基于最小安全距离计算的精馏塔气压试验

2018-02-28冯德兴吴肖涌梅应虎

中国特种设备安全 2018年1期

冯德兴汪钰吴肖涌梅应虎

（液化空气（杭州）有限公司杭州 310015）

对于压力容器制造企业来说，容器制成后的耐压试验，无疑是一个制造过程中具有危险性的综合检验环节。压力容器耐压试验包括液压试验、气压试验和气液组合压力试验三种方法；液压试验是危险性最低、制造企业最常用的试验方法；但对于因为结构或支承等原因不能充罐液体或运行条件下不允许残留液体的压力容器，则可按照设计文件要求采用气压试验[1-3]。

精馏塔是空气分离设备的核心，是装满洁净规整填料的塔式容器[4-6]。制成后的精馏塔，如果采用液压试验，试验液体将无法排尽，残留液体会直接影响将来的液化空气精馏运行工况，甚至残留液体还可能与规整填料的铝发生反应产生易燃易爆的氢气[7]。因此，精馏塔的耐压试验一般均采用危险性较高的气压试验方法。

然而，规避和降低气压试验风险的安全技术要求（如：“气压试验必须满足最小安全距离要求”、“何时能突破最小安全距离、接近并检查试验容器”等），在国内现行压力容器法规和技术标准中鲜见提及，这给制造企业带来一些困扰；很多压力容器制造企业因为不知道如何计算气压试验最小安全距离而未有效降低气压试验发生爆炸的安全风险。

针对精馏塔气压试验爆炸能量、最小安全距离和试验方案展开探讨。

1 精馏塔气压试验最小安全距离计算

1.1 压力容器爆炸能量计算公式的推导

关于压力容器爆炸能量，有的文献[8-9]给出了计算公式：，但缺少理论依据和推导过程；有的文献[10]虽有推导但缺乏详尽。

压力容器爆炸，因其过程进行得极快、容器介质与外界来不及进行热量交换，可以被视作介质绝热膨胀过程（即系统与外界的热量传递Q=0 ）[11]；再由能量守恒定律可知，压力容器爆炸能量实质就是系统对外界所做的功。

设E为爆炸能量（单位：MJ）、W为系统对外界所做的功（单位：MJ）、P1为爆炸前介质绝对压力（单位：MPa）、V1为爆炸前介质体积（单位：m3）、P2为爆炸后介质绝对压力（这里P2应为标准大气压，P2=0.101MPa），V2为爆炸后介质体积（单位：m3），k为无量纲的介质绝热指数。

由热力学绝热过程方程PVk=C，得到

当介质为空气或氮气时，查GB/T 150.1—2011[2]附录“表B.6部分气体的性质”，可得k=1.4，代入上式可得：（单位：MJ）。

1.2 气压试验最小安全距离计算公式的推导

压力容器爆炸能量可分为空气冲击波能量、碎片能量和容器残余变形能量。其中，空气冲击波能量约占爆炸能量的85%～97%，它能够以冲击波超压的形式造成大面积的振动和破坏；3%～15%的爆炸能量将碎片（容器炸裂物）向四周抛掷或使容器发生变形。因此，为了确保压力容器气压试验安全，必须设置最小安全距离。

如何计算最小安全距离，ASME文献[9]给出了计算方法：1）当E≤135.5MJ时，R取20 ×(2 T NT )13m和30m的较大值；2）当135.5 MJ ＜E≤2 71MJ 时，R取20 ×(2 T NT )13m和60m的较大值；3）当E＞271MJ时，R= 20 ×(2 TNT )13m。其中，R为最小安全距离（单位：m），TNT是爆炸能量的TNT当量[一般，1kgTNT炸药能产生4.12～4.69MJ的能量；取中间值，如果设定1kgTNT炸药产生4.267MJ的能量，那么压力容器爆炸的TNT当量应为(E/4.267)kg]。

关于以上R= 20 ×(2 TNT )13这一气压试验最小安全距离的计算公式，其实也较容易推导：从冲击波超压对人体伤害和对建筑物破坏的作用看，当冲击波超压ΔP=0.02～0.03MPa时人体可能会有轻微损伤，当冲击波超压ΔP=0.005～0.006MPa时建筑物门窗可能会部分破碎；工程上常以ΔP=0.005MPa作为危险区和安全区的划分界限；在冲击波超压ΔP与对比距离λ的关系图[8]（见图1）中查得，ΔP=0.005MPa所对应的对比距离λ≈25m/kg1/3；由对比距离定义可知λ=r/W13（r为距爆源的距离，W为爆源的炸药质量即TNT当量）[8]。因此，

图1 对比距离与冲击波超压的关系

1.3 精馏塔气压试验最小安全距离计算

在利用爆炸能量公式计算精馏塔气压试验爆炸能量时，应该注意两点：1）P1为试验压力的绝对压力，即为“试验压力表压+标准大气压”；2）V1为爆炸前容器介质体积，即V1=容器几何容积-内件体积，对于精馏塔来说，塔内充满了规整填料，可以近似认为：V1=容器几何容积×规整填料空隙率。

