中美可燃气体探测报警系统应用标准差异研究

蔡亮

中国航油集团津京管道运输有限责任公司，天津300300

中美可燃气体探测报警系统应用标准差异研究

蔡亮

中国航油集团津京管道运输有限责任公司，天津300300

可燃气体探测报警系统是保证油气管道站场设备和人员安全的重要设施。国内已有可燃气体探测报警系统的设计、产品参数、施工安装调试以及检定校准等标准，但整体还不完善。以新发布的美国标准ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012《爆炸性气体环境第29－2部分:气体探测器——易燃气体和氧气探测器的选型、安装、使用和维护》为例，介绍了美国油气管道站场可燃气体探测报警系统在产品选型、传感器冗余设计、设置场所、报警设定值、运行维护和使用方法培训方面的先进经验和推荐做法，例如远程控制可燃气体探测报警系统的传感器采用双重或三重冗余设计，可燃气体探测报警系统一级报警设定值＜20%LEL，以及故障时应采取的替代措施等。最后，提出了借鉴美国标准完善国内可燃气体探测报警系统标准的建议。

可燃气体探测器;标准;选型;报警;运行维护

0 前言

可燃气体探测报警系统(以下简称气体探测器)由报警仪和探测器组成，广泛应用于油气管道站场［1］，是保证油气站场设备和人员安全的重要设施，适用于聚集易燃气体—空气混合物的场所，通过探测易燃气体，发出声光报警并启动预防措施(停止设备运行、疏散人员、启动通风、消除点火源和实施灭火程序)，降低环境危险性［2］。本文以新发布的美国标准ISA－60079－29－2 (12.13.02)－2012《爆炸性气体环境第29－2部分:气体探测器——易燃气体和氧气探测器的选型、安装、使用和维护》［3］(以下简称ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012)为例，介绍了美国油气管道站场可燃气体探测报警系统在产品选型、传感器冗余设计、设置场所、报警设定值、运行维护和培训方面的先进经验和推荐做法，对提高中国石油行业安全管理技术水平具有一定参考意义。

1 国内气体探测器相关标准

国内涉及涵盖气体探测器的标准包括国家标准、行业标准和企业标准三个层面，层级较多，各有侧重［4］。气体探测器的系统硬件设计、产品参数，依据国家标准GB 16808－2008《可燃气体报警控制器》［5］(以下简称GB 16808－2008)等;气体探测器的施工安装调试以及定期检定校准，可参照国家标准GB 50116－2013《火灾自动报警系统设计规范》(以下简称GB 50116－2013)［6］。本文重点研究与油气管道站场安全密切相关的气体探测器的选型、设置场所和运行维护等内容，其中气体探测器选型、设置场所和安装区域尺寸要求，参照国家标准GB 50493－2009《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范》(以下简称GB 50493－2009)［7］、GB 50183－2004《石油天然气工程设计防火规范》(以下简称GB 50183－2004)［8］以及行业标准SY 6503－2008《石油天然气工程可燃气体检测报警系统安全技术规范》(以下简称SY 6503－2008)［9］，气体探测器的日常检查、维护管理介绍了中国石油企业标准Q/SY 152－2012《油气管道火灾和可燃气体自动报警系统运行维护规程》(以下简称Q/SY 152－2012)［10］和Q/SY GD 1053－2014《输油气站库固定消防系统手册》(以下简称Q/SY GD 1053－2014)［11］等的做法。

2 美国气体探测器相关标准

美国仪表协会(Instrument Society of America，ISA)成立于1945年，致力于制定自动化领域的标准准则，包括计量设备、控制装置、计算机硬件/软件、符号系统、安全仪表等专业。ISA标准受国际公认，2008年ISA重新命名为International Society of Automation。ISA关于可燃气体和有毒气体探测器、安全仪表系统完整性、爆炸性气体环境电气设备标准，如ISA 92.00.02－2013《有毒气体探测器的安装、操作和维护》、ISA TR 84.00.03－2012《安全仪表系统(SIS)的机械完整性》和ISA 60079－26－2011《爆炸性气体环境－第26部分:在1类0区危险区域的电气设备》，具有较强的通用性和权威性。

