淺析空分冷箱泄漏的原因和對(duì)策

孫連杰

(淄博齊魯比歐西氣體有限責(zé)任公司，山東 淄博 臨淄 辛化路8號(hào) 255410)

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·工藝與設(shè)備·

淺析空分冷箱泄漏的原因和對(duì)策

孫連杰

(淄博齊魯比歐西氣體有限責(zé)任公司，山東 淄博 臨淄 辛化路8號(hào) 255410)

摘要:以齊魯比歐西KDO-45000/30000型空分現(xiàn)場(chǎng)為例，介紹了冷箱泄漏的原因，并從冷箱泄漏原因、泄漏風(fēng)險(xiǎn)、管線(xiàn)布置等方面進(jìn)行了分析。采取裝置特護(hù)、控制冷箱密封氣壓力、氧含量、基礎(chǔ)溫度和冷箱帶壓開(kāi)孔等相應(yīng)對(duì)策和措施進(jìn)行控制，并通過(guò)合理組織檢修消除泄漏點(diǎn)，達(dá)到了預(yù)期目的，對(duì)國(guó)內(nèi)同類(lèi)空分裝置有很好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞:空分現(xiàn)場(chǎng)；冷箱泄漏；風(fēng)險(xiǎn)控制；維持運(yùn)行；消除漏點(diǎn)

1工藝流程簡(jiǎn)介

淄博齊魯比歐西有限責(zé)任公司(簡(jiǎn)稱(chēng)BQG)KDON-45000/30000型空分裝置于2008年10月底完成整套空分試車(chē)，11月初開(kāi)始試運(yùn)行，至今已穩(wěn)定運(yùn)行7年多時(shí)間。該裝置為連續(xù)性全提取式空分設(shè)備，采用分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹機(jī)、全浸浴式主冷蒸發(fā)器、全精餾無(wú)氫制氬及液氧內(nèi)壓縮、氮?dú)馔鈮嚎s流程，空分冷箱由杭氧設(shè)計(jì)。KDON-45000/30000空分主要?dú)怏w和液體產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　KDON-45000/30000空分裝置主要產(chǎn)品指標(biāo)

2問(wèn)題提出

1.現(xiàn)象1：2013年6月3日，例行分析冷箱夾層的密封氣含氧量時(shí)，發(fā)現(xiàn)主冷箱下部夾層氣含氧量60%(正常值20%以?xún)?nèi))。6月23日升至75%，最高至77%，截止到11月初維持在77%左右。現(xiàn)象2：6月3日，現(xiàn)場(chǎng)檢查冷箱東南角靠近基礎(chǔ)部位冷箱板出現(xiàn)結(jié)霜、結(jié)冰現(xiàn)象(正常時(shí)冷箱基礎(chǔ)無(wú)結(jié)冰)，其外形尺寸約為：l·hmm：1000×300；至8月底，受環(huán)境溫度升高影響，結(jié)霜消失，有“出汗”現(xiàn)象；進(jìn)入9月份，受環(huán)境溫度降低影響，冷箱基礎(chǔ)部位再次出現(xiàn)結(jié)霜，外形尺寸約為l·hmm：2000×300?，F(xiàn)象3：6月3日，冷箱底部基礎(chǔ)溫度-8℃(正常值-4～-6℃)。7月30日降至最低點(diǎn)-30.5℃，采取冷箱底部通蒸氣管加熱措施后溫度開(kāi)始回升，至-16℃左右維持穩(wěn)定?，F(xiàn)象4：6月3日，冷箱下部夾層氣壓力850 Pa(正常值300～400 Pa)。采取部分安全閥蓋板微開(kāi)卸壓措施后，維持在700～900 Pa。

