中美可燃氣體探測報警系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)應(yīng)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(tǒng)是保證油氣管道站場設(shè)備和人員安全的重要設(shè)施。國內(nèi)已有可燃氣體探測報警系統(tǒng)的設(shè)計、產(chǎn)品參數(shù)、施工安裝調(diào)試以及檢定校準等標準，但整體還不完善。以新發(fā)布的美國標準ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012《爆炸性氣體環(huán)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(tǒng)在產(chǎn)品選型、傳感器冗余設(shè)計、設(shè)置場所、報警設(shè)定值、運行維護和使用方法培訓方面的先進經(jīng)驗和推薦做法，例如遠程控制可燃氣體探測報警系統(tǒng)的傳感器采用雙重或三重冗余設(shè)計，可燃氣體探測報警系統(tǒng)一級報警設(shè)定值＜20%LEL，以及故障時應(yīng)采取的替代措施等。最后，提出了借鑒美國標準完善國內(nèi)可燃氣體探測報警系統(tǒng)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(tǒng)(以下簡稱氣體探測器)由報警儀和探測器組成，廣泛應(yīng)用于油氣管道站場［1］，是保證油氣站場設(shè)備和人員安全的重要設(shè)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(fā)出聲光報警并啟動預防措施(停止設(shè)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(huán)境危險性［2］。本文以新發(fā)布的美國標準ISA－60079－29－2 (12.13.02)－2012《爆炸性氣體環(huán)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(tǒng)在產(chǎn)品選型、傳感器冗余設(shè)計、設(shè)置場所、報警設(shè)定值、運行維護和培訓方面的先進經(jīng)驗和推薦做法，對提高中國石油行業(yè)安全管理技術(shù)水平具有一定參考意義。

1 國內(nèi)氣體探測器相關(guān)標準

國內(nèi)涉及涵蓋氣體探測器的標準包括國家標準、行業(yè)標準和企業(yè)標準三個層面，層級較多，各有側(cè)重［4］。氣體探測器的系統(tǒng)硬件設(shè)計、產(chǎn)品參數(shù)，依據(jù)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(diào)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(tǒng)設(shè)計規(guī)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(guān)的氣體探測器的選型、設(shè)置場所和運行維護等內(nèi)容，其中氣體探測器選型、設(shè)置場所和安裝區(qū)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(shè)計規(guī)范》(以下簡稱GB 50493－2009)［7］、GB 50183－2004《石油天然氣工程設(shè)計防火規(guī)范》(以下簡稱GB 50183－2004)［8］以及行業(yè)標準SY 6503－2008《石油天然氣工程可燃氣體檢測報警系統(tǒng)安全技術(shù)規(guī)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(yè)標準Q/SY 152－2012《油氣管道火災和可燃氣體自動報警系統(tǒng)運行維護規(guī)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(tǒng)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(guān)標準

美國儀表協(xié)會(Instrument Society of America，ISA)成立于1945年，致力于制定自動化領(lǐng)域的標準準則，包括計量設(shè)備、控制裝置、計算機硬件/軟件、符號系統(tǒng)、安全儀表等專業(yè)。ISA標準受國際公認，2008年ISA重新命名為International Society of Automation。ISA關(guān)于可燃氣體和有毒氣體探測器、安全儀表系統(tǒng)完整性、爆炸性氣體環(huán)境電氣設(shè)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(tǒng)(SIS)的機械完整性》和ISA 60079－26－2011《爆炸性氣體環(huán)境－第26部分:在1類0區(qū)危險區(qū)域的電氣設(shè)備》，具有較強的通用性和權(quán)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(lǐng)域的綜合性標準，基本代表了美國氣體探測器的技術(shù)水平和發(fā)展趨勢。

