劉存玉

（淄博職業(yè)學(xué)院制藥與生物工程系，山東淄博，255314）

在許多化工、制藥等生產(chǎn)或經(jīng)營企業(yè)，存在有毒有害，或易燃易爆的危險(xiǎn)氣體。在這些場所，危險(xiǎn)氣體的泄漏是客觀存在的潛在安全隱患。因此，有必要在有關(guān)裝置安裝危險(xiǎn)氣體泄漏檢測系統(tǒng)。對給定的工藝裝置，需要安裝的檢測器數(shù)量和位置決定于許多因素，設(shè)計(jì)時(shí)一般要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行。

1 確定需要檢測的氣體

國家和地方有關(guān)法規(guī)、消防和建筑規(guī)范，以及工業(yè)安全標(biāo)準(zhǔn)等都對在某些類型的裝置和設(shè)施安裝氣體檢測器有具體要求［1］。但這些法規(guī)和規(guī)范僅覆蓋一少部分應(yīng)檢測氣體，大多數(shù)情況還必須使用其他指標(biāo)來確定哪些氣體和設(shè)備的哪些部位需要監(jiān)測。其中需考慮的最重要因素是氣體的實(shí)際危害，即毒性或爆炸性危險(xiǎn)。

對有毒氣體，應(yīng)當(dāng)以LC50（半數(shù)致死濃度）、STEL（短期暴露濃度限值）、最高容許濃度，以及IDLH（立即危害生命健康濃度）為基礎(chǔ)進(jìn)行危險(xiǎn)性評價(jià)，氣態(tài)物質(zhì)的生理性警示性質(zhì)（如嗅覺閾值）也應(yīng)考慮。特別是允許暴露濃度限值低于其嗅覺閾值的物質(zhì)（如砷化氫）危險(xiǎn)性更大，因?yàn)槿藗儫o法在其泄露達(dá)到危害濃度之前感知其存在。注意，無論暴露限值還是警示濃度都只是實(shí)驗(yàn)測定的平均值，對不同人群會(huì)有差異，因此基于這些數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)檢測系統(tǒng)時(shí)，必須留出較大裕量［2］。

易燃或可燃?xì)怏w的主要危害是其泄漏或?yàn)R出所導(dǎo)致的爆炸危險(xiǎn)，氣體的閃點(diǎn)或爆炸下限越低，越應(yīng)對其進(jìn)行檢測。對閃點(diǎn)低于室溫的易燃可燃物質(zhì)，都應(yīng)安裝泄漏檢測裝置，因?yàn)槠湫孤┖竽芰⒖虤饣?，并可與空氣形成爆炸性混合物。注意有些可燃?xì)怏w同時(shí)也是有毒氣體，其允許暴露濃度低于爆炸下限，例如甲醇的短期暴露濃度限值約為250ppm，遠(yuǎn)低于其6%（即6000ppm）的爆炸下限。在有人員出現(xiàn)的可能泄漏區(qū)域，一般應(yīng)把它們主要作為毒害性物質(zhì)，而不是爆炸性物質(zhì)進(jìn)行評價(jià)。

在有些情形，對不燃性或無毒氣體（如氮?dú)猓┥踔烈惨M(jìn)行檢測，特別是當(dāng)這些氣體有可能泄漏進(jìn)入封閉性區(qū)域時(shí)，因?yàn)檫@類泄漏能增加缺氧危險(xiǎn)，可造成現(xiàn)場人員窒息。

2 識(shí)別潛在危險(xiǎn)點(diǎn)

潛在危險(xiǎn)點(diǎn)可分為兩大類：

（1）泄漏點(diǎn)，就是危險(xiǎn)氣體能泄漏出的位置。

（2）受體點(diǎn)，即危險(xiǎn)氣體能對人員、財(cái)產(chǎn)或設(shè)備造成威脅的位置。

盡管大多數(shù)裝置具有眾多泄漏點(diǎn)和受體點(diǎn)，但這兩大類危險(xiǎn)點(diǎn)并不總是處于同一場所。例如，潛在泄漏點(diǎn)可能位于臨近的工廠。