2.泄漏點(diǎn)發(fā)展趨勢(shì)：2014年1月，冷箱東南角基礎(chǔ)部位結(jié)霜，隨環(huán)境溫度下降，有逐步擴(kuò)展趨勢(shì)，外形尺寸約為：l·hmm：2600×300；冷箱南側(cè)亦有結(jié)霜現(xiàn)象。冷箱基礎(chǔ)溫度為-12.69℃，冷箱底部密封氣壓力為0.841 kPa，冷箱內(nèi)密封氣含氧量為76%。在此期間，在冷箱壁上不同位置開(kāi)孔插入溫度計(jì)探頭和氧含量分析儀監(jiān)測(cè)各點(diǎn)的溫度和氧含量，測(cè)點(diǎn)位置如圖1，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表2。

圖1　開(kāi)孔監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

注：T6和T8點(diǎn)1500mm處溫度為2014年1月10日復(fù)測(cè)溫度3調(diào)查和原因分析

1.冷箱為什么會(huì)發(fā)生泄漏？泄漏的發(fā)生是由于熱運(yùn)動(dòng)及冷箱中的冰凍結(jié)在設(shè)計(jì)的膨脹循環(huán)管之外的結(jié)果。一些管線(xiàn)，尤其是分析管線(xiàn)特別容易產(chǎn)生泄漏。

2.大多數(shù)冷箱都或多或少有一些細(xì)微的泄漏，這種情況容易使人習(xí)以為常。對(duì)于大的泄漏：這些種類(lèi)的泄漏可能導(dǎo)致嚴(yán)重的設(shè)備故障，所有的操作人員都應(yīng)該清楚與泄漏有關(guān)的問(wèn)題。重要的是也要認(rèn)識(shí)到小的泄漏可能釀成大的事故。

3.冷箱是低溫精餾產(chǎn)出氧氮產(chǎn)品的核心，其中塔器林立，管道縱橫，高度達(dá)70 m，設(shè)備管道壓力從幾個(gè)kPa到8.5 MPa，管線(xiàn)直徑從DN1200至DN12不等，設(shè)備的工作溫度從常溫至-196℃。

4.冷箱內(nèi)設(shè)備多為高強(qiáng)度鋁合金5083，管線(xiàn)多為普通鋁合金5A02，鋁材導(dǎo)熱系數(shù)高，但強(qiáng)度相對(duì)較低，鋁合金的線(xiàn)膨脹系數(shù)一般為23.8*0.000001/℃，在金屬中是較大的。一條自冷箱底部引至頂部的液氮管線(xiàn)，從常溫降至-196℃，僅熱脹冷縮的長(zhǎng)度就達(dá)到0.5 m之多；

5.冷箱內(nèi)部苛刻的工作條件，管線(xiàn)材質(zhì)和強(qiáng)度，管道補(bǔ)償和管架設(shè)計(jì)合理性，決定了冷箱是空分裝置的薄弱環(huán)節(jié)。其中儀表管線(xiàn)往往是冷箱中最薄弱的管環(huán)節(jié)，一般為Ф12×1的普通鋁合金，管線(xiàn)長(zhǎng)、焊縫多、易受沖擊變形、斷裂，導(dǎo)致整個(gè)冷箱被迫扒砂檢修。

6.隨著煤化工的發(fā)展，氧氣需求量增大，且大型空分相對(duì)能耗降低，冷箱規(guī)模急劇增大，一旦造成事故，危害性大大增加。在快速發(fā)展過(guò)程中，設(shè)計(jì)還得不到充分的時(shí)間驗(yàn)證完善，鑒于冷箱內(nèi)配管的局限性，本質(zhì)安全得不到確切保證。

4冷箱泄漏的風(fēng)險(xiǎn)

