液氨長輸管道安全運(yùn)行過程探討

(貴州開陽化工有限公司，貴州 貴陽 550306)

貴州開陽化工有限公司50萬t/a合成氨項(xiàng)目是開磷集團(tuán)大磷肥裝置的配套項(xiàng)目，所生產(chǎn)的合成氨主要用于開磷集團(tuán)的磷肥生產(chǎn)。項(xiàng)目于2013年1月建成投產(chǎn)，產(chǎn)品包括50萬t/a合成氨、8萬t/a硫酸銨以及硫磺、液氧、液氮、液氬等，產(chǎn)品液氨通過地下管道輸送到開磷集團(tuán)大水工業(yè)園區(qū)磷銨廠內(nèi)液氨球罐，兩企業(yè)間直線距離6 km，輸氨管道實(shí)際長10.98 km。

1 液氨管道流程

該輸氨管道是將貴州開陽化工有限公司液氨球罐內(nèi)的液氨，經(jīng)液氨泵加壓到約2.75 MPa(g)，計(jì)量后經(jīng)10.98 km長的管道送至開磷集團(tuán)大水工業(yè)園開磷集團(tuán)磷銨廠，經(jīng)兩級壓力調(diào)節(jié)后，進(jìn)入磷銨廠液氨球罐內(nèi)，氨罐工作壓力約為1.2 MPa(g)。按年輸送時間8 000 h計(jì)，平均每天輸送量為1 500 t，每小時輸送量為62.5 t，年輸送能力為50萬t，輸氨管道材質(zhì)為16Mn無縫鋼管，公稱直徑DN200，管道流速0.9 m/s。

為了維護(hù)輸氨管道的安全運(yùn)行及方便日常巡線工作，整條輸氨管道共設(shè)置4個閥站，首站設(shè)在開陽化工有限公司液氨儲罐區(qū)，負(fù)責(zé)輸氨泵操作及輸氨量調(diào)節(jié)，2個中間閥站分別設(shè)在液氨輸送管道沿途的2個高點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)閥站內(nèi)閥門操作及沿途管道巡線工作，末端閥站設(shè)置在開磷集團(tuán)大水工業(yè)園開磷集團(tuán)磷銨廠液氨儲罐區(qū)，負(fù)責(zé)液氨的接收工作。

考慮到管道的搶修和維修，在事故時需要將管道內(nèi)的液氨排凈，否則無法進(jìn)行搶修和維修，更不能動火焊接，因此，在輸氨首站、末站設(shè)置收發(fā)球筒裝置，該裝置以中壓氮?dú)庾鳛閯恿?，發(fā)生事故時通入氮?dú)猓苿忧蝮w將液氨以正輸?shù)姆绞酵迫氪笏I(yè)園氨罐。在閥站及減壓閥組附近均設(shè)置氨氣吸收水池，吸收管道內(nèi)剩余的氨與氮?dú)饣旌衔铩?/p>

圖1 液氨長輸管道流程

2 液氨管道投用過程

(1)輸氨管道水壓試驗(yàn)。安裝過程中對管道進(jìn)行分段試壓，用無腐蝕性清潔水作介質(zhì)對輸氨管道分段進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力按管道設(shè)計(jì)壓力的1.5倍進(jìn)行。

(2)輸氨管道的清洗和吹掃。管道清洗、吹掃分3個步驟進(jìn)行：第1步從首端閥站連續(xù)不斷地用潔凈水對管道系統(tǒng)(包括支管)進(jìn)行沖洗，從末端閥站排水；第2步使用通球器對管道進(jìn)行通球，將管道里的水趕出；第3步使用3.9 MPa(g)的中壓氮?dú)鈱艿肋M(jìn)行吹干。

(3)管道氣密性試驗(yàn)。輸氨管道從首端閥站通氮?dú)膺M(jìn)行分級試漏，充壓等級分別為0.5 MPa(g)、1.0 MPa(g)、2.0 MPa(g)、2.8 MPa(g)、3.6 MPa(g)，用肥皂水對閥門填料函、法蘭、螺紋連接處等所有密封點(diǎn)進(jìn)行查漏。

(4)管道置換。包括首端泵站、1#與2#中間閥站、末端閥站輸氨管道及其附屬管道，從首端通入3.9 MPa(g)氮?dú)膺M(jìn)行置換，充壓至1.0 MPa(g)后從末端閥站放空閥處放空，如此重復(fù)幾次，至輸氨管道取樣分析，氧含量≤0.5%為合格，并用氮?dú)獗骸?/p>

