工業(yè)企業(yè)濕式氣柜的設(shè)計(jì)與安全操作

王 冀 寧

(賽鼎工程有限公司，山西 太原 030032)

1 概述

氣柜是化工或冶金等工藝過(guò)程中會(huì)用到的一種特定的儲(chǔ)供氣設(shè)備，容積可變化，而壓力相對(duì)不變。氣柜根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式和工作原理分干式氣柜和濕式氣柜。干式氣柜的工作原理及操作過(guò)程類(lèi)似活塞盤(pán)與活塞腔的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)整活塞盤(pán)負(fù)重以控制氣柜的儲(chǔ)氣壓力與儲(chǔ)氣空間，活塞盤(pán)與活塞腔之間的密封有采用密封條加稀油潤(rùn)滑型式，也有采用橡膠膜卷簾型式。濕式氣柜的工作原理及操作過(guò)程類(lèi)似扣在儲(chǔ)水槽盤(pán)中的浮動(dòng)鐘罩，儲(chǔ)存在鐘罩及塔節(jié)中的氣體靠水封高度封住，儲(chǔ)氣壓力與儲(chǔ)氣空間通過(guò)鐘罩及塔節(jié)的自身重量以及配重塊加以調(diào)整。

濕式氣柜的工業(yè)應(yīng)用已有很長(zhǎng)時(shí)間的歷史。按其結(jié)構(gòu)形式大體又可分為直導(dǎo)軌升降式氣柜和螺旋導(dǎo)軌升降式氣柜。氣柜的容積可從幾十立方米到十幾萬(wàn)立方米；儲(chǔ)氣壓力可從幾十毫米水柱到上千米毫米水柱。氣柜水槽的材料可用鋼制，也可以用混凝土或磚石制。我國(guó)于1992年頒布了第一個(gè)化工行業(yè)濕式氣柜設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)HG 20517—92鋼制低壓濕式氣柜[1]，我國(guó)于2015年又頒布了第一個(gè)工業(yè)濕式氣柜的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 51094—2015工業(yè)企業(yè)濕式氣柜技術(shù)規(guī)范[2]，國(guó)標(biāo)氣柜的設(shè)計(jì)壓力不大于4 000 Pa，公稱(chēng)容積為50 m3～100 000 m3，材料為鋼制。

濕式氣柜工作過(guò)程的容積變化，即鐘罩和塔節(jié)的升降，主要依賴(lài)于自身儲(chǔ)存氣體的流量、壓力以及水的浮力的變化，是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。雖然升降動(dòng)作的速度不大，但由于內(nèi)外密封是水封，且氣體體積龐大，很小的動(dòng)作偏差和氣體泄漏都會(huì)影響結(jié)構(gòu)整體的安全。2018年11月28日凌晨，發(fā)生于河北省張家口市的盛華化工公司的濕式氯乙烯氣柜泄漏導(dǎo)致的重大燃爆事故至今不得不令人震驚。事故的發(fā)生可能是偶然的，也許是巧合，但事故內(nèi)在的隱患因素卻是存在的。所以，探討關(guān)注氣柜設(shè)計(jì)與安全操作的可靠性理念今日仍有意義。

2 氣柜的進(jìn)出口水封

氣柜的進(jìn)口水封和出口水封本不屬于氣柜設(shè)備的組成部分，屬于單獨(dú)的外圍設(shè)備，它與氣柜的操作安全緊密相關(guān)，見(jiàn)圖1，圖2。在濕式氣柜的氣體進(jìn)口管道和出口管道上一般會(huì)單獨(dú)設(shè)置進(jìn)口水封設(shè)備和出口水封設(shè)備。在只有一根氣體進(jìn)出口管道的濕式氣柜，俗稱(chēng)盲腸式氣柜，也會(huì)在這根管道上設(shè)置進(jìn)出口水封設(shè)備。