3 氣體探測器類型

國內(nèi)標準SY 6503－2008和Q/SY GD 1053－2014規(guī)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(yīng)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(yīng)快、線性好、示值重復性好、干擾小、精度高、廣譜性及穩(wěn)定性好等優(yōu)點，應(yīng)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(guī)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(yīng)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(guī)定的火焰離子化探測器(Flame ionization detectors，F(xiàn)ID)和火焰溫度分析儀(Flame Temperature Analysers，F(xiàn)TA)［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(nèi)部的H2火焰中燃燒。離子云運動產(chǎn)生電勢梯度，在燃燒室的電極間形成幾百伏的電壓，從而產(chǎn)生極弱的電流，與氣流中的氣體濃度成比例關(guān)系?；鹧骐x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(yīng)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(chǎn)生，要求氣體樣品中的空氣和易燃氣體流量應(yīng)保持恒定以形成火焰?；鹧鏈囟确治鰞x適用于探測濃度低于LFL的易燃氣體和高溫氣體，反應(yīng)時間低于5 s。

4 氣體探測器選型

中國標準根據(jù)探測氣體種類選用相應(yīng)類型的氣體探測器，例如GB 50493－2009規(guī)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(shè)備選型較簡略，主要依據(jù)設(shè)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(zhì)、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(guī)定了選擇氣體探測器應(yīng)考慮的因素，內(nèi)容全面細致，具有借鑒意義，具體如下:釋放源物理性質(zhì)、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(fā)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(qū)域性監(jiān)測、人員安全監(jiān)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(yīng)用場所環(huán)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(shè)計

傳感器是氣體探測器的核心部件，中國標準規(guī)定了氣體探測器和火災報警系統(tǒng)的邏輯關(guān)系，以及控制器多線路輸出功能。但針對設(shè)置在特定區(qū)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(shè)計，中國標準無相關(guān)規(guī)定［14］。例如GB 50116－2013和SY 6503－2008規(guī)定氣體探測器宜獨立設(shè)置，氣體探測器不應(yīng)接入火災報警系統(tǒng)的探測器回路，如可燃氣體報警信號需接入火災報警系統(tǒng)，應(yīng)用可燃氣體報警控制器接入;GB 16808－2008規(guī)定控制器在可燃氣體報警狀態(tài)下應(yīng)至少有兩組控制輸出;此外有文獻［15］設(shè)計了油氣站庫可燃氣體遠程監(jiān)測報警系統(tǒng)，采用計算機分布式模塊化設(shè)計，實現(xiàn)多點監(jiān)測、獨立報警功能，但未采用傳感器冗余設(shè)計。

美國標準ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012規(guī)定進行連續(xù)性監(jiān)測的重要場所，氣體探測器的傳感器應(yīng)采用雙重或者三重冗余設(shè)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(fā)出報警信號，但該標準未具體說明需要進行連續(xù)性監(jiān)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(yè)的重要場所或者受限空間作業(yè)場所，例如儲罐人孔區(qū)域、工藝閥井等，在滿足經(jīng)濟條件下，氣體探測器采用傳感器冗余設(shè)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(jiān)測。

6 氣體探測器設(shè)置場所

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

此外，GB 50493－2009規(guī)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(yīng)設(shè)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(yīng)設(shè)氣體探測器;控制室、機柜間、變配電所的空調(diào)引風口、電纜溝和電纜橋架進入建筑物的洞口處宜設(shè)氣體探測器。GB 50493－2009適用于石油化工行業(yè)，該標準規(guī)定的氣體檢測器設(shè)置位置適用于石油化工行業(yè)設(shè)施，油氣管道站場設(shè)施可參考執(zhí)行［16］。

氣體探測器設(shè)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(guī)定氣體探測器周圍應(yīng)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(yīng)有防塵和防雨設(shè)施。中國站場維護管道側(cè)重于輸油泵、壓縮機、閥門和加熱爐等輸油氣生產(chǎn)設(shè)備，油庫消防系統(tǒng)側(cè)重于消防泵、固定式泡沫滅火系統(tǒng)和冷卻水噴淋系統(tǒng)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(shè)備老化故障普遍存在。

美國標準ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012規(guī)定了設(shè)置氣體探測器應(yīng)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(yīng)采取的防護措施，具有借鑒意義，具體如下:

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

2)下列現(xiàn)場環(huán)境條件下，氣體探測器應(yīng)采取風雨防護措施:環(huán)境溫度低于－10℃，電化學型氣體探測器電解液可能凍結(jié)，應(yīng)采取防凍措施;安裝在機械設(shè)備上的氣體探測器應(yīng)采用防振或減振設(shè)計;腐蝕性空氣環(huán)境中的氣體探測器(如氨、酸霧、H2S等)，應(yīng)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(shè)定值