(5)管道投氨。投氨時，為了避免液氨進(jìn)入管道后大量蒸發(fā)而使管道溫度過低或形成較大溫差，造成輸氨管道因冷縮或冷脆機(jī)械性能受損，所以確定投氨溫度>15 ℃，液氨在15 ℃時對應(yīng)的飽和蒸汽壓力為0.743 MPa(g)。所以投氨時輸氨管道內(nèi)壓力應(yīng)≥0.75 MPa(g)。我們置換合格后用氮?dú)獗?.8 MPa(g)。投氨時啟動1臺輸氨泵，泵出口壓力達(dá)1.0 MPa(g)后，按輸氨泵額定流量50m3/h緩慢向管道送氨，由泵出口閥控制輸送量，但閥門不能開得太小，以免進(jìn)入管道的液氨產(chǎn)生節(jié)流，以閥門后主管道上不產(chǎn)生白霜，管內(nèi)液氨溫度≥15 ℃為準(zhǔn)。當(dāng)首端閥站壓力達(dá)1.2 MPa(g)時，緩慢打開1#閥站放空閥放空，至放空管處出現(xiàn)白霜，能看到明顯液滴，關(guān)閉1#閥站放空閥。當(dāng)2#閥站壓力達(dá)1.2 MPa(g)時，打開2#閥站放空閥放空，至放空管處出現(xiàn)白霜，能看到明顯液滴，關(guān)閉2#閥站放空閥。打開末站排氣閥排氣，同時應(yīng)保持1#、2#閥站壓力不下降為限，末站排氣管道連接開磷集團(tuán)的尾氣洗滌塔，當(dāng)管道充滿液氨且管道最高點(diǎn)壓力超過當(dāng)時溫度下的液氨飽和蒸汽壓時，全管道內(nèi)都是液氨而沒有氣氨，然后投用兩道減壓閥，打開并氨閥，液氨進(jìn)入開磷集團(tuán)球罐。

3 液氨管道泄漏危險性分析

該液氨長輸管道所處地段地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沿途經(jīng)過山林、河流、農(nóng)田、公路、采礦區(qū)、7個村寨及散落的農(nóng)戶，由各種原因造成輸氨管道破損的可能性增大，輸送管道距離長，運(yùn)行過程中管道內(nèi)存的液氨量大，達(dá)200t左右，一旦出現(xiàn)泄漏，可能引起附近人員中毒、環(huán)境污染和火災(zāi)爆炸事故。輸氨管道中液氨的數(shù)量、狀態(tài)見表1。

表1 輸氨管道中液氨數(shù)量、狀態(tài)

3.1 液氨管道泄漏原因分析

(1)管道的設(shè)計(jì)、施工。在管道設(shè)計(jì)、采購質(zhì)量及施工安裝等環(huán)節(jié)，沒有因不符合有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)或存在缺陷，而使管道在運(yùn)行中破裂，發(fā)生液氨泄漏事故的危險。

(2)管道腐蝕。該管道輸送液氨的濃度在99.8%以上，屬于中性液體，腐蝕性很弱，內(nèi)腐蝕不嚴(yán)重；但大部分管道深埋在地下，存在電化學(xué)腐蝕、細(xì)菌腐蝕及雜散電流腐蝕等外腐蝕，特別是電化學(xué)腐蝕，金屬結(jié)構(gòu)一旦有腐蝕電池形成，其陽極區(qū)因其區(qū)域范圍相對比陰極區(qū)的小得多，腐蝕速度也極快，此時金屬表面發(fā)生的不是均勻腐蝕，而是孔蝕，地下的管道、儲罐、各種存有電解質(zhì)的容器設(shè)備等幾乎都是因?yàn)榭孜g而發(fā)生泄漏的。

(3)超壓。環(huán)境溫度升高易使液氨氣化，造成管道因超壓發(fā)生爆炸；因氣候變化，管道熱脹冷縮造成的破壞，導(dǎo)致長輸管道的蛇變或翻動，易引起管道斷裂，造成液氨泄漏。

(4)違章操作或設(shè)備故障。在開停車及運(yùn)行過程中由于違章操作或儀表、設(shè)備故障使工藝控制過程失控而發(fā)生超壓，或管道溫差造成熱應(yīng)力過大，或液氨介質(zhì)流動而引起震動(或翻動)等引起管道破裂，具有發(fā)生物理爆炸并大量泄漏的危險。

(5)關(guān)鍵部件缺陷。主要是墊片、法蘭盤、密封部位、焊縫、螺釘擰入處、閥片等部位發(fā)生以跑、冒、滴、漏為主的泄漏，事故規(guī)模通常較小，但發(fā)生頻率較高，且分布范圍較廣，其危害性不容忽視。

(6)人為原因。液氨輸送管道因巡檢不及時、宣傳力度不夠、安全警示標(biāo)志不清、警示標(biāo)志少或丟失等原因，周圍群眾在液氨管道經(jīng)過的地段進(jìn)行耕地、施工等過程中因不注意而誤碰輸氨管道造成泄漏，人為原因造成的事故規(guī)模往往較大。