不管是兩根管道的氣體進(jìn)口水封和出口水封，還是一根管道的氣體進(jìn)出口水封，準(zhǔn)確完整的定義其名稱(chēng)應(yīng)稱(chēng)作：氣體進(jìn)口管安全切斷水封、氣體出口管安全切斷水封和氣體進(jìn)出口管安全切斷水封。與一般水封設(shè)備一樣，該水封也設(shè)有進(jìn)氣管、出氣管、補(bǔ)水管、溢流管、放空管、排凈管，甚至還單獨(dú)增設(shè)液位計(jì)。不過(guò)這個(gè)水封在氣柜正常工作時(shí)它是不工作的，水封中沒(méi)有水，水封溢流管上的閥門(mén)是處于關(guān)閉狀態(tài)的，氣體只是穿過(guò)一下空水封。而只有在氣柜處于停車(chē)狀態(tài)，如氣柜停下來(lái)需要檢修或系統(tǒng)停車(chē)維護(hù)，水封才充水工作，起切斷氣柜與外部系統(tǒng)聯(lián)系的安全功能。有點(diǎn)類(lèi)似于裝置與裝置間、系統(tǒng)與系統(tǒng)間管路上常用的8字形盲板的功能。氣柜的進(jìn)出口水封看似簡(jiǎn)單，但就工藝系統(tǒng)安全必不可少，且很實(shí)用，正確合理地設(shè)計(jì)和使用進(jìn)出口水封是非常重要的。

3 氣柜進(jìn)出口管緊急切斷閥

與氣柜進(jìn)出口水封一樣，氣體進(jìn)出口管緊急切斷閥也不屬于氣柜主體部分，屬于管路。與氣柜操作安全緊密相關(guān)，見(jiàn)圖1，圖2。濕式氣柜的氣體進(jìn)出口管緊急切斷閥一般設(shè)置于進(jìn)出水槽外壁的根部，該切斷閥一般應(yīng)是帶有自動(dòng)儀表控制功能的閥組。控制信號(hào)主要源于氣柜鐘罩和塔節(jié)升降操作設(shè)計(jì)的最高最低限位，當(dāng)然，該閥組也可設(shè)計(jì)成同時(shí)接收氣柜系統(tǒng)單元的SIS(安全儀表系統(tǒng))的信號(hào),如果SIS系統(tǒng)沒(méi)有單獨(dú)設(shè)有緊急切斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)的話，可通過(guò)該閥組實(shí)施緊急切斷功能，SIS系統(tǒng)信號(hào)源于現(xiàn)場(chǎng)的有毒氣體、可燃?xì)怏w的泄漏探測(cè)器或火災(zāi)等探測(cè)器。

氣柜進(jìn)出口水封與氣柜進(jìn)出口管緊急切斷閥兩者雖然都有切斷功能，但兩者的性質(zhì)和作用是不一樣的，前者多是主動(dòng)的，是在氣柜停車(chē)狀態(tài)時(shí)，后者往往是被動(dòng)的，是在氣柜工作狀態(tài)時(shí)，所以，兩者是不能互相替代的。

4 鐘罩和塔節(jié)的升降控制

氣柜的鐘罩和塔節(jié)的升降速度及位置，也即氣柜儲(chǔ)氣容積的變化，取決于進(jìn)出氣柜的氣體流量差值，正常操作過(guò)程對(duì)鐘罩和塔節(jié)的升降速度是不加以專(zhuān)門(mén)控制的，但是對(duì)鐘罩及塔節(jié)升起的最高位置和鐘罩及塔節(jié)全部落下的最低位置是要加以限制的，不然，高限位置再升高后會(huì)發(fā)生拔脫事故，低限位置后繼續(xù)抽氣會(huì)抽癟鐘罩頂。

對(duì)鐘罩和塔節(jié)升起的高度位置控制，通常是在最高限制位置處設(shè)置限位開(kāi)關(guān)，由液壓傳感器輸送信號(hào)到控制儀表系統(tǒng)對(duì)氣柜進(jìn)氣管緊急切斷閥和供氣母機(jī)進(jìn)行連鎖操作。新的濕式氣柜標(biāo)準(zhǔn)GB/T 51094—2015給出了“應(yīng)采用智能型微波物位儀實(shí)現(xiàn)對(duì)氣柜鐘罩高度的高低位的報(bào)警和制動(dòng)”，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)鐘罩和塔節(jié)升降位置的實(shí)時(shí)跟蹤。微波物位儀對(duì)于直升式氣柜和螺旋式氣柜均適用。不過(guò)由于螺旋式氣柜的升降軌跡呈螺旋線形，微波物位儀探測(cè)到的水槽液面點(diǎn)不固定，又無(wú)導(dǎo)波管，相對(duì)精度會(huì)受影響。

