)為1.4。

第二步，將空氣的爆破能量Eg換算成TNT當(dāng)量Q。

式中，Q－三硝基甲苯（TNT）當(dāng)量，kg；qTNT－三硝基甲苯爆炸當(dāng)量能量，KJ／kg。

1kg TNT爆炸所放出的爆破能量為4 230～4 836 KJ／kg，所以TNT的爆炸當(dāng)量能量qTNT，一般取中間值為4 500KJ／kg。

第三步，根據(jù)立方根比例定律，兩個形狀相似大小不同的同種炸藥，在相同大氣環(huán)境條件下，必然在相同的比例距離產(chǎn)生相似的沖擊波。計算出爆炸的模擬比α。

式中，Q0－基準(zhǔn)炸藥量，一般取1 000kg TNT為試驗量。

第四步，根據(jù)立方根定律，求出在1 000kg TNT爆炸試驗中的相當(dāng)距離R0。

第五步，根據(jù)R0值查相關(guān)資料找出距離為R0處的超壓△P0（中間值用插入法），此即所求距離為R處的超壓（表2）。

第六步，根據(jù)超壓 △p值，從表1中找出對人員和建筑物的傷害、破壞作用。

表2 1 000kg TNT空氣中爆炸時的沖擊波超壓

經(jīng)過實地測繪，防噴器氣密試驗在6m×8m×5m沒有蓋板的試壓地坑內(nèi)進(jìn)行，防噴器的通徑346.1mm，高度1 985mm（含四通高度），額定壓力105MPa，試壓坑內(nèi)最大圓半徑為3m，空氣的絕熱指數(shù)k為1.4。

先求內(nèi)腔容積：

將Eg換算成TNT當(dāng)量Q：

計算爆炸的模擬比：

根據(jù)上表2查得最大圓半徑為3m處的超壓值在0.235～0.33MPa之間。然后對照表1和表2可知，圓半徑3m處人全部死亡，建筑物全部毀壞。即使處在試壓坑內(nèi)，也可能造成試壓坑坍塌，另外，試壓坑上方?jīng)]有蓋板，其爆炸沖擊波也會造成周圍空間范圍內(nèi)的機(jī)毀人亡。

綜上所述，運(yùn)用該方法可以對防噴器氣密試驗潛在的危害性進(jìn)行科學(xué)分析評價，用于指導(dǎo)管理者采取有效的預(yù)防和控制措施，把危險性降到最低，避免發(fā)生防噴器氣密試驗爆炸事故給員工帶來的傷害。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

1）目前，國外 API、API Spec 16A、IS010423 等有關(guān)防噴器設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)中均沒有提出氣密試驗的規(guī)定，而我國國標(biāo)、行標(biāo)（如GB22513、SY／T6426等）同樣沒有規(guī)定防噴器應(yīng)做氣密實驗。

2）據(jù)統(tǒng)計調(diào)查，全國幾家防噴器大型生產(chǎn)廠家（如上海神開、華北榮盛等）提供的產(chǎn)品也不是每臺均做過合格的氣密試驗，而是抽檢。

4.2 建議

1）防噴器氣密試驗時，特別是高壓試驗時更應(yīng)注意防護(hù)，一旦有一點刺穿爆炸，是非常危險的。建議氣密檢測試驗時一定要做好防護(hù)措施，避免人員設(shè)備的危害。

2）防噴器氣密試驗對橡膠密封件及閘板總成的壽命有較大影響，特別是閘板膠芯，建議可以定期抽檢，而不是每臺必檢。

［1］張衛(wèi)強(qiáng).壓力容器爆炸傷害事故后果分析及評價［J］.科技信息，2009（15）：493.