美国标准ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012于2012年6月出版，是美国气体探测器领域的综合性标准，基本代表了美国气体探测器的技术水平和发展趋势。

3 气体探测器类型

国内标准SY 6503－2008和Q/SY GD 1053－2014规定烃类可燃气体宜选用催化燃烧型或红外吸收型气体探测器，缺氧或高腐蚀性场所宜选用红外吸收型气体检测器，其他应用还包括电化学型、热传导型、半导体型、光致电离型气体探测器。催化燃烧型气体检测器具有响应快、线性好、示值重复性好、干扰小、精度高、广谱性及稳定性好等优点，应用最广泛［12］。

美国标准ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012介绍了催化燃烧型、热传导型、红外吸收型、半导体型、电化学型和光致电离型气体探测器，规定了气体探测器的工作温度、适用探测气体种类/浓度范围、灵敏度、响应时间和抗干扰性等，中美标准基本一致。此外还介绍了中国标准未规定的火焰离子化探测器(Flame ionization detectors，FID)和火焰温度分析仪(Flame Temperature Analysers，FTA)［13］:

1)火焰离子化探测器原理是有机化合物的电离作用，有机化合物在探测器内部的H2火焰中燃烧。离子云运动产生电势梯度，在燃烧室的电极间形成几百伏的电压，从而产生极弱的电流，与气流中的气体浓度成比例关系。火焰离子化探测器不能探测惰性气体和易燃无机气体(NO、N2、O2、CO2、H2、CO和H2S)，适用于探测易燃有机化合物(不含甲醛)或高温气体。反应时间快，通常低于1 s;测试范围宽，从百万分之几到LFL，甚至更高。

2)火焰温度分析仪工作原理基于火焰温度的升高值，火焰由空气样品中的易燃污染物燃烧产生，要求气体样品中的空气和易燃气体流量应保持恒定以形成火焰。火焰温度分析仪适用于探测浓度低于LFL的易燃气体和高温气体，反应时间低于5 s。

4 气体探测器选型

中国标准根据探测气体种类选用相应类型的气体探测器，例如GB 50493－2009规定烃类可燃气体可选用催化燃烧型或红外吸收型气体探测器;缺氧或高腐蚀性场所选择红外吸收型气体探测器;H2检测选用催化燃烧型、电化学型、热传导型探测器。

中国气体探测器设备选型较简略，主要依据设计惯例和投资资本因素，很少综合考虑易燃气体—空气混合物性质、探测场所特点、人员可进入性和方便维护等因素。美国标准ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012规定了选择气体探测器应考虑的因素，内容全面细致，具有借鉴意义，具体如下:释放源物理性质、几何形状以及是否封闭等;探测气体各组分的浓度范围，所需气体探测器量程和精度;易燃液体的挥发性，包括蒸汽压力、汽化热、沸点、闪点、相对密度和易燃液体温度等;探测器用途，例如区域性监测、人员安全监测、渗漏探测、例行安全检查等;存在干扰气体的可能性;选择固定式或者便携式探测器(仪)，选择扩散型或者吸入性探测器;应用场所环境条件，例如腐蚀性、风速、降雨和霜雾等。

5 气体探测器的传感器冗余设计

传感器是气体探测器的核心部件，中国标准规定了气体探测器和火灾报警系统的逻辑关系，以及控制器多线路输出功能。但针对设置在特定区域或者重要场所的气体探测器重要部件是否需要进行冗余设计，中国标准无相关规定［14］。例如GB 50116－2013和SY 6503－2008规定气体探测器宜独立设置，气体探测器不应接入火灾报警系统的探测器回路，如可燃气体报警信号需接入火灾报警系统，应用可燃气体报警控制器接入;GB 16808－2008规定控制器在可燃气体报警状态下应至少有两组控制输出;此外有文献［15］设计了油气站库可燃气体远程监测报警系统，采用计算机分布式模块化设计，实现多点监测、独立报警功能，但未采用传感器冗余设计。

