氢气报警器的高度整改方案对比

汪 锐

（中国石油化工股份有限公司荆门分公司，湖北荆门 448000）

2022 年4 月23 日23 时0 分，胜利炼油厂140万t/a 加氢裂化装置外操人员到新氢压缩机K401/C处巡检，未发现明显异常。23时59分15秒，该压缩机一级气缸出现间断性异响，随后，振动值快速上升，机身振动高报警。23时59分55秒，一级缸头水套盖脱落，小股气流从缸头盖处喷出，24s 后，大量氢气从一级气缸喷出，随即着火。24日0时20分，切除氢气流程后火势变小，1时18分，明火被扑灭。事故造成两台压缩机过火，厂房局部坍塌和装置非计划停工。

事后调查显示，压缩机附近安装的三台氢气报警器安装在压缩机平台上，未按标准安装在压缩机上方，氢气泄漏后，三台表检测始终为0，均未报警。

不排除该压缩机在设备管理和工艺管理上可能存在缺陷，但是三台氢气报警器的不合规安装却为此事故的发生早早地埋下了安全隐患，造成该公司不可估量的经济损失。此事故引起我厂高度重视，进一步引发了我厂对生产装置所在的氢气报警器是否符合设计规范及时进行了排查，对发现不合规的氢气报警器提出了整改方案，并对这些方案进行了对比。

1 概述

石油化工行业生产过程中不可避免地产生大量易燃和有毒气体，这些有毒气体一旦发生泄漏，就可能引发火灾、中毒甚至爆炸事故，给企业造成巨大的经济损失，危害工作人员的身体健康，对社会也产生恶劣影响。气体检测报警器作为长期连续检测环境空气中某种气体浓度的计量仪器，确保其安装符合设计规范是有效预防气体泄漏引发事故的必要条件。针对案例对氢气的气体特性[1]进行简单的介绍。

1.1 氢气的理化性质

在标准状态下，氢气为无色、无臭可燃气体，比空气轻，且不溶于水。

1.2 氢气的危害

氢气可通过吸入、食入或经皮肤吸收等途径侵入人的身体，吸入氢气后，人会出现烧灼感、咳嗽、喘息、气短、头痛、恶心和呕吐等症状。

氢气的最大危害在于与空气混合能形成爆炸性混合物，遇热或明火即会发生爆炸。

2 氢气报警器的工作原理

氢气属于可燃气的范畴，与空气的混合气体在一定温度下发生燃烧反应，产生一定的产物和一定的热量。根据传感器检测原理的不同，氢气报警器可以分为催化燃烧式、红外式、半导体式等类型。由于我厂的氢气报警器大部分采用催化燃烧式的报警器，因此本节着重介绍催化燃烧式报警器的工作原理[2]。

催化燃烧式气体传感器主要由检测元件、补偿元件和两个固定电阻构成惠斯通桥路。其中，补偿元件是对外界温度或湿度变化起补偿作用。如图1所示。

图1 催化燃烧式传感器

当空气中无可燃性气体时，气路输出U等于零，则此桥路处于平衡状态，满足R1×R2=R3×R4。当空气中含有可燃性气体的混合气体扩散到检测元件时，迅速进行无焰燃烧，并产生反应热，使R3增大，电桥输出一个变化的电压信号U，这个电压信号的大小与可燃气体的浓度成正比。信号经放大送至模数转换器，然后送至微处理器运算后通过显示屏显示可燃气体的浓度，最后经过数模转换器实时输出4~20 mA 的模拟信号到工控室，如下图2所示。

图2 报警器工作原理框图

3 气体检测报警器的安装

气体检测报警器的安装应尽量避免冲击、振动、强电磁干扰等因素的影响，并且其安装位置要便于更换和后期维护。按照GB/T 50493—2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》的要求，通过检测泄漏气体的分子量与环境空气分子量的比值大小，可以判别泄漏气体相对于环境空气的轻重，