中國標準SY 6503－2008、Q/SY GD 1053－2014和 Q/SY 152－2012規(guī)定氣體檢測器宜采用兩級報警，一級報警(高限)設(shè)定值≤25%LEL(爆炸下限濃度)，二級報警(高高限)設(shè)定值≤50%LEL(爆炸下限濃度)。Q/SY 152－2012規(guī)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(guī)定催化燃燒型氣體探測器CH4報警設(shè)定值不低于5% LFL，C3H8和C4H10報警設(shè)定值不低于10%LFL，易燃氣體—空氣混合物報警設(shè)定值不低于20%LFL。針對氣體探測器報警設(shè)定值，美國標準更嚴格，建議氣體探測器一級報警設(shè)定值＜20%LEL。

8 氣體探測器故障條件下替代措施

國內(nèi)標準Q/SY 152－2012和Q/SY GD 1053－2014規(guī)定氣體探測器在維修維護期間，應(yīng)采取可靠的替代測試方法或者替代措施，保證現(xiàn)場運行安全。該標準未給出明確的替代措施，部分國內(nèi)油氣管道站場的執(zhí)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(guī)定氣體探測器故障時應(yīng)采取下列替代措施:氣體探測器故障時發(fā)出報警信號，使用便攜式可燃氣體檢測儀，啟動通風設(shè)備，消除點火源，釋放源封閉，停止設(shè)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(chǎn)品說明書，重視氣體檢測器操作維護規(guī)程，而氣體探測器運行特性、檢定氣體介質(zhì)、零位漂移調(diào)整、讀數(shù)異常和報警滯后等問題較少涉及［19］。中國已開展相關(guān)問題研究，例如文獻［20］針對天然氣管道氣體探測器基礎(chǔ)顯示數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)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(guī)定操作人員應(yīng)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(qū)域內(nèi)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(chǎn)生蒸汽或者蒸汽凝結(jié)在探測器內(nèi)部，使探測器讀數(shù)顯示錯誤、誤報警或者不能發(fā)出報警信號。

3)氣體泄放特性，例如壓力管道發(fā)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(shù)可能略高，屬于儀器正常工作范圍。

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

6)連續(xù)性檢測低濃度可燃氣體可能導致讀數(shù)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(xù)使用。

7)任何出現(xiàn)讀數(shù)超出量程的情形，都應(yīng)假設(shè)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(yīng)采取必要防護措施;受限空間屬于缺氧環(huán)境或者存在有毒氣體，應(yīng)進行易燃氣體特性等相關(guān)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(yè)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(guī)定氣體探測器日常巡檢:設(shè)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(huán)境溫度和濕度是否滿足設(shè)備要求;氣體探測器每周進行1次自檢測試。

Q/SY GD 1053－2014規(guī)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(nèi)部。測試每回路電纜絕緣電阻，阻值不小于20 MΩ;測試系統(tǒng)接地電阻，阻值應(yīng)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(yīng)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(yǎng)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(tǒng)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(jié)論

美國標準ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012的技術(shù)先進性主要體現(xiàn)在以下幾方面，建議中國相關(guān)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(yīng)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(zhì)、探測氣體濃度范圍、易燃液體揮發(fā)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(yè)的重要場所，例如儲罐人孔區(qū)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(shè)計。

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

5)氣體探測器一級報警設(shè)定值＜20%LEL，國內(nèi)標準為25%LEL，技術(shù)參數(shù)更嚴格。

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

7)將氣體探測器運行特性、檢定氣體介質(zhì)、零位漂移調(diào)整、讀數(shù)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。

［1］黃維和，鄭洪龍，王婷．我國油氣管道建設(shè)運行管理技術(shù)及發(fā)展趨勢［J］．油氣儲運，2014，33(12):1259－1262．Huang Weihe，Zheng Honglong，Wang Ting．Construction and Operation Management Technology and Prospect of Oil and Gas Pipelines in China［J］．Oil＆Gas Storage and Transportation，2014，33(12):1259－1262．

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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(xiàn)從事長輸管道的安全技術(shù)管理工作。