(7)地質(zhì)災(zāi)害。因該管道穿越采礦區(qū)，且沿途多處地段邊坡和土體不穩(wěn)定，具有引發(fā)滑坡、崩塌、地面塌陷、地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害的可能性，危害程度和危險性大。

3.2 液氨管道泄漏的危害分析

管道輸送液氨裝置的氨泄漏可分為彌散性點(diǎn)泄漏、小口徑噴射點(diǎn)泄漏和超壓爆炸破裂泄漏。為了計(jì)算最大危害范圍，假設(shè)條件為泄漏時處于靜風(fēng)狀態(tài)，氨氣初始云團(tuán)在泄漏處以半球狀擴(kuò)散；管段的泄漏點(diǎn)位于最低處；泄漏的液氨在較短時間內(nèi)全部泄漏并氣化。

仍假設(shè)液氨管道有一個1cm2泄漏口，液氨的泄漏速度為0.145kg/s，假設(shè)輸氨管道泄漏60min后，采取了停泵、切斷閥門、堵漏等有效措施，控制住了泄漏，則60min泄漏的氨的質(zhì)量W為：

0.145×60×60=522 kg

泄漏的液氨揮發(fā)為氣氨時，其體積為：

22.4/0.017×522=687 812L=687.812 m3

氨氣在空氣中的濃度達(dá)到0.5%時，人吸入5～10 min即致死，令人致死的有毒空氣體積為：

V=687.812×100/0.5=137 562 m3

假設(shè)這些有毒空氣以半球形向地面擴(kuò)散，可求出該有毒氣體的擴(kuò)散半徑為：

R=(V/2.094 4)1/3=40.35 m

根據(jù)以上計(jì)算，可以得出以下結(jié)論：如果輸氨管道損壞，造成液氨泄漏，未能及時采取控制措施，空氣中的氨氣濃度達(dá)到0.5%時，在以泄漏點(diǎn)為球心、半徑為40.35 m的半球形區(qū)域內(nèi)的人員若未采取有效防護(hù)措施，吸入5～10 min即令人致死。

4 運(yùn)行過程中出現(xiàn)的重大隱患

(1)2014年7月，在一次雨后巡道過程中，發(fā)現(xiàn)液氨管道2處隱患：一是49#節(jié)點(diǎn)樁處外側(cè)地表出現(xiàn)長度約20 m、寬度約20 mm的裂紋，緊貼管道，雨天中隨時有塌方可能；二是75#節(jié)點(diǎn)樁處，在管道外側(cè)出現(xiàn)了塌方現(xiàn)象，離管道僅有2 m的距離，以上2處隱患對液氨管道的安全運(yùn)行構(gòu)成極大威脅。發(fā)現(xiàn)隱患后，引起貴州開陽化工有限公司的高度重視，將此2處按A級隱患進(jìn)行整改，立即聯(lián)系地質(zhì)工程勘察院進(jìn)行現(xiàn)場勘察，并及時設(shè)計(jì)出整改方案，49#節(jié)點(diǎn)樁處外側(cè)將要塌方的土方經(jīng)人工清理至管道底，在管道底部及上部各打一排錨桿并澆筑砼擋墻，對管道進(jìn)行加固，兩端分別延伸，總長度加至35 m，以5 m為一段，分段施工。75#節(jié)點(diǎn)樁處，沿塌方外側(cè)做毛石砼擋墻，長度約為20 m，深入巖石600 mm。經(jīng)過一個多月的搶修，于2014年9月底整改完成，確保了液氨管道安全運(yùn)行。

(2)2016年6月，遵貴高速公路修建，原設(shè)計(jì)高速路與液氨管道32#至33#節(jié)點(diǎn)樁處交叉，需對液氨管道進(jìn)行遷改，經(jīng)與政府、施工方協(xié)商，認(rèn)為遷改技術(shù)難度大、風(fēng)險高，停產(chǎn)損失較大，特別考慮到安全生產(chǎn)的重要性，最終方案為不遷改液氨管道，采用橋梁上跨液氨管道避讓的方案。在高速路施工過程中，液氨管道周圍常有挖掘機(jī)、鉆機(jī)、吊車等大型設(shè)備作業(yè)，稍有不慎，會損壞液氨管道，引起氨泄漏等重大事故，在此期間，車間安排專人在施工現(xiàn)場監(jiān)護(hù)，嚴(yán)禁大型設(shè)備靠近液氨管道作業(yè)，并與施工單位共同編制液氨管道泄漏應(yīng)急預(yù)案并組織演練。該高速路跨液氨管道工程于2017年4月完工。

