馮德興 汪 鈺 吳肖涌 梅應(yīng)虎

（液化空氣（杭州）有限公司 杭州 310015）

對(duì)于壓力容器制造企業(yè)來說，容器制成后的耐壓試驗(yàn)，無疑是一個(gè)制造過程中具有危險(xiǎn)性的綜合檢驗(yàn)環(huán)節(jié)。壓力容器耐壓試驗(yàn)包括液壓試驗(yàn)、氣壓試驗(yàn)和氣液組合壓力試驗(yàn)三種方法；液壓試驗(yàn)是危險(xiǎn)性最低、制造企業(yè)最常用的試驗(yàn)方法；但對(duì)于因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)或支承等原因不能充罐液體或運(yùn)行條件下不允許殘留液體的壓力容器，則可按照設(shè)計(jì)文件要求采用氣壓試驗(yàn)[1-3]。

精餾塔是空氣分離設(shè)備的核心，是裝滿潔凈規(guī)整填料的塔式容器[4-6]。制成后的精餾塔，如果采用液壓試驗(yàn)，試驗(yàn)液體將無法排盡，殘留液體會(huì)直接影響將來的液化空氣精餾運(yùn)行工況，甚至殘留液體還可能與規(guī)整填料的鋁發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生易燃易爆的氫氣[7]。因此，精餾塔的耐壓試驗(yàn)一般均采用危險(xiǎn)性較高的氣壓試驗(yàn)方法。

然而，規(guī)避和降低氣壓試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的安全技術(shù)要求（如：“氣壓試驗(yàn)必須滿足最小安全距離要求”、“何時(shí)能突破最小安全距離、接近并檢查試驗(yàn)容器”等），在國內(nèi)現(xiàn)行壓力容器法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中鮮見提及，這給制造企業(yè)帶來一些困擾；很多壓力容器制造企業(yè)因?yàn)椴恢廊绾斡?jì)算氣壓試驗(yàn)最小安全距離而未有效降低氣壓試驗(yàn)發(fā)生爆炸的安全風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)精餾塔氣壓試驗(yàn)爆炸能量、最小安全距離和試驗(yàn)方案展開探討。

1 精餾塔氣壓試驗(yàn)最小安全距離計(jì)算

1.1 壓力容器爆炸能量計(jì)算公式的推導(dǎo)

關(guān)于壓力容器爆炸能量，有的文獻(xiàn)[8-9]給出了計(jì)算公式：，但缺少理論依據(jù)和推導(dǎo)過程；有的文獻(xiàn)[10]雖有推導(dǎo)但缺乏詳盡。

壓力容器爆炸，因其過程進(jìn)行得極快、容器介質(zhì)與外界來不及進(jìn)行熱量交換，可以被視作介質(zhì)絕熱膨脹過程（即系統(tǒng)與外界的熱量傳遞Q=0 ）[11]；再由能量守恒定律可知，壓力容器爆炸能量實(shí)質(zhì)就是系統(tǒng)對(duì)外界所做的功。

設(shè)E為爆炸能量（單位：MJ）、W為系統(tǒng)對(duì)外界所做的功（單位：MJ）、P1為爆炸前介質(zhì)絕對(duì)壓力（單位：MPa）、V1為爆炸前介質(zhì)體積（單位：m3）、P2為爆炸后介質(zhì)絕對(duì)壓力（這里P2應(yīng)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，P2=0.101MPa），V2為爆炸后介質(zhì)體積（單位：m3），k為無量綱的介質(zhì)絕熱指數(shù)。

由熱力學(xué)絕熱過程方程PVk=C，得到

當(dāng)介質(zhì)為空氣或氮?dú)鈺r(shí)，查GB/T 150.1—2011[2]附錄“表B.6部分氣體的性質(zhì)”，可得k=1.4，代入上式可得：（單位：MJ）。

1.2 氣壓試驗(yàn)最小安全距離計(jì)算公式的推導(dǎo)

壓力容器爆炸能量可分為空氣沖擊波能量、碎片能量和容器殘余變形能量。其中，空氣沖擊波能量約占爆炸能量的85%～97%，它能夠以沖擊波超壓的形式造成大面積的振動(dòng)和破壞；3%～15%的爆炸能量將碎片（容器炸裂物）向四周拋擲或使容器發(fā)生變形。因此，為了確保壓力容器氣壓試驗(yàn)安全，必須設(shè)置最小安全距離。

如何計(jì)算最小安全距離，ASME文獻(xiàn)[9]給出了計(jì)算方法：1）當(dāng)E≤135.5MJ時(shí)，R取20 ×(2 T NT )13m和30m的較大值；2）當(dāng)135.5 MJ ＜E≤2 71MJ 時(shí)，R取20 ×(2 T NT )13m和60m的較大值；3）當(dāng)E＞271MJ時(shí)，R= 20 ×(2 TNT )13m。其中，R為最小安全距離（單位：m），TNT是爆炸能量的TNT當(dāng)量[一般，1kgTNT炸藥能產(chǎn)生4.12～4.69MJ的能量；取中間值，如果設(shè)定1kgTNT炸藥產(chǎn)生4.267MJ的能量，那么壓力容器爆炸的TNT當(dāng)量應(yīng)為(E/4.267)kg]。