5 鐘罩和塔節(jié)的自動(dòng)放散口

對(duì)于單節(jié)氣柜，即只有鐘罩的氣柜，通常會(huì)在鐘罩升起超過(guò)高限的位置設(shè)置自動(dòng)放散口，以防止再繼續(xù)升高后拔脫鐘罩，鐘罩自動(dòng)放散口見(jiàn)圖3。對(duì)于多個(gè)塔節(jié)的氣柜，通常是在升起塔節(jié)的最下面那個(gè)塔節(jié)的側(cè)壁上設(shè)置超限自動(dòng)放散口，以防止塔節(jié)再升高后拔脫，塔節(jié)自動(dòng)放散口見(jiàn)圖4。注意，無(wú)論是單節(jié)氣柜的鐘罩頂部的自動(dòng)放散口，還是多塔節(jié)氣柜的最下面那個(gè)塔節(jié)側(cè)壁上的自動(dòng)放散口，放散口的個(gè)數(shù)不應(yīng)少于3，且沿周邊應(yīng)采用環(huán)向均勻分布。

由前面敘述可知，氣柜鐘罩和塔節(jié)升起的高限位置是設(shè)有限位開(kāi)關(guān)或自控儀表報(bào)警和連鎖的，為什么還再設(shè)自動(dòng)放散口，仍然是基于安全保護(hù)。雖稱(chēng)作放散口，但需要說(shuō)明的是這個(gè)放散口不同于鐘罩頂部中心的放散口，是不能主動(dòng)操作的。因?yàn)樵摽诘姆派⑦^(guò)程不是一個(gè)平穩(wěn)的放散過(guò)程，是一個(gè)浮力與重力之間的波動(dòng)的脈沖式排氣過(guò)程，過(guò)大的沖擊力與不平衡會(huì)造成導(dǎo)輪脫軌或傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。該放散口的設(shè)立更多的是出于預(yù)防監(jiān)控儀表突然失靈等機(jī)械式自我保護(hù)，這種保護(hù)一定是短時(shí)效的。

6 氣柜出氣管安全罩帽

當(dāng)氣柜的塔節(jié)和鐘罩完全落底時(shí)，設(shè)置于鐘罩頂部的安全罩帽就會(huì)罩住氣柜的出氣管的入口，當(dāng)然對(duì)于僅有一根進(jìn)出氣管的氣柜而言，安全罩帽就置于這根進(jìn)出氣管的管口上了。安全罩帽的設(shè)計(jì)主要也是用于防止鐘罩落底后繼續(xù)抽氣時(shí)把鐘罩頂抽癟。出氣管安全罩帽見(jiàn)圖5。

由圖5可知，安全罩帽管插入水槽液面應(yīng)有一定深度，可依據(jù)鐘罩內(nèi)氣體壓力計(jì)算確定。出氣管口也應(yīng)高出水槽液面一定高度，可根據(jù)可能的抽氣負(fù)壓值確定。在安全罩帽頂部設(shè)置有放空管和放空閥，這是為氣柜開(kāi)車(chē)、停車(chē)時(shí)置換氣體用。在安全罩帽頂部的放空管根部與鐘罩頂部之間還設(shè)置有一旁路和閥門(mén)，這是專(zhuān)門(mén)針對(duì)僅有一根進(jìn)出氣管的氣柜所用，以便于氣柜開(kāi)始進(jìn)氣工作時(shí)通過(guò)該旁路讓氣體能進(jìn)入鐘罩內(nèi)浮起鐘罩。對(duì)于分別設(shè)有進(jìn)氣管和出氣管的氣柜，這一旁路和閥門(mén)是可以不用設(shè)的。

對(duì)于直升式氣柜，安全罩帽的設(shè)置與實(shí)施是非常容易和可靠的。但對(duì)于螺旋式氣柜，當(dāng)出氣管直徑比較大時(shí)，安全罩帽管的直徑勢(shì)必也要很大，要使安全罩帽螺旋旋轉(zhuǎn)落在出氣管口上則會(huì)有一定難度，故螺旋式氣柜通常不必設(shè)安全罩帽。