表1计算了几类不同等级空气分离设备精馏塔气压试验最小安全距离。

表1 精馏塔气压试验最小安全距离的计算

2 精馏塔气压试验方案

2.1 试验气源

精馏塔气压试验气源应选择干燥洁净的空气或氮气。当采用压缩空气时，应使压缩空气气源达到2级固体污染物、3级油和2级水的控制要求[12]。

2.2 安全阀、压力表、压力表表架

试验用安全阀一般选用与试验介质相适应的全启式弹簧安全阀；其流道直径（也称喉径）应根据计算所得的容器安全泄放量、安全阀泄放面积确定[2，13]，再根据流道直径确定安全阀的公称通径DN（一般，全启式弹簧安全阀流道直径与公称通径之比约为0.625）[14，15]；其公称压力PN应满足试验压力；其整定压力一般可选取1.05～1.1倍试验压力；气压试验时必须使用经校验合格并处在校验有效期内的安全阀；安全阀应安装在精馏塔顶部。

试验用压力表应选用2只量程相同、与试验介质相适应、表盘直径不小于100mm、精度不低于1.6级、经校验合格并处在校验有效期内的压力表；压力表应安装在精馏塔顶部便于观察的位置；压力表表盘刻度极限值应为试验压力的1.5～3.0倍[2]；当2只压力表读数有些微差异时，应以较低读数为准；当2只压力表有很大差异时，应停止试验，待查明原因（若确认压力表故障则需更换压力表）后重新试验。

作为气压试验工装的压力表表架，可由不锈钢无缝钢管[16]制作，其制作应具备设计文件和承压验证资料，并将它们归档管理、定期（至少每三年一次）进行承压试验。

2.3 监控器具与记录设备

为实现最小安全距离以外的远距离监视、操作和精馏塔内部压力的实时记录，特设置监控器具和记录设备：监控器具包括控制器、显示器、三脚架、云台、摄像机、变焦镜头、控制线和视频线；记录设备包括记录仪、压力变送器和信号线；其中压力变送器量程的选择应与试验压力相适应，线缆长度应大于最小安全距离。

2.4 移动式气压试验站

由于精馏塔气压试验场地的不确定性和最小安全距离的差异，配备移动式气压试验站可以满足各类精馏塔气压试验作业的需求。图2是试验站系统图，试验站内设置监控控制器、显示器、记录仪和阀门管道组。其中，监控控制器可调节用于观察压力表的摄像机方位和镜头焦距；显示器可观测压力表读数和精馏塔周围状况；记录仪可实时记录精馏塔内部压力变化情况；阀门管道组可通过进气和排气截止阀的开启或关闭实现升压、保压和降压的远距离操作。

图2 移动式气压试验站系统图

作为气压试验工装的阀门管道组，可由不锈钢无缝钢管制作，其制作应具备设计文件和承压验证资料，并将它们归档管理、定期（至少每三年一次）进行承压试验。

2.5 试验工艺要求

精馏塔气压试验工艺要求包括[1，3]：1）检查确认耐压试验前的制造工作已全部结束（如：“临时受压元件已安装并采取适当安全措施”、“连接部位紧固件已装配齐全并紧固”、“对开孔补强圈焊接接头已用0.4～0.5MPa的压缩空气进行质量检查”、“已对焊接接头表面进行磁粉或渗透检测”等）；2）检查确认气源设施处于完好状态，检查确认试验用金属软管、安全阀、压力表、监控器具、记录设备等已安装就绪；3）气压试验开始时，应先缓慢升压至试验压力的10%，保压足够时间（一般为5min左右），并对所有焊接接头和连接部位进行初次检查；4）确认无泄漏后，再继续升压至试验压力的50%；5）如无异常现象，其后按试验压力的10%逐级升压，直到试验压力；6）保压足够时间（一般为10min左右），然后缓慢降压至设计压力，保压足够时间进行检查，检查期间压力应保持不变；7）如果精馏塔无异常声响、经肥皂液或其他检漏液检查无漏气、无可见的变形，那么就可以认为气压试验达到了合格标准；8）经质检人员、监检人员、用户代表等确认合格后，降压至标准大气压，气压试验作业结束，填写《气压试验报告单》。

2.6 试验安全技术要求

精馏塔气压试验安全技术要求包括：1）制造企业应预先制定特种设备事故应急预案，组织员工参与预案演练，精馏塔气压试验操作人员应熟悉预案演练过程[17，18]；2）为提示和降低风险，精馏塔气压试验作业应履行安全管理部门的工作许可程序，并由安全管理人员进行现场监督检查；3）以计算得出的气压试验最小安全距离为依据，妥善设置警戒围栏，警戒围栏内不得进行与试验无关的作业，同时也禁止其他无关人员进入、停留警戒围栏内；4）气压试验站应设置在警戒围栏以外，气压试验过程中的升压、保压和降压操作以及压力表观测必须全部在试验站内进行；5）试验人员（包括操作人员、质检人员、监检人员和用户代表）只能在各保压期间突破最小安全距离（即进入警戒围栏内），接近并检查试验容器，操作人员在进行每步升压操作前，应确认所有人员已撤离警戒区域；6）试验期间，任何人不得带压紧固或向受压元件施加外力；7）试验过程中，若发现异常声响、变形或不能保压等现象应停止试验，排空试验气体，待查明原因、解决问题后重新进行气压试验；8）当使用氮气作为试验气体时，试验人员应熟悉氮气的化学品安全技术说明书（即MSDS），所有试验人员应佩戴便携式氧气检测仪，包括试验人员在内的所有人员在降压期间应远离气体排放口、防止氮气窒息事故发生；9）试验操作人员必须持有处在有效期内的压力容器作业人员资格证。