關(guān)于以上R= 20 ×(2 TNT )13這一氣壓試驗(yàn)最小安全距離的計(jì)算公式，其實(shí)也較容易推導(dǎo)：從沖擊波超壓對(duì)人體傷害和對(duì)建筑物破壞的作用看，當(dāng)沖擊波超壓ΔP=0.02～0.03MPa時(shí)人體可能會(huì)有輕微損傷，當(dāng)沖擊波超壓ΔP=0.005～0.006MPa時(shí)建筑物門窗可能會(huì)部分破碎；工程上常以ΔP=0.005MPa作為危險(xiǎn)區(qū)和安全區(qū)的劃分界限；在沖擊波超壓ΔP與對(duì)比距離λ的關(guān)系圖[8]（見圖1）中查得，ΔP=0.005MPa所對(duì)應(yīng)的對(duì)比距離λ≈25m/kg1/3；由對(duì)比距離定義可知λ=r/W13（r為距爆源的距離，W為爆源的炸藥質(zhì)量即TNT當(dāng)量）[8]。因此，

圖1 對(duì)比距離與沖擊波超壓的關(guān)系

1.3 精餾塔氣壓試驗(yàn)最小安全距離計(jì)算

在利用爆炸能量公式計(jì)算精餾塔氣壓試驗(yàn)爆炸能量時(shí)，應(yīng)該注意兩點(diǎn)：1）P1為試驗(yàn)壓力的絕對(duì)壓力，即為“試驗(yàn)壓力表壓+標(biāo)準(zhǔn)大氣壓”；2）V1為爆炸前容器介質(zhì)體積，即V1=容器幾何容積-內(nèi)件體積，對(duì)于精餾塔來說，塔內(nèi)充滿了規(guī)整填料，可以近似認(rèn)為：V1=容器幾何容積×規(guī)整填料空隙率。

表1計(jì)算了幾類不同等級(jí)空氣分離設(shè)備精餾塔氣壓試驗(yàn)最小安全距離。

表1 精餾塔氣壓試驗(yàn)最小安全距離的計(jì)算

2 精餾塔氣壓試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)氣源

精餾塔氣壓試驗(yàn)氣源應(yīng)選擇干燥潔凈的空氣或氮?dú)?。?dāng)采用壓縮空氣時(shí)，應(yīng)使壓縮空氣氣源達(dá)到2級(jí)固體污染物、3級(jí)油和2級(jí)水的控制要求[12]。

2.2 安全閥、壓力表、壓力表表架

試驗(yàn)用安全閥一般選用與試驗(yàn)介質(zhì)相適應(yīng)的全啟式彈簧安全閥；其流道直徑（也稱喉徑）應(yīng)根據(jù)計(jì)算所得的容器安全泄放量、安全閥泄放面積確定[2，13]，再根據(jù)流道直徑確定安全閥的公稱通徑DN（一般，全啟式彈簧安全閥流道直徑與公稱通徑之比約為0.625）[14，15]；其公稱壓力PN應(yīng)滿足試驗(yàn)壓力；其整定壓力一般可選取1.05～1.1倍試驗(yàn)壓力；氣壓試驗(yàn)時(shí)必須使用經(jīng)校驗(yàn)合格并處在校驗(yàn)有效期內(nèi)的安全閥；安全閥應(yīng)安裝在精餾塔頂部。

試驗(yàn)用壓力表應(yīng)選用2只量程相同、與試驗(yàn)介質(zhì)相適應(yīng)、表盤直徑不小于100mm、精度不低于1.6級(jí)、經(jīng)校驗(yàn)合格并處在校驗(yàn)有效期內(nèi)的壓力表；壓力表應(yīng)安裝在精餾塔頂部便于觀察的位置；壓力表表盤刻度極限值應(yīng)為試驗(yàn)壓力的1.5～3.0倍[2]；當(dāng)2只壓力表讀數(shù)有些微差異時(shí)，應(yīng)以較低讀數(shù)為準(zhǔn)；當(dāng)2只壓力表有很大差異時(shí)，應(yīng)停止試驗(yàn)，待查明原因（若確認(rèn)壓力表故障則需更換壓力表）后重新試驗(yàn)。

作為氣壓試驗(yàn)工裝的壓力表表架，可由不銹鋼無縫鋼管[16]制作，其制作應(yīng)具備設(shè)計(jì)文件和承壓驗(yàn)證資料，并將它們歸檔管理、定期（至少每三年一次）進(jìn)行承壓試驗(yàn)。

2.3 監(jiān)控器具與記錄設(shè)備

為實(shí)現(xiàn)最小安全距離以外的遠(yuǎn)距離監(jiān)視、操作和精餾塔內(nèi)部壓力的實(shí)時(shí)記錄，特設(shè)置監(jiān)控器具和記錄設(shè)備：監(jiān)控器具包括控制器、顯示器、三腳架、云臺(tái)、攝像機(jī)、變焦鏡頭、控制線和視頻線；記錄設(shè)備包括記錄儀、壓力變送器和信號(hào)線；其中壓力變送器量程的選擇應(yīng)與試驗(yàn)壓力相適應(yīng)，線纜長(zhǎng)度應(yīng)大于最小安全距離。