美国标准ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012规定进行连续性监测的重要场所，气体探测器的传感器应采用双重或者三重冗余设计，或者采用“故障安全性”“自动保护型”控制电路，避免由于气体探测器的某个传感器故障，或者控制电路元器件故障，导致不能发出报警信号，但该标准未具体说明需要进行连续性监测的重要场所类型。建议中国标准针对涉及人员安全进入、作业的重要场所或者受限空间作业场所，例如储罐人孔区域、工艺阀井等，在满足经济条件下，气体探测器采用传感器冗余设计理念，确保在传感器故障和气体探测器维修期间的场所安全监测。

6 气体探测器设置场所

针对气体探测器设置场所，中国标准较完善，例如GB 50183－2004规定天然气凝液、液化石油气罐区和可燃气体压缩机房应设气体探测器;Q/SY GD 1053－2014规定油气站场的工艺阀井、地坑及排污沟应设气体探测器，原油、成品油、液化天然气储罐防火堤内应设气体检测器，如防火堤内有隔堤且隔堤高度高于检测器安装高度时，隔堤分隔区域内应设气体检测器。

此外，GB 50493－2009规定离心泵密封处、液体/气体采样口、液体排放口和气体放空口、在线分析仪表间应设气体探测器;明火加热炉附近如有可燃气体释放源，距加热炉5 m处应设气体探测器;控制室、机柜间、变配电所的空调引风口、电缆沟和电缆桥架进入建筑物的洞口处宜设气体探测器。GB 50493－2009适用于石油化工行业，该标准规定的气体检测器设置位置适用于石油化工行业设施，油气管道站场设施可参考执行［16］。

气体探测器设置在不同场所，其要求的防护措施中国标准较简略，中国的油气管道站场做法也不一致［17］，例如Q/SY GD 1053－2014规定气体探测器周围应预留更换和标定的空间，按照防爆要求施工，探测器在室外时应有防尘和防雨设施。中国站场维护管道侧重于输油泵、压缩机、阀门和加热炉等输油气生产设备，油库消防系统侧重于消防泵、固定式泡沫灭火系统和冷却水喷淋系统等。气体探测器维护管理工作有待改进，由于气体探测器维护不及时、防护措施不到位导致的误报警、设备老化故障普遍存在。

美国标准ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012规定了设置气体探测器应考虑的因素，以及复杂场所和恶劣气候条件下气体探测器应采取的防护措施，具有借鉴意义，具体如下:

1)设置气体探测器应考虑释放源是否封闭，现场地形和空气流动状况(自然通风和强制通风)，员工职业健康安全，易于维护。

2)下列现场环境条件下，气体探测器应采取风雨防护措施:环境温度低于－10℃，电化学型气体探测器电解液可能冻结，应采取防冻措施;安装在机械设备上的气体探测器应采用防振或减振设计;腐蚀性空气环境中的气体探测器(如氨、酸雾、H2S等)，应采取预防性的保护措施，避免严重腐蚀导致电气故障;尘埃、潮气、油脂和薄雾等空气污染物可能导致气体探测器元件故障。

7 气体探测器报警设定值

中国标准SY 6503－2008、Q/SY GD 1053－2014和 Q/SY 152－2012规定气体检测器宜采用两级报警，一级报警(高限)设定值≤25%LEL(爆炸下限浓度)，二级报警(高高限)设定值≤50%LEL(爆炸下限浓度)。Q/SY 152－2012规定远程开路对射式气体报警器一级报警≤全量程10%，二级报警≤全量程20%。

美国标准ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012规定催化燃烧型气体探测器CH4报警设定值不低于5% LFL，C3H8和C4H10报警设定值不低于10%LFL，易燃气体—空气混合物报警设定值不低于20%LFL。针对气体探测器报警设定值，美国标准更严格，建议气体探测器一级报警设定值＜20%LEL。