1.富氧：泄漏介質(zhì)是液氧或氣氧，會(huì)造成冷箱內(nèi)氧含量持續(xù)升高，極其危險(xiǎn)。

2.低溫凍裂：低溫液體泄漏會(huì)導(dǎo)致冷箱基礎(chǔ)溫度下降，基礎(chǔ)凍壞、冷箱板凍裂。如果是液體泄漏，泄漏的液體可能通過(guò)珠光砂流到基礎(chǔ)上或一個(gè)相鄰的位置，甚至沿著垂直或水平管流至冷箱的其它地方。液體比氣體泄漏有更大的風(fēng)險(xiǎn)，液體可能流至支撐梁上，甚至?xí)绊懙嚼湎浣Y(jié)構(gòu)的完整性，這些泄漏必須要認(rèn)真考慮。

3.污染和堵塞：珠光砂可能會(huì)從漏點(diǎn)部位進(jìn)入管線(xiàn)、精餾塔、主冷及換熱器通道內(nèi)部。

4.超壓：泄漏的液體氣化或啟動(dòng)時(shí)吹入熱空氣，會(huì)引起夾層超壓。

5.珠光砂沖刷：泄漏介質(zhì)流動(dòng)夾帶珠光砂形成氣流擾動(dòng)形成“氣鋸”，對(duì)附近設(shè)備管道造成沖刷和“氣割”。

6.儀表失真：若為儀表導(dǎo)壓管泄漏，漏量增大會(huì)造成儀表指示失真，危及裝置平穩(wěn)運(yùn)行。

7.砂爆：液體漏量增大，大量氣化，冷箱內(nèi)壓力會(huì)升高，嚴(yán)重時(shí)有引起砂爆的可能。液體能在珠光砂內(nèi)形成“液池”。如果裝置停車(chē)后引進(jìn)空氣加溫重啟，液體會(huì)快速蒸發(fā)，導(dǎo)致冷箱被破壞。

5維持運(yùn)行的措施和對(duì)策

1.BQG冷箱珠光砂填裝量11000 m3多，扒砂檢修時(shí)間長(zhǎng)，且冷箱基礎(chǔ)溫度、夾層氣含氧量和壓力能夠維持，制定了加強(qiáng)監(jiān)控，維持運(yùn)行的策略，對(duì)冷箱實(shí)施特護(hù)方案，現(xiàn)場(chǎng)每2 h監(jiān)測(cè)一次冷箱的壓力、結(jié)霜、變形等情況，冷箱夾層氣壓力突變100 Pa時(shí)，基礎(chǔ)溫度突降10℃時(shí)通知裝置主管，并增加動(dòng)態(tài)報(bào)警點(diǎn)。

2.在確保冷箱夾層氣壓力不升的前提下，對(duì)冷箱底部結(jié)冰凍堵的通風(fēng)孔使用蒸氣伴熱管逐漸將其疏通，并保持通風(fēng)孔暢通。

3.中控每2 h記錄一次冷箱基礎(chǔ)溫度、塔內(nèi)壓力及冷箱夾層壓力 ，嚴(yán)格控制冷箱夾層壓力900 Pa以?xún)?nèi)，防止冷箱安全閥起跳出現(xiàn)噴砂。

4.將冷箱密封氣改為氮?dú)猓M量降低夾層氣含氧量，并控制好冷箱各個(gè)進(jìn)入口的氮?dú)饬吭?0 Nm3/h以上，防止冷箱出現(xiàn)負(fù)壓吸入潮濕空氣。

5.增加冷箱分析點(diǎn)氧含量分析頻率，由原先的1次/季度改為分析2次/d。

6.對(duì)冷箱的呼吸閥進(jìn)行定期校驗(yàn)檢查，同時(shí)在做好防雨措施的前提下，根據(jù)需要對(duì)冷箱呼吸閥、人孔適當(dāng)開(kāi)口以便冷箱泄壓及置換。目前打開(kāi)卸壓孔共6處：主冷箱東側(cè)35 m處微開(kāi)1個(gè)安全閥蓋板；主冷箱北側(cè)18 m處微開(kāi)1個(gè)安全閥蓋板；主冷箱西側(cè)18 m處微開(kāi)1個(gè)安全閥蓋板；低壓板式換熱器頂部微開(kāi)2個(gè)安全閥蓋板；高壓板式換熱器與主冷箱過(guò)橋處微開(kāi)1個(gè)人孔。