對泄漏點(diǎn)的識(shí)別，需查閱所有危險(xiǎn)區(qū)域分類圖、工藝安全管理和風(fēng)險(xiǎn)管理平面圖等資料。利用這些資料，設(shè)計(jì)者應(yīng)仔細(xì)評價(jià)工廠的氣體存放和貯存區(qū)，以及氣體分配、加工、通風(fēng)和廢氣處理系統(tǒng)。對通過汽車、火車槽罐或鋼瓶等承運(yùn)的氣體和高蒸氣壓液體的所有運(yùn)輸路線也應(yīng)包括在評價(jià)范圍內(nèi)。

一般來說，氣體檢測器的安裝位置應(yīng)靠近潛在泄漏點(diǎn)。常見泄漏點(diǎn)有泵和壓縮機(jī)密封和法蘭、膨脹節(jié)、墊片、壓縮固件、焊接不良點(diǎn)、裝卸區(qū)、液體和氣體存放區(qū)、取樣點(diǎn)、徑流區(qū)（如污水井、含油廢水處理區(qū)）、管路分配岐管（如閥門岐管箱）等。

在對人員造成損害或傷害可能性大的位置，即使附近無具體泄漏點(diǎn)，也應(yīng)進(jìn)行檢測。這些位置包括氣體可能蓄積的區(qū)域（如地下電纜室），以及任何貯存、處理、運(yùn)輸或加工高毒或高度易燃可燃?xì)怏w的區(qū)域。

受體點(diǎn)的識(shí)別應(yīng)當(dāng)從審閱裝置布局圖或平面布置圖開始，對人員流動(dòng)或定期聚集可能性大的區(qū)域（包括疏散和出口路線）要加以注意。

用于檢測受體點(diǎn)的氣體檢測器應(yīng)安裝在泄漏點(diǎn)和受體點(diǎn)之間。常見受體點(diǎn)包括分析儀器遮護(hù)亭、有工作人員的設(shè)施、開關(guān)裝置保護(hù)箱、內(nèi)燃機(jī)遮護(hù)亭、封閉空間、附近社區(qū)和設(shè)施等。

3 建立設(shè)計(jì)目標(biāo)

工藝裝置的潛在危險(xiǎn)點(diǎn)識(shí)別之后，下一步必須確定檢測系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有怎樣的響應(yīng)程度。通常，氣體檢測系統(tǒng)的啟動(dòng)響應(yīng)按嚴(yán)重程度分如下等級：

（1）告知或通知；

（2）啟動(dòng)排風(fēng)控制；

（3）工藝停車；

（4）疏散和緊急響應(yīng)。

檢測器安裝數(shù)量一般根據(jù)響應(yīng)等級確定，而響應(yīng)等級決定于潛在泄漏的危險(xiǎn)性，以及人所能夠達(dá)到或想要達(dá)到的干預(yù)程度。

對有毒氣體，短期暴露濃度限值、最高容許濃度等毒性指標(biāo)是決定氣體泄漏危險(xiǎn)性的關(guān)鍵因素。然而，還要考慮其他物質(zhì)以及任何可能的副反應(yīng)產(chǎn)物的存在。例如，在足夠濕度下，三氟化硼水合生成氟化氫，后者危害性比前者稍小。而在有些情況，副反應(yīng)產(chǎn)物反而比泄漏氣體毒性更高。

在安裝有貴重設(shè)備或裝置的場所，還應(yīng)考慮泄漏氣體的化學(xué)性質(zhì)。高度反應(yīng)性氣體（如氟和氟化氫）不但能造成人身傷害，還會(huì)造成財(cái)產(chǎn)的嚴(yán)重?fù)p失，因?yàn)樗鼈兡苎杆倥c其接觸的任何表面發(fā)生反應(yīng)。一般要使這些氣體的檢測點(diǎn)盡可能靠近泄漏點(diǎn)。

