防喷器气密性试验爆炸伤害事故后果分析及评价

吴红霞

（中国石化集团江汉石油工程有限公司钻井一公司，湖北 潜江433121）

众所周知，井控设备为安全钻井提供了保障，保护了人员、钻井设备以及油气井的生产安全。防喷器——井控设备的核心组件，承担着关井和油气井压力控制的重责，国内外众多的井控标准都对其有着高于其他井控部件的要求：不仅要求防喷器组做液密试验，还要求做等压气密性试验，二者缺一不可。而防喷器的气密性试验主要是为了勘探开发“高产、高压、高含 H2S”井的需要，为其安全钻井提供重要的保障。

1 气密性试验原理

气密性试验就是利用理想气体的规律，以空气或氮气为介质，将常温常压（标态）下的空气，借助气体增压泵机械增压并填于被检工件——防喷器的密封腔内，直至防喷器的额定工作压力，然后将整个工件沉没于水中，若有渗漏，防喷器就会有气泡冒出水面，同时检测压力的传感器也会有相应变化，该变化经计算机测量、控制与处理，然后以压降显示，结合冒泡与压降判定为依据，最终确定被检工件是否合格。一般常用于石油钻井的井控装置，如防喷器、节流管汇、压井管汇、平板阀、采油树、套管头等工件的气密性检测。当然也可用于其他密闭工件，如锅炉压力容器、阀门等的气密性检测。

防喷器（图1）的密封性主要靠前密封（钻杆与闸板之间）、顶密封（闸板顶部与壳体之间）、侧密封（侧门与壳体之间）、轴密封（活塞杆与侧门之间）等四处密封以及下部的法兰垫环密封同时作用完成。试验时，防喷器座于试压盲板上，两者之间靠垫环密封，防喷器半封闸板总成关闭抱住钻杆（钻杆水眼已封闭），此时防喷器的内腔就形成了一个封闭的压力容器，气密性试验就是检测该“压力容器”是否能承受住其额定压力的高压气体冲击，能否有效气密。可是在生产和生活中，压力容器通常就是一个潜在的重大危险源。所以，防喷器气密性试验过程就是一个重大的危险源。

图1 防喷器结构示意图

2 压力容器爆炸伤害分析及评价

通常情况下，压力容器爆炸有两种，一是物理爆炸，二是化学爆炸，两者都在瞬间释放巨大能量并做功。爆炸释放能量以冲击波能量、碎片能量和容器残余变形能量等为主，其中碎片能量和容器残余变形能量占总爆破能量的3%～5%，绝大部分是冲击波能量。压力容器一旦破裂，高压气体急速冲出，导致外围空气压力、密度等发生急剧变化，距离爆破中心某一点处，空气压力会随时间发生一个忽高忽低的迅速而悬殊的变化，开始时产生一个很大的正压力，然后迅速衰减，瞬时正压降至负压，反复循环数次，压力渐次衰减下去。开始时的正压力就是我们常说的超压△p。多数情况下，冲击波的伤害、破坏作用是由超压引起的（超压△p可以达到数个甚至数十个大气压）。超压波对人体的伤害和对建筑物会造成一定的破坏作用（表1）。

表1 超压波对人体和建筑物的伤害及破坏作用

3 防喷器气密性试验爆炸伤害后果及评价

防喷器气密性试验采用的介质为空气，若其爆炸，就是一个典型的物理爆炸。爆炸时，防喷器内的高压气体急剧绝热膨胀对外做功引起介质变形、移动和破坏，其大小与防喷器承载的压力、防喷器内腔容积有关。我们以一台常用的上海神开石油化工装备股份有限公司生产的2FZ35／105的双闸板防喷器为例，对防喷器气密性试验做一个科学的风险性评价。

第一步，根据防喷器内填充的空气特性，计算出其爆破能量Eg。

式中，Eg－空气的爆破能量，KJ；P－防喷器内空气的绝对压力，MPa；V－防喷器内腔容积，m3；K－空气的绝热指数，通常取空气绝热指数为1.4。

第二步，将空气的爆破能量Eg换算成TNT当量Q。

式中，Q－三硝基甲苯（TNT）当量，kg；qTNT－三硝基甲苯爆炸当量能量，KJ／kg。

1kg TNT爆炸所放出的爆破能量为4 230～4 836 KJ／kg，所以TNT的爆炸当量能量qTNT，一般取中间值为4 500KJ／kg。

第三步，根据立方根比例定律，两个形状相似大小不同的同种炸药，在相同大气环境条件下，必然在相同的比例距离产生相似的冲击波。计算出爆炸的模拟比α。

式中，Q0－基准炸药量，一般取1 000kg TNT为试验量。

第四步，根据立方根定律，求出在1 000kg TNT爆炸试验中的相当距离R0。

第五步，根据R0值查相关资料找出距离为R0处的超压△P0（中间值用插入法），此即所求距离为R处的超压（表2）。

第六步，根据超压 △p值，从表1中找出对人员和建筑物的伤害、破坏作用。

表2 1 000kg TNT空气中爆炸时的冲击波超压

经过实地测绘，防喷器气密试验在6m×8m×5m没有盖板的试压地坑内进行，防喷器的通径346.1mm，高度1 985mm（含四通高度），额定压力105MPa，试压坑内最大圆半径为3m，空气的绝热指数k为1.4。

先求内腔容积：

将Eg换算成TNT当量Q：

计算爆炸的模拟比：

根据上表2查得最大圆半径为3m处的超压值在0.235～0.33MPa之间。然后对照表1和表2可知，圆半径3m处人全部死亡，建筑物全部毁坏。即使处在试压坑内，也可能造成试压坑坍塌，另外，试压坑上方没有盖板，其爆炸冲击波也会造成周围空间范围内的机毁人亡。

综上所述，运用该方法可以对防喷器气密试验潜在的危害性进行科学分析评价，用于指导管理者采取有效的预防和控制措施，把危险性降到最低，避免发生防喷器气密试验爆炸事故给员工带来的伤害。

4 结论及建议

4.1 结论

1）目前，国外 API、API Spec 16A、IS010423 等有关防喷器设计制造标准中均没有提出气密试验的规定，而我国国标、行标（如GB22513、SY／T6426等）同样没有规定防喷器应做气密实验。

2）据统计调查，全国几家防喷器大型生产厂家（如上海神开、华北荣盛等）提供的产品也不是每台均做过合格的气密试验，而是抽检。

4.2 建议

1）防喷器气密试验时，特别是高压试验时更应注意防护，一旦有一点刺穿爆炸，是非常危险的。建议气密检测试验时一定要做好防护措施，避免人员设备的危害。

2）防喷器气密试验对橡胶密封件及闸板总成的寿命有较大影响，特别是闸板胶芯，建议可以定期抽检，而不是每台必检。

［1］张卫强.压力容器爆炸伤害事故后果分析及评价［J］.科技信息，2009（15）：493.