7.為防止靜電、明火等引起爆燃，切斷冷箱壁一切電源，包括冷箱內(nèi)液位計(jì)使用的電加熱器，在冷箱10 m范圍禁止動(dòng)火作業(yè)，并拉警戒線(xiàn)以告知。

8.針對(duì)儀表失真制定應(yīng)對(duì)措施，制定了液空調(diào)節(jié)閥、粗氬Ⅱ底部液位等調(diào)節(jié)閥波動(dòng)處理方案。

9.操作人員巡檢時(shí)必須兩人一組，巡查冷箱四周有無(wú)異常情況，巡檢時(shí)需佩戴氧含量報(bào)警儀。

10.如空分裝置停車(chē)發(fā)現(xiàn)有液體泄漏時(shí)，要停止冷箱內(nèi)供密封氮?dú)?，防止液體快速蒸發(fā)，冷箱內(nèi)壓力上升，引起砂爆。

11.如空分裝置停車(chē)，要嚴(yán)格控制塔內(nèi)壓力及冷箱內(nèi)壓力，要求塔內(nèi)壓力大于冷箱內(nèi)壓力10 kPa，避免珠光砂漏入塔內(nèi)。迅速排放主冷液位，將液體安全排至排液蒸發(fā)器。

12.出現(xiàn)下列情況停車(chē)：有液體大量泄漏或主冷箱內(nèi)基礎(chǔ)溫度持續(xù)降低；現(xiàn)場(chǎng)檢查冷箱壁有凍裂、基礎(chǔ)損毀等現(xiàn)象；冷箱夾層內(nèi)氧含量大幅上漲；冷箱夾層壓力持續(xù)上升；當(dāng)冷箱發(fā)生較大泄漏，危急人員或設(shè)備安全的重大、異常工藝變化：例如發(fā)現(xiàn)上塔壓力、下塔壓力、冷箱密封氣壓力發(fā)生突變、冷箱噴砂、冒出低溫蒸汽云應(yīng)緊急停空壓機(jī)。

13.制定冷箱泄漏緊急處置預(yù)案并培訓(xùn)至每一位操作員工。工藝應(yīng)急處置要點(diǎn)：

1)及時(shí)切斷進(jìn)塔空氣防止泄漏持續(xù)擴(kuò)大造成冷箱破裂及砂爆事故。在確認(rèn)大量液體泄漏的情況下要及時(shí)關(guān)閉冷箱夾層密封氣總閥，防止加劇液體汽化冷箱超壓。

2)空分裝置停車(chē)后，通過(guò)冷箱各放空閥緊急泄壓，但是要嚴(yán)格保證塔內(nèi)壓力大于冷箱夾層內(nèi)壓力，要求塔內(nèi)壓力大于冷箱夾層內(nèi)壓力10 kPa，避免珠光砂反向漏入塔內(nèi)。

3)迅速排放塔內(nèi)液體，現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法進(jìn)入時(shí)開(kāi)啟工藝氧泵出口自動(dòng)排液閥，將液體安全排放到排液蒸發(fā)器。

4)冷箱泄漏時(shí)必須確認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)不會(huì)造成人身傷害才可以進(jìn)入冷箱周?chē)M(jìn)行處置。

14.在確保裝置正常運(yùn)行的前提下，通過(guò)紅外線(xiàn)成像儀檢測(cè)冷箱上整體的溫度分布情況；并嘗試在冷箱上開(kāi)孔，通過(guò)插入熱電阻和取樣分析氧含量的方式，判斷冷箱內(nèi)泄漏點(diǎn)的具體位置，找到具體位置后，在確保安全的前提下探索實(shí)施不停車(chē)堵漏方案。

6冷箱檢修徹底消除泄漏點(diǎn)