有時(shí)對要檢測的某些氣體的特性不理解或了解甚少（例如在半導(dǎo)體工業(yè)常常有新的工藝氣體出現(xiàn)），則設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能保守一些。

易燃可燃?xì)怏w泄漏危害一般來自其引起的火災(zāi)或爆炸，而不是泄漏本身。泄漏氣體的濃度達(dá)到LEL，并且有點(diǎn)火源存在，就可能引起著火或爆炸。即時(shí)點(diǎn)火一般能引起著火，而延遲點(diǎn)火由于能使燃料－空氣混合氣團(tuán)生成，往往能引起所謂的蒸氣云爆炸。

由于蒸氣云爆炸比著火造成的破壞范圍更廣，因此爆炸的潛在損失就是衡量易燃－可燃?xì)怏w泄漏危險(xiǎn)性的一個(gè)重要指標(biāo)。以下四個(gè)因素決定蒸氣云爆炸的潛在破壞性：

（1）封閉程度。一般來說，在封閉區(qū)的爆炸比非封閉區(qū)的爆炸產(chǎn)生更高的過壓，因此破壞性更大。

（2）加速距離?；鹧媲把丶铀倬嚯x或面積越大，引起的破壞性越大。實(shí)驗(yàn)證明，要達(dá)到破壞性速度，火焰前沿需要的加速距離約為5.5m。這也為在危險(xiǎn)區(qū)域安裝檢測器的間距和位置提供了額外參考依據(jù)。

（3）擁擠程度或障礙物數(shù)量。小的障礙物如管子、鋼件、結(jié)構(gòu)鋼、工藝設(shè)備等能促進(jìn)燃燒蒸氣云內(nèi)的湍流，從而使爆炸引起的過壓增加，也因之使破壞力增加。注意，爆炸還能將這樣的障礙物轉(zhuǎn)變?yōu)轭愃朴诹聆睆椘惋w彈的拋射體，進(jìn)一步對人員和設(shè)備造成威脅。

（4）燃料數(shù)量和混合程度。燃料越多、與空氣混合的越好，火焰前沿造成的破壞力越大。

設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮報(bào)警系統(tǒng)響應(yīng)不及時(shí)的可能后果、誤報(bào)警成本，以及有無操作人員監(jiān)視儀表。在快速響應(yīng)很關(guān)鍵但誤報(bào)警成本高的場合，許多采用在“圈定區(qū)域”安裝多個(gè)監(jiān)測器的布局，并預(yù)先設(shè)定一組監(jiān)測器必須全部響應(yīng)；或者采用“表決”布局，其中一組監(jiān)測器中的三分之二必須有響應(yīng)。在人為干預(yù)不能企及的遠(yuǎn)距離裝置中，常通過安裝多重監(jiān)測器來獲得充分冗余。

4 確定氣體監(jiān)測器的安裝位置和數(shù)目

上述幾個(gè)步驟為如何大體確定監(jiān)測器的安裝數(shù)量和位置提供了方向，再通過對被監(jiān)測物質(zhì)物理特性的評價(jià)就可對初步設(shè)計(jì)加以細(xì)化。

蒸氣密度是確定氣體傳感器安裝位置的關(guān)鍵指標(biāo)。比空氣重的氣體，包括高蒸氣壓液體的蒸氣，趨于下沉并沿地面流動(dòng)，并常在坑和溝槽這樣的低洼處聚集而不易擴(kuò)散。所以與輕于空氣的氣體相比，應(yīng)將更多的感應(yīng)器安裝在非封閉區(qū)域來檢測這些物質(zhì)。

用于檢測比空氣重的氣體的感應(yīng)器，應(yīng)安裝在近地面位置，一般在地面以上0.5－0.7m，或安裝在氣體可能聚集的低洼處。相反，用于比空氣輕的氣體的感應(yīng)器通常應(yīng)安裝在危險(xiǎn)點(diǎn)上方。