8 气体探测器故障条件下替代措施

国内标准Q/SY 152－2012和Q/SY GD 1053－2014规定气体探测器在维修维护期间，应采取可靠的替代测试方法或者替代措施，保证现场运行安全。该标准未给出明确的替代措施，部分国内油气管道站场的执行力难以保证，可能造成安全隐患［18］。

美国标准ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012规定气体探测器故障时应采取下列替代措施:气体探测器故障时发出报警信号，使用便携式可燃气体检测仪，启动通风设备，消除点火源，释放源封闭，停止设备运行。

9 气体探测器使用方法培训

针对气体探测器使用方法培训，中国标准较简略，主要依靠制造商或者产品说明书，重视气体检测器操作维护规程，而气体探测器运行特性、检定气体介质、零位漂移调整、读数异常和报警滞后等问题较少涉及［19］。中国已开展相关问题研究，例如文献［20］针对天然气管道气体探测器基础显示数据进行了统计，分析了正常情况下误报警和有泄漏不报警的原因，并提出了对策和建议。

美国标准ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012规定操作人员应掌握气体探测器基本知识和信息:

1)气体探测器只能探测周围一定区域内的气体，气体探测器不能探测可燃液体、可燃薄雾、粉尘和纤维等。

2)显著湿度/温度变化可能导致液体产生蒸汽或者蒸汽凝结在探测器内部，使探测器读数显示错误、误报警或者不能发出报警信号。

3)气体泄放特性，例如压力管道发生泄漏高速泄放气体会形成射流;气体扩散特性，例如高压射流、液体喷溅和缓慢渗漏等;

4)气体检测器的灵敏度对不同种类的气体略有差异，如果被检测气体和仪器校准所用气体不一致，显示读数可能略高，属于仪器正常工作范围。

5)读数异常原因可能是仪器故障或者空气扰动，如存在读数异常可能性，可用相同类型的检测器进行验证，疑似故障的检测器应检查后才能继续使用。

6)连续性检测低浓度可燃气体可能导致读数零位漂移，如存在这种情形，仪器请用清洁空气进行重新校准后方可继续使用。

7)任何出现读数超出量程的情形，都应假设存在爆炸性气体，并采取必要处置措施，除非用相同类型探测器确认不存在爆炸性气体。

8)易燃气体均具有毒性，应采取必要防护措施;受限空间属于缺氧环境或者存在有毒气体，应进行易燃气体特性等相关知识培训。

10 气体探测器运行维护

日常检查维护是保证气体探测器可靠性的重要措施，管道企业普遍做法是重视气体探测器防雨淋、防粉尘和接地等［19］。Q/SY 152－2012和Q/SY GD 1053－2014规定气体探测器日常巡检:设备无损坏、安装是否牢固、显示是否正常;检查气体探测器是否有未复位报警;巡检维护通道是否畅通，环境温度和湿度是否满足设备要求;气体探测器每周进行1次自检测试。

Q/SY GD 1053－2014规定气体探测器每季度进行1次检查维护，每年进行1次全面测试，日常维护包括:气体探测器窗口采用轻微浸润酒精的软布进行清洁;清洁气体探测器防尘罩，防止水进行仪器内部。测试每回路电缆绝缘电阻，阻值不小于20 MΩ;测试系统接地电阻，阻值应小于1 Ω。

美国标准ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012与中国标准基本一致，此外针对气体检测器运行维护的推荐做法具有借鉴意义:建立气体探测器维护标识，标注上次校准时间和下次校准时间;每个班次进行1次气体探测器外观检查;传感器应综合考虑上一次更换传感器时间、实际使用情况、校准期间对特殊气体的灵敏度以及制造商推荐的保养时间进行维护;接触高浓度易燃气体、抑制剂，或者受到严重冲击、机械振动的传感器，都需要重新评价;检查气体探测器吸入系统是否渗漏、堵塞，虹吸球/电泵是否工作正常;完成过滤器、样品室等必要清理工作。

11 结论

美国标准ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012的技术先进性主要体现在以下几方面，建议中国相关标准借鉴参考:

1)气体探测器类型多样化，除中国常见类型的气体探测器，还应用了火焰离子化探测器和火焰温度分析仪等。

2)综合考虑释放源性质、探测气体浓度范围、易燃液体挥发性、探测器用途和探测器维护等因素进行气体探测器选型。

3)针对涉及人员进入、作业的重要场所，例如储罐人孔区域、工艺阀井等受限空间场所，气体探测器尽可能采用传感器冗余设计。

4)低温环境、机械设备振动超标、强腐蚀性和潮湿环境等复杂场所和恶劣气候条件下气体探测器应采取的防护措施。

5)气体探测器一级报警设定值＜20%LEL，国内标准为25%LEL，技术参数更严格。

6)明确规定气体探测器故障时应采取的替代措施，例如应用便携式气体检测仪、通风、停运设备等。

7)将气体探测器运行特性、检定气体介质、零位漂移调整、读数异常和报警滞后等问题纳入气体探测器使用方法培训范畴。

［1］黄维和，郑洪龙，王婷．我国油气管道建设运行管理技术及发展趋势［J］．油气储运，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．

［2］吴珂，黄武，夏一峰．简述可燃气体报警器的检测和应用［J］．价值工程，2012，31(36):316－317．Wu Ke，Huang Wu，Xia Yifeng．Detection and Application of Combustible Gas Alarm［J］．Value Engineering，2012，31 (36):316－317．

［3］美国国家标准化委员会．爆炸性气体环境第29－2部分:气体探测器——易燃气体和氧气探测器的选型、安装、使用和维护:ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012［S］．北卡罗来纳州:美国仪表协会，2012．American National Standards Institute．Explosive Atmospheres-Part 29－2:Gas Detectors—Selection，Installation，Use and Maintenance of Detectors for Flammable Gases and Oxygen:ISA－60079－29－2(12.13.02)－2012［S］．North Carolina:Instrument Society of America，2012．

［4］王春瑶，李小丽．关于气田地面工程国内外标准规范差异性分析［J］．天然气与石油，2013，31(6):16－19．Wang Chunyao，Li Xiaoli．Analysis on Difference Between Domestic Standards and International Ones Followed in Gas Field Surface Engineering Design［J］．Natural Gas and Oil，2013，31(6):16－19．

［5］中国国家标准化管理委员会．可燃气体报警控制器:GB 16808－2008［S］．北京:中国计划出版社，2008．Standardization Administration of the People's Republic of China．Combustible Gas Alarm Control Units:GB 16808－2008［S］．Beijing:China Planning Press，2008．

［6］中华人民共和国住房和城乡建设部．火灾自动报警系统设计规范:GB 50116－2013［S］．北京:中国计划出版社，2013．Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China．Code for Design of Automatic Fire Alarm System:GB 50116－2013［S］．Beijing:China Planning Press，2013．

［7］中华人民共和国住房和城乡建设部．石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计规范:GB 50493－2009［S］．北京:中国计划出版社，2009．Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China．Specification for Design of Combustible Gas and Toxic Gas Detection and Alarm for Petrochemical Industry: GB 50493－2009［S］．Beijing:China Planning Press，2009．

［8］中华人民共和国建设部．石油天然气工程设计防火规范: GB 50183－2004［S］．北京:中国计划出版社，2004．Ministry of Construction of the People's Republic of China．Code for Fire Protection Design of Petroleum and Natural Gas Engineering:GB 50183－2004［S］．Beijing:China Planning Press，2004．

［9］石油工业安全专业标准化技术委员会．石油天然气工程可燃气体检测报警系统安全技术规范:SY 6503－2008［S］．北京:石油工业出版社，2008．Technical Committee for Standardization of Petroleum Insustry Safety．Safety Technical Specification of Combustible Gas Detection and Alarm System for Petroleum and Natural Gas Engineering:SY 6503－2008［S］．Beijing:Petroleum Industry Press，2008．