1.在冷箱堅(jiān)持帶病運(yùn)行接近21個(gè)月之后，2015年3月4日，該空分裝置開(kāi)始停車(chē)檢修，于4月10日14：45實(shí)現(xiàn)一次開(kāi)車(chē)成功，總共歷時(shí)37d，圓滿(mǎn)完成冷箱檢修任務(wù)，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)相同規(guī)?？辗謾z修時(shí)間最短的先例。3月4日12：00裝置停車(chē)；3月8日9:40冷箱扒砂開(kāi)始；3月19日16:00冷箱扒砂完成；3月20日冷箱內(nèi)水沖洗，掃砂；3月21日開(kāi)始搭設(shè)腳手架；3月25日13:30冷箱開(kāi)始充壓初次查漏，16:00腳手架搭設(shè)完畢；3月26日冷箱施工改造全面鋪開(kāi)；3月29日冷箱施工改造完成開(kāi)始查漏；3月31日冷箱內(nèi)查漏完成，開(kāi)始拆腳手架；4月3日拆腳手架完成，10：00開(kāi)始裝砂；4月7日冷箱裝砂完成。4月10日14:45主裝置高壓氧合格外供。

表3冷箱內(nèi)泄漏點(diǎn)一覽表

Table 3List of leak in the cold box

2.冷箱檢修過(guò)程中共查漏、消漏16處，其中最關(guān)鍵一處漏點(diǎn)為冷箱49 m高度處液空氣液分離器底部排液管根部焊縫裂開(kāi)(DN20)，判斷此漏點(diǎn)為冷箱泄漏的主要漏點(diǎn)(冷箱內(nèi)泄漏點(diǎn)情況見(jiàn)表3)；同時(shí)冷箱內(nèi)部更換低溫?zé)犭娮栊?2只、低溫電纜1351 m，儀表導(dǎo)壓管/分析管根部保護(hù)改造105處，儀表管的碳鋼支架改為不銹鋼支架36個(gè)，重要管線(xiàn)三通處增加加強(qiáng)筋13處；修復(fù)損壞變形的工藝管線(xiàn)6處，去除排液管線(xiàn)3處；去除多余塔體分析取樣點(diǎn)10處，完成了冷箱內(nèi)部管線(xiàn)改造任務(wù)。

3.根據(jù)扒砂前期冷箱出現(xiàn)的現(xiàn)象、監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)、扒砂后冷箱內(nèi)管道泄漏點(diǎn)的泄漏狀態(tài)和位置，可以得出結(jié)論引起冷箱出現(xiàn)冷箱密封氣內(nèi)含氧量高、冷箱密封氣超壓、冷箱基礎(chǔ)溫度低的直接原因是WNL-12-Φ25*2.5-AL管道泄漏引起(見(jiàn)圖2)。

圖2　WNL-12-Φ25*2.5-AL管道泄漏情況

1)冷箱經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期運(yùn)行，珠光砂已經(jīng)粉末化，冷箱上的橡皮閥門(mén)套老化，冷箱密封性變差，在冷箱經(jīng)歷多次開(kāi)停車(chē)后，冷箱內(nèi)珠光砂的含水量已經(jīng)比較高，使冷箱內(nèi)大部分珠光砂結(jié)成了冰塊，在冷箱加溫過(guò)程中，冰塊并不會(huì)被加溫融化，冰塊的重壓阻礙了冷箱內(nèi)管道正常伸縮，小管道由于位于大管道上方且與上塔直接相連，在加溫過(guò)程中珠光砂阻礙了大管道的伸縮，大管道下方的小管道正常伸縮時(shí)撞上了大管道，致使該三通根部與上方大管道擠壓變形，出現(xiàn)裂紋。