3.1 泄漏气体分子量与环境空气分子量的比值关系如下[3-4]。

（1）比值≥1.2，说明泄漏气体比空气重；

（2）1.0≤比值≤1.2，说明泄漏气体比空气略重；（3）比值≤0.8，说明泄漏气体比空气轻；

（4）0.8≤比值≤1.0，说明泄漏气体比空气略轻。

3.2 不同比重气体检测报警器对应的安装高度不同

（1）检测比重重于空气的可燃气体或有毒气体的气体检测报警器，其应安放在距地面（或楼层地面）0.3~0.6 m 高度并靠近释放源；

（2）检测比重略重于空气的可燃气体或有毒气体的气体检测报警器，其安装高度应高出释放源0.5~1.0 m；

（3）检测比重轻于空气的可燃气体或有毒气体的气体检测报警器，其安装高度应在释放源2 m 内；

（4）检测比重略轻于空气的可燃气体或有毒气体的气体检测报警器，其安装高度应高出释放源0.5~1.0 m。

3.3 确定气体检测报警器的安装高度后，还需要确定其水平位置

（1）当生产装置的释放源处于露天或敞开式厂房布置的设备区域内时，可燃气体检测报警器与释放源的水平距离不宜大于10 m，有毒气体检测报警器与释放源的水平距离不宜大于10 m；

（2）当生产装置的释放源处于封闭或局部通风不良的半敞开厂房内，可燃气体检测报警器距其所覆盖范围内的任一释放源不宜大于5 m，有毒气体检测报警器距其所覆盖范围内的任一释放源不宜大于2 m；

（3）比空气轻的可燃气体或有毒气体释放源处于封闭或局部通风不良的半敞开厂房内，除应在释放源上方设置气体检测报警器外，还应在厂房内最高点气体易于积聚处设置可燃或有毒气体检测报警器。

4 问题的提出

环境空气主要由氮气和氧气组成，它们的体积比约为4：1，因此可以计算环境空气的相对分子量：

环境空气的相对分子量=28×4/5+32×1/5≈29

氢气的分子量为2，所以可以计算氢气与环境空气的比值：

比值=2/29≈0.07<0.8

因此，氢气比空气轻。按照国家的安装标准，只需要把氢气报警器安装在高于释放源2 m范围内即可。对全厂98台氢气报警器进行了检查，发现有37台氢气报警器的安装完全不符合国家标准，问题主要集中表现在部分压缩机、容器等处的氢气报警器的水平位置安装合理，但是其垂直安装高度却按照可燃报警器的标准安装，尤其是压缩机处的氢气报警器，其安装高度远低于最容易泄漏氢气所在的气缸处，一旦发生泄漏，该报警器将起不了任何报警作用，会给生产装置的运行带来严重的安全隐患。

依据最初的设想，打算对不符规范的37台氢气报警器直接动火进行焊接加高，使之符合规范。按照《动火作业安全管理规范》第十七条特殊动火作业规定：“在带有可燃、有毒介质的容器、设备、管线、工业下水井、污水池等部位不允许动火，确属生产需要必须进行的动火作业，按特殊动火处理。特殊动火必须经地区公司主管领导和有关部门、属地及动火作业单位共同进行风险评价。制定可靠的动火安全工作方案、安全措施和应急预案并有效落实后方可动火”[5]。而37台不符规范的氢气报警器所在的装置正在运行，为了保证装置的正常生产和安全，工艺和安全所属部门禁止动火处理，要求寻求其他的整改方案。

为了避免重蹈齐鲁石化“4.24”事故的覆辙，厂领导高度重视，要求限期一个月完成对不符规范的氢气报警器进行整改。

5 整改方案选定

对生产装置现场的37 台氢气报警器所在操作柱直径再次进行确认，发现各个装置的操作柱直径不同，主要有DN40和DN50两种尺寸。于是按照GB/T 50493—2019《石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准》，提出了如下两种整改方案。

1）DN40 和DN50 执 行 不 同 的 方 案。其 中，DN40 是将高度合适的DN50 镀锌管套在DN40 的操作柱上，而DN50是将符合规范的DN40镀锌管插入DN50的操作柱上，然后固定新操作柱，续接电缆线，恢复报警器的通信。