5 液氨管道安全運(yùn)行采取的措施

5.1 輸氨管道、管件的選擇

為保證管道安全運(yùn)行，提高管道設(shè)計(jì)壓力的裕量，其設(shè)計(jì)壓力為6.4 MPa(g)，增加管道的壁厚，相應(yīng)地加大耐腐蝕裕度，閥門和法蘭強(qiáng)度增加，以減少管道的維修量，提高管道的安全運(yùn)行系數(shù)，管道上不使用人工彎頭，采用自然彎，即彈性敷設(shè)，采用較大的曲率半徑，有很大的冷卻補(bǔ)償裕量，可有效防止管道斷裂的事故發(fā)生。

5.2 管道施工質(zhì)量

以焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)或高于焊接質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行焊接，所有焊縫100%進(jìn)行X射線無損探傷，提高焊縫X射線無損探傷拍片率，進(jìn)一步保證焊縫質(zhì)量。

5.3 管道防腐及絕熱方式

該長輸管道以地下敷設(shè)為主，這就要求管道的安全使用壽命要有較高的技術(shù)保障措施，管道敷設(shè)采用深度≥1.2m埋地敷設(shè)方式，以保證管道的恒溫，避免液氨氣化，避免因氣候變化引起管道熱脹冷縮造成的破壞，并借鑒國內(nèi)現(xiàn)有的輸氨管道的成功防腐經(jīng)驗(yàn)，對輸氨管道采用A型煤焦油瓷漆作外防腐層和犧牲陽極保護(hù)相結(jié)合的防腐方法，外露輸氨管道采取保冷措施，防止日曬及外界高溫引起液氨氣化，保冷結(jié)構(gòu)由“保冷層+防潮層+保護(hù)層”構(gòu)成，保冷層采用密閉型聚氨酯泡沫塑料，該保冷材料具有自熄性，適用溫度范圍-65～80 ℃，保冷層厚度為60 mm，防潮層型式采用有堿平紋玻璃布內(nèi)外各涂一層瀝青瑪蹄脂，保護(hù)層采用0.5 mm鋁皮。

5.4 建立健全管道巡檢制度

閥站值班人員每天至少進(jìn)行一次徒步巡檢，車間管理人員每周至少兩次徒步巡檢，檢查內(nèi)容包括責(zé)任范圍內(nèi)液氨管道的具體情況，管道三樁(測試樁、里程樁、轉(zhuǎn)角樁)、安全警示牌是否完好；管道上有無違章建筑；管道沿道有無施工及裂紋、塌方現(xiàn)象；管道周圍有無新開挖土方；管道有無露管、泄漏等現(xiàn)象；閥站閥門有無泄漏，壓力表指示是否正常；宣傳液氨的危害性，對危害管道安全的行為及時制止并向車間領(lǐng)導(dǎo)匯報，認(rèn)真填寫巡線記錄，發(fā)現(xiàn)的隱患指定專人負(fù)責(zé)整改，做到閉環(huán)管理，確保管道安全運(yùn)行。

5.5 制定完善的應(yīng)急預(yù)案

根據(jù)管道的實(shí)際情況，制定完善的、具有操作性的應(yīng)急預(yù)案，儲備足夠的應(yīng)急物資，聯(lián)合當(dāng)?shù)卣?、消防?duì)、醫(yī)療救援單位、周邊群眾每半年進(jìn)行一次大規(guī)模的液氨管道泄漏應(yīng)急演練，確保事故時匯報、應(yīng)急處置、救援、撤離能夠有序進(jìn)行，減少事故損失。

5.6 加強(qiáng)管道保護(hù)的宣傳工作

建立由地方政府、沿線村鎮(zhèn)干部群眾參與的“群防群治”的長輸管道安全防范體系，采取對管道周邊住戶登門造訪、散發(fā)傳單、簽訂管道保護(hù)協(xié)議等多種公共教育方式，在埋地管道上方，設(shè)置明顯標(biāo)記及保護(hù)設(shè)施，以免農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對其造成破壞，防止人為的破壞活動。

5.7 管道設(shè)備、安全附件維護(hù)

定期對管道閥站管道、閥門、法蘭、螺栓等部位進(jìn)行防腐保護(hù)，每年對安全閥及有毒、有害報警儀進(jìn)行校驗(yàn)，每半年對壓力表進(jìn)行校驗(yàn)，確保各設(shè)施完好。

6 結(jié)語

自1990年以來，國內(nèi)已相繼建成數(shù)條長距離輸送液氨管道工程，其運(yùn)行情況良好，工藝技術(shù)成熟可行，隨著我國高效復(fù)合肥和化學(xué)纖維工業(yè)的發(fā)展，采用管道輸送液氨是比較安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的輸送方式，但必須要做好管道的設(shè)計(jì)、施工、投用、運(yùn)行的過程控制，才能維護(hù)管道安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

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