在封閉裝置中，一般將用于低密度氣體的感應(yīng)器安在頂部或天花板上。對和空氣同密度的氣體，通常將感應(yīng)器安裝在處于或接近于人呼吸的高度。

當(dāng)檢測缺氧情況時(shí)，應(yīng)考慮能對空氣產(chǎn)生置換的氣體的密度。例如，在氦氣鋼瓶貯藏室，安裝在接近天花板位置的氧感應(yīng)器會(huì)首先檢測到泄漏的發(fā)生（氦氣上升把天花板附近的氧氣“擠出”）。

當(dāng)評價(jià)蒸氣密度時(shí)，不應(yīng)忽略泄漏溫度。液化的比空氣輕的氣體，如液化天然氣，在剛剛濺出時(shí)的表現(xiàn)通常類似于比空氣重的氣體，但很快隨著蒸氣的被稀釋和溫度的升高而開始上升。與此類似，有些被加熱了的比空氣重的氣體，如硫化氫，剛泄漏時(shí)將上升，但當(dāng)冷卻下來密度變得比空氣大時(shí)就開始下沉。

通風(fēng)和空氣流的存在也會(huì)影響檢測器的安裝位置，對密度和空氣類似的氣體尤其如此。例如，如果在廠房內(nèi)有強(qiáng)的空氣流，那么對比空氣輕的氣體的檢測，將感應(yīng)器放在排氣管出口位置比放在天花板位置更好。貯存和泄漏方式也會(huì)影響按蒸氣密度確定的檢測器布局。

液化氣體和高蒸氣壓液體一般以溢出或噴瀉的方式泄漏，隨后開始蒸發(fā)。蒸發(fā)速率與積液的表面積、液體的沸點(diǎn)或蒸氣壓，以及從地面和環(huán)境傳遞的熱量成正比。

一般情況下，蒸發(fā)速率越慢或蒸氣越濃，就越應(yīng)將感應(yīng)器安裝在靠近液體蓄積位置。同時(shí)，蒸發(fā)速率增加越快，就越要考慮主導(dǎo)空氣或通風(fēng)氣流的影響。

加壓貯存或運(yùn)輸?shù)臍怏w是以氣體（或氣－液兩相）噴射的形式泄漏的。如果泄漏點(diǎn)或方向可以預(yù)測，則通常將檢測器放置在射流路徑上。否則，就應(yīng)把檢測器要么置于危險(xiǎn)點(diǎn)周圍多個(gè)地點(diǎn)，要么置于氣體泄漏出來后很可能經(jīng)過或沉積/降的區(qū)域（而且還要考慮主導(dǎo)氣流或通風(fēng)氣流的影響）。

應(yīng)當(dāng)注意，比空氣輕的氣體剛剛泄漏出來常常是下沉的，原因在于噴射氣流中有氣溶膠存在，而且氣體在壓力下降時(shí)溫度也降低。多數(shù)噴射出的氣體會(huì)和周圍空氣發(fā)生相當(dāng)程度的混合，并在開放空間距泄漏點(diǎn)不遠(yuǎn)處就能擴(kuò)散到危險(xiǎn)濃度以下。然而，長時(shí)間泄漏或在封閉、半封閉區(qū)域的泄漏仍會(huì)對安全造成嚴(yán)重威脅。

盡管室內(nèi)泄漏常比室外泄漏更危險(xiǎn)，但其行為卻更易預(yù)測。研究表明，在無排風(fēng)房間，氣體能很快在泄漏點(diǎn)上方（或下方）達(dá)到均勻濃度。對室內(nèi)泄漏，檢測器的安裝位置可主要依據(jù)蒸氣密度和泄漏方式確定。注意，當(dāng)在天花板附近有溫度很高的空氣時(shí)，就有可能出現(xiàn)一定程度的熱分層現(xiàn)象。溫暖、低密度的空氣可降低氣體向頂部的移動(dòng)速度。