［10］中国石油天然气集团公司标准化委员会天然气与管道专业标准化技术委员会．油气管道火灾和可燃气体自动报警系统运行维护规程:Q/SY 152－2012［S］．北京:石油工业出版社，2012．China National Corporation Standardization Committee and Gas and Pipeline Professional Standardization Technical Committee．Regulation on Operation and Maintenance of Automatic1 Fire and Gas Detection and Alarm Systems for Oil and Gas Pipeline:Q/SY 152－2012［S］．Beijing: Petroleum Industry Press，2012．

［11］中国石油天然气股份有限公司管道分公司标准化技术委员会．输油气站库固定消防系统手册:Q/SY GD 1053－2014［S］．北京:石油工业出版社，2014．TechnicalCommitteeforStandardizationofPetroChina Company Limited Pipeline Branch．Fixed Fire Fighting Systems Manual of Oil and Gas Transmission Stations:Q/SY GD 1053－2014［S］．Beijing:Petroleum Industry Press，2014．

［12］首晓洁，赵晓龙，邓莎萍，等．油气站场可燃气体浓度检测的设计［J］．油气田地面工程，2013，32(12):75－76．Shou Xiaojie，Zhao Xiaolong，Deng Shaping，et al．Combustible Gas Concentration Monitoring Design of Oil and Gas Stations［J］．Oil-Gas Field Surface Engineering，2013，32 (12):75－76．

［13］孙立刚，王龙，鲍丽斯．油气站场仪表空气系统的设备选型和设计［J］．油气储运，2015，34(2):195－197．Sun Ligang，Wang Long，Bao Lisi．Equipment Selection and Design of the Instrument Air System in Pump/Compressor Stations of Pipelines［J］．Oil＆Gas Storage and Transportation，2015，34(2):195－197．

［14］万东丹．安全仪表系统的应用问题及解决方案［J］．天然气与石油，2014，32(5):75－79．Wan Dandong．Analysis on Problems Existing in Engineering Application of Safety Instrumented System and Corresponding Solution［J］．Natural Gas and Oil，2014，32(5):75－79．

［15］郭福田，刘心红．油气站库可燃气体远程监测与报警系统设计［J］．天然气与石油，2014，32(3):63－65．Guo Futian，Liu Xinhong．Design of Flammable Gas Remote Monitoring and Alarm System in Oil Depot［J］．Natural Gas and Oil，2014，32(3):63－65．

［16］关中原，高辉，贾秋菊．油气管道安全管理及相关技术现状［J］．油气储运，2015，34(5):457－463．Guan Zhongyuan，Gao Hui，Jia Qiuju．Oil/Gas Pipeline Safety Management and Its Technology Status［J］．Oil＆Gas Storage and Transportation，2015，34(5):457－463．

［17］段秋生，孟虎林，杨伟．中国和北美受限空间技术标准差异分析［J］．天然气与石油，2015，33(1):20－24．Duan Qiusheng，Meng Hulin，Yang Wei．Analysis on Difference Between Confined Space Technical Standards of China and North America［J］．Natural Gas and Oil，2015，33(1):20－24．

［18］马伟平，戴卫东，蔡亮．美国消防协会标准NFPA 326－2010分析［J］．天然气与石油，2013，31(6):20－22．Ma Weiping，Dai Weidong，Cai Liang．Analysis on NFPA Standard 326－2010［J］．Natural Gas and Oil，2014，31(6):20－22．

［19］李明凯，任桂芬．可燃气体报警控制设备的使用与维护［J］．石油工程建设，2003，29(5):17－19．Li Mingkai，Ren Guifeng．Application and Maintenance of Flammable Gas Alarm and Control Devices［J］．Petroleum Engineering Construction，2003，29(5):17－19．

［20］梁富华，段冲．天然气管道可燃气体探测器误报警的原因及对策［J］．石油工程建设，2008，34(3):70－71．Liang Fuhua，Duan Chong．Reasons of False Alarms of Combustible Gas Detectors in Natural Gas Transmission Pipeline and Countermeasures［J］．Petroleum Engineering Construction，2008，34(3):70－71．

10.3969/j．issn．1006－5539.2016.06.020

2016－03－30

蔡亮(1973－)，男，天津人，高级工程师，现从事长输管道的安全技术管理工作。