7 鐘罩落底后的安全操作

鐘罩落底后的安全操作這里主要指氣柜處于停用狀態(tài)或出于某些原因準(zhǔn)備停滯一段時(shí)間的操作，并不包括正常操作過(guò)程中的鐘罩落底。比如，新氣柜制作試驗(yàn)完畢待投用這段時(shí)間，工廠年檢或大檢修停滯氣柜的時(shí)間，或者是停車(chē)比較長(zhǎng)的間隔時(shí)間。氣柜落底處于停用狀態(tài)時(shí)一般應(yīng)作如下安全操作：1)開(kāi)啟氣柜進(jìn)出口管上的水封，切斷氣柜與外界管路聯(lián)系；2)對(duì)殘存于鐘罩頂部的氣體，特別是有毒的、易燃的、助燃的氣體應(yīng)進(jìn)行置換和放空處理；3)長(zhǎng)期打開(kāi)鐘罩頂部及安全罩帽上部的放空閥(指不做水槽排水狀態(tài))，直至重新啟用氣柜。

鐘罩落底后操作不當(dāng)引起的事故時(shí)有發(fā)生，特別是因水槽中水汽蒸發(fā)使鐘罩內(nèi)氣相空間形成負(fù)壓造成的罩頂失穩(wěn)屢見(jiàn)不鮮。

8 氣柜泄漏和導(dǎo)軌運(yùn)行卡頓

濕式氣柜發(fā)生泄漏以局部腐蝕和焊縫缺陷引起的穿孔穿透現(xiàn)象居多，這與氣柜自身構(gòu)造和工作特點(diǎn)有很大關(guān)系。濕式氣柜的構(gòu)造基本是由鋼板和型鋼件煨制組焊而成，塔節(jié)和鐘罩的壁板僅有4 mm～5 mm，且連接多為搭接焊縫，再由于塔節(jié)和鐘罩的工作過(guò)程是反復(fù)出沒(méi)于水中，干濕交替、受力交替這些都加速了腐蝕與缺陷的發(fā)展。不過(guò)這類(lèi)泄漏或漏氣也有個(gè)特點(diǎn)就是往往不是大面積的和突然的，及時(shí)發(fā)現(xiàn)及時(shí)處理是關(guān)鍵。

鐘罩和塔節(jié)升降工作過(guò)程中導(dǎo)輪與導(dǎo)軌的偏離和卡頓現(xiàn)象涉及因素比較多，比如：設(shè)計(jì)質(zhì)量、加工制造精度、環(huán)境氣溫變化、風(fēng)載荷雪載荷附加等等。尤其對(duì)于一個(gè)體量相對(duì)較大的有彈性的物體，運(yùn)動(dòng)過(guò)程受外部因素影響產(chǎn)生稍微的變形偏離和卡頓是可能的。因此，關(guān)鍵是及時(shí)發(fā)現(xiàn)苗頭，經(jīng)常的調(diào)整維護(hù)，防患于未然。

螺旋式氣柜的軌道運(yùn)行中的偏離和卡頓現(xiàn)象一般多于直升式氣柜，這與其運(yùn)行軌跡和受力有很大關(guān)系。螺旋氣柜的鐘罩和塔節(jié)下行過(guò)程的重力沖擊波動(dòng)對(duì)導(dǎo)軌跑偏影響很大，現(xiàn)行的規(guī)范和設(shè)計(jì)中，螺旋導(dǎo)軌的螺旋升角一般均取45°，適當(dāng)?shù)販p小這一角度，對(duì)運(yùn)行平穩(wěn)性可能會(huì)有利。

氣柜的泄漏與導(dǎo)軌運(yùn)行卡頓對(duì)氣柜安全操作影響很大。僅僅依賴(lài)視頻監(jiān)控是難以保障的，現(xiàn)場(chǎng)巡查及時(shí)維護(hù)是必須的。

9 結(jié)語(yǔ)

濕式氣柜在化工、冶金等的生產(chǎn)過(guò)程中使用的數(shù)量雖然不多，但有不可替代的作用。由于濕式氣柜的工作特性是個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，所以其相對(duì)于一般的靜態(tài)儲(chǔ)供氣容器存在有更大的安全風(fēng)險(xiǎn)。因此建立合理的濕式氣柜的設(shè)計(jì)與安全操作理念是非常重要的。