考慮機(jī)械通風(fēng)的影響也很重要。在通風(fēng)速率相當(dāng)快的地方，例如等級100以上的潔凈房間，安裝在風(fēng)筒上的傳感器常能提供廠房、機(jī)房或操作間內(nèi)空氣的最真實(shí)狀況。

有些情況必須將傳感器安裝在數(shù)個(gè)通風(fēng)管中，因?yàn)橥L(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范要求考慮氣體密度，例如在存在輕重氣體混合物的地方，要求通風(fēng)系統(tǒng)必須能將處于高低位置的氣體都能捕集到。

在通風(fēng)速率較低的情況，應(yīng)進(jìn)行煙霧研究以便明確傳感器確實(shí)能“看見”氣體的泄漏，方法是將一股煙霧或其他易于看見的氣體噴出，然后觀察其在空氣主流中的表現(xiàn)。

若通風(fēng)管相互連接，且潛在泄漏點(diǎn)處于“上游”，或者空氣是從外面靠近可能的泄漏點(diǎn)位置抽進(jìn)來的，則有必要在空氣進(jìn)口管或其附近安裝一個(gè)傳感器。有些情況，如處理高毒氣體時(shí)，為增加安全保障，還應(yīng)檢測呼吸區(qū)（在處于人呼吸高度的位置安裝檢測器）。

檢測室外泄漏要復(fù)雜的多，因?yàn)樵谑彝庥绊憵怏w行為的變量比在室內(nèi)多得多。有眾多擴(kuò)散模型可幫助設(shè)計(jì)者預(yù)測泄漏氣體卷流的大小、形狀和濃度［3］。在空氣擴(kuò)散模型中，除包括氣體性質(zhì)和泄漏動(dòng)力學(xué)外，一般還包括表面粗糙度等數(shù)據(jù)。氣體在水面、覆蓋面和草地上方的傳播速度比在城市、森林和工業(yè)聯(lián)合體內(nèi)的傳播速度要快。氣象因素也有影響，因?yàn)樵陲L(fēng)和日麗的下午氣體擴(kuò)散最快，而在天晴風(fēng)輕的夜晚氣體擴(kuò)散最慢。

對室外氣體傳感器的安裝，一般應(yīng)保證在所有正常泄漏情形，總有大于檢測極限的泄漏氣體經(jīng)過檢測器。檢測器的檢測極限一般是信噪比的三倍。

還應(yīng)注意，由建筑物、工藝容器、管道陣列等產(chǎn)生的地形特征會(huì)顯著改變泄漏氣體的預(yù)測行為，因?yàn)榇蠖鄶?shù)擴(kuò)散模型是假定具有平坦表面。例如，“峽谷”（即兩個(gè)大構(gòu)筑物之間的區(qū)域）就趨于使氣體卷流的濃度增加。相反，泄漏點(diǎn)下游的障礙物則趨向于通過增加湍流使氣體卷流被稀釋。

5 結(jié)語

氣體檢測系統(tǒng)能為危險(xiǎn)氣體的泄漏提供早期報(bào)警，因此是保證安全的第一個(gè)屏障，正確的設(shè)計(jì)和布局是系統(tǒng)發(fā)揮效能的關(guān)鍵所在。氣體檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)不但要解決感應(yīng)器安裝數(shù)量和位置問題，還要解決如何用其提供的真實(shí)時(shí)效數(shù)據(jù)來改善工廠總體安全狀況問題。只有這樣，才能使監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)揮最大效用。

［1］馮肇瑞，楊有啟.化工安全技術(shù)手冊.［M］：北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1993：5－12.

［2］Shelley，S A：Policing air toxics［J］.Chemical Engineering，1991.11：30～32.

［3］Guidelines for Use of Vapor Cloud Dispersion Models，Center for Chemical Process Safety，New York，N.Y.，1996：2－6.