2）DN40和DN50执行相同的方案。重新另立高度合适的DN40和DN50的镀锌管，然后固定新操作柱，续接电缆线，恢复报警器的通信。

6 具体的整改方案和方案对比

方案一：将高度合适的DN50镀锌管套在DN40的操作柱上，然后固定DN50 的新操作柱，续接报警器所在的电缆线，恢复报警器的通信。DN50大于DN40 的直径，所以DN50 套在DN40 的操作柱上中间留有10 mm 的空余尺寸。当有风吹过时，高处的报警器极易处在摇晃的状态中。为了加强新操作柱的稳定性，在DN50镀锌管下侧钻了两个相距30 mm 或者35 mm 的小孔，然后装上两个可以往里面旋转拧紧的螺丝，顶住DN40的镀锌管，使DN50镀锌管保持稳定。同时，为了使电缆线符合敷设规范，在DN50的镀锌管旁边立了一根DN15或者一根DN20的绝缘套管，通过上下两块角钢和若干个U 型恰使DN50镀锌管和绝缘套管之间保持固定，然后把续接的电缆线穿过DN15或者DN20的绝缘套管，恢复氢气报警器的通信。图3是氢气报警器整改后的方案图。

图3 氢气报警器整改方案图②

图3 氢气报警器整改方案图①

图①是将DN50镀锌管套在DN40镀锌管后的整改图。其中，黑色双向箭头是原来的氢气报警器所在的部分操作柱，红色双向箭头是DN50镀锌管套在DN40镀锌管上后形成的新操作柱。

图②中的两个黑色圆圈可以往DN50镀锌管里面拧紧的两个螺丝的侧面图，用于固定新形成的操作柱。

该方案节省空间，但是稳定性差，成本高，原因是该方案仅通过两个螺丝来固定DN50的镀锌管，且与平常的焊接相比，钻出两个符合要求的螺丝孔似乎是一项很复杂、高成本的焊接作业。

而将高度符合规范的DN40镀锌管插入DN50的操作柱上，操作上可能要烦琐很多。因为装置现场大部分DN50镀锌管顶端都封闭，如果确定要实施该方案，则需要把现场DN50的操作柱拆解回去切割顶端的封闭端。如果DN50镀锌管高度过高，则还需要切割一部分镀锌管，以方便DN40镀锌管插入DN50的操作柱中。然后对DN50操作柱的下端钻孔，再重新安装上，后续操作则同上面将DN50 镀锌管套在DN40所在操作柱的方法一样。

该方案具有可行性，但是操作烦琐，不利于工作的开展。

方案二：另立高度合适的DN40或DN50的镀锌管，然后固定新操作柱，续接电缆线，恢复报警器的通信。在原来DN40或者DN50旁边另立高度适中的新操作柱，该操作柱中上部焊接了两块角钢。为了使电缆线的敷设符合规范，我们在新操作柱旁边立了一根DN15或者DN20的绝缘套管，通过上下两块角钢和若干个U 型恰使新操作柱和绝缘套管之间保持固定。图4是氢气报警器整改后的方案图。

图4 氢气报警器整改方案图③

图4 氢气报警器整改方案图②

图4 氢气报警器整改方案图①

图4 氢气报警器整改方案图④

图①和图②是另立操作柱后的正面图和侧面图，其中，图①黑色双向箭头是氢气报警器原来操作柱所在的高度，红色双向箭头是整改后形成的新操作柱所在的高度。

图③和图④是用于固定新操作柱的角钢和U 形卡的正面图和背面图。

该方案占用一定空间，但是稳定性好，成本相对较低，且后期如果装置停工，还会对新立的操作柱底板套管膨胀螺丝进一步加固，使其保持良好的稳定性。

综上，相比于方案一，方案二的优势更加明显。

7 结束语

可燃气体和有毒气体报警器在石油化工生产和储运过程中长期处于监控运行状态，其正确安装对于可燃气体和有毒气体泄漏和浓度超标等危险源能及时进行检测和报警，确保了生产操作人员人身安全、生产装置财产安全和环境安全。因此，在实施报警器安装时，必须依据国家规范和行业规范的要求，这样可以最大限度地减少或降低石油化工工厂或装置发生事故的危险及影响，达到安全生产的目的。