2)管道壓裂后，三通裂口朝向上塔，管道內(nèi)的富氧液空噴向上塔，富氧液空漸漸在冷箱內(nèi)沿塔壁流向基礎(chǔ)，富氧液空中的氮?jiǎng)t蒸發(fā)。隨著時(shí)間的推移，珠光砂在裂口位置的摩擦使裂口變的越來(lái)越薄、裂口隨之?dāng)U大。這是冷箱夾層氣內(nèi)氧含量升高的根本原因。

7實(shí)施效果檢驗(yàn)

1.從2013年6月發(fā)現(xiàn)冷箱泄漏至2015年3月空分停車(chē)檢修，冷箱堅(jiān)持帶病運(yùn)行接近21月之久，且冷箱基礎(chǔ)溫度、夾層氣含氧量和夾層氣壓力得到了較好地控制，滿(mǎn)足了客戶(hù)的供氣需求，這說(shuō)明采取的維持運(yùn)行的措施是有效的。同時(shí)該公司做好了冷箱泄漏加重導(dǎo)致突然停車(chē)和等待時(shí)間窗口計(jì)劃?rùn)z修的相關(guān)方案，如冷箱扒砂檢修方案，冷箱檢修氣密查漏方案、冷箱檢修腳手架搭設(shè)方案、冷箱內(nèi)儀表取壓管線(xiàn)改造方案和冷箱檢修期間氧氮?dú)夤?yīng)方案等。

2.通過(guò)冷箱檢修，徹底消除了冷箱泄漏影響裝置穩(wěn)定運(yùn)行的隱患。從目前冷箱運(yùn)行的數(shù)據(jù)看，冷箱東南角結(jié)冰消失，冷箱上打開(kāi)的卸壓孔全部關(guān)閉，夾層氣壓力恢復(fù)正常值，夾層氣含氧量由80%降至0.2%。

太陽(yáng)能分解水制氫取得新進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所在太陽(yáng)能光電催化分解水制氫研究方面取得新進(jìn)展。這一研究成果拓展了空穴儲(chǔ)存層的應(yīng)用，形成理性設(shè)計(jì)高效光電極的新策略和新思路，為實(shí)現(xiàn)高效太陽(yáng)燃料制備提供重要的研究基礎(chǔ)。

半導(dǎo)體材料Ta3N5由于其能帶結(jié)構(gòu)符合熱力學(xué)分解水的基本要求，且具有寬光譜響應(yīng)性質(zhì)，是當(dāng)前太陽(yáng)能分解水制氫領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)材料之一。但這個(gè)材料易受光腐蝕，光電流起始電位偏正且其光電流偏低，嚴(yán)重制約其光電催化性能的提高。研究人員在以Ta3N5為基礎(chǔ)的高效半導(dǎo)體光陽(yáng)極的設(shè)計(jì)構(gòu)建研究中，利用空穴儲(chǔ)存層(HSL)和電子阻擋層進(jìn)行界面修飾，并結(jié)合表面分子助催化劑，所構(gòu)建的復(fù)合光陽(yáng)極體系在基準(zhǔn)水分解電位(1.23V)下獲得了接近其理論極限的光電流(12.9 mA/cm2)。這是目前國(guó)際最高的光電流。

Analysis of Air Separation Cold Box Leakage Causes and Countermeasure

SUN Lianjie

(Zibo Qilu BOC Gas Co.,Ltd., Zibo 255410,China)

Abstract:With Qilu BOC Model KDON-45000/30000 air separation as an example,introduced the reasons of cold box leak, and analysed from cold box leak reasons, and leak risk, and pipeline layout. Take device intensive care, and control seal gas pressure of cold box, and oxygen content, and based temperature and cold box with pressure open hole, corresponding countermeasures and measures for control, and through reasonable organization maintenance elimination leak points, reached has expected purpose, on domestic similar air separation plant has is good of reference meaning.

Key words:site air separation; cold box leakage risk control; keep running

作者簡(jiǎn)介：

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.01.004

中圖分類(lèi)號(hào)：TB657.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1007-7804(2016)01-0011-05

收稿日期：2015-11-02