2.4 移動(dòng)式氣壓試驗(yàn)站

由于精餾塔氣壓試驗(yàn)場(chǎng)地的不確定性和最小安全距離的差異，配備移動(dòng)式氣壓試驗(yàn)站可以滿足各類精餾塔氣壓試驗(yàn)作業(yè)的需求。圖2是試驗(yàn)站系統(tǒng)圖，試驗(yàn)站內(nèi)設(shè)置監(jiān)控控制器、顯示器、記錄儀和閥門管道組。其中，監(jiān)控控制器可調(diào)節(jié)用于觀察壓力表的攝像機(jī)方位和鏡頭焦距；顯示器可觀測(cè)壓力表讀數(shù)和精餾塔周圍狀況；記錄儀可實(shí)時(shí)記錄精餾塔內(nèi)部壓力變化情況；閥門管道組可通過進(jìn)氣和排氣截止閥的開啟或關(guān)閉實(shí)現(xiàn)升壓、保壓和降壓的遠(yuǎn)距離操作。

圖2 移動(dòng)式氣壓試驗(yàn)站系統(tǒng)圖

作為氣壓試驗(yàn)工裝的閥門管道組，可由不銹鋼無縫鋼管制作，其制作應(yīng)具備設(shè)計(jì)文件和承壓驗(yàn)證資料，并將它們歸檔管理、定期（至少每三年一次）進(jìn)行承壓試驗(yàn)。

2.5 試驗(yàn)工藝要求

精餾塔氣壓試驗(yàn)工藝要求包括[1，3]：1）檢查確認(rèn)耐壓試驗(yàn)前的制造工作已全部結(jié)束（如：“臨時(shí)受壓元件已安裝并采取適當(dāng)安全措施”、“連接部位緊固件已裝配齊全并緊固”、“對(duì)開孔補(bǔ)強(qiáng)圈焊接接頭已用0.4～0.5MPa的壓縮空氣進(jìn)行質(zhì)量檢查”、“已對(duì)焊接接頭表面進(jìn)行磁粉或滲透檢測(cè)”等）；2）檢查確認(rèn)氣源設(shè)施處于完好狀態(tài)，檢查確認(rèn)試驗(yàn)用金屬軟管、安全閥、壓力表、監(jiān)控器具、記錄設(shè)備等已安裝就緒；3）氣壓試驗(yàn)開始時(shí)，應(yīng)先緩慢升壓至試驗(yàn)壓力的10%，保壓足夠時(shí)間（一般為5min左右），并對(duì)所有焊接接頭和連接部位進(jìn)行初次檢查；4）確認(rèn)無泄漏后，再繼續(xù)升壓至試驗(yàn)壓力的50%；5）如無異?，F(xiàn)象，其后按試驗(yàn)壓力的10%逐級(jí)升壓，直到試驗(yàn)壓力；6）保壓足夠時(shí)間（一般為10min左右），然后緩慢降壓至設(shè)計(jì)壓力，保壓足夠時(shí)間進(jìn)行檢查，檢查期間壓力應(yīng)保持不變；7）如果精餾塔無異常聲響、經(jīng)肥皂液或其他檢漏液檢查無漏氣、無可見的變形，那么就可以認(rèn)為氣壓試驗(yàn)達(dá)到了合格標(biāo)準(zhǔn)；8）經(jīng)質(zhì)檢人員、監(jiān)檢人員、用戶代表等確認(rèn)合格后，降壓至標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，氣壓試驗(yàn)作業(yè)結(jié)束，填寫《氣壓試驗(yàn)報(bào)告單》。

2.6 試驗(yàn)安全技術(shù)要求

精餾塔氣壓試驗(yàn)安全技術(shù)要求包括：1）制造企業(yè)應(yīng)預(yù)先制定特種設(shè)備事故應(yīng)急預(yù)案，組織員工參與預(yù)案演練，精餾塔氣壓試驗(yàn)操作人員應(yīng)熟悉預(yù)案演練過程[17，18]；2）為提示和降低風(fēng)險(xiǎn)，精餾塔氣壓試驗(yàn)作業(yè)應(yīng)履行安全管理部門的工作許可程序，并由安全管理人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督檢查；3）以計(jì)算得出的氣壓試驗(yàn)最小安全距離為依據(jù)，妥善設(shè)置警戒圍欄，警戒圍欄內(nèi)不得進(jìn)行與試驗(yàn)無關(guān)的作業(yè)，同時(shí)也禁止其他無關(guān)人員進(jìn)入、停留警戒圍欄內(nèi)；4）氣壓試驗(yàn)站應(yīng)設(shè)置在警戒圍欄以外，氣壓試驗(yàn)過程中的升壓、保壓和降壓操作以及壓力表觀測(cè)必須全部在試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行；5）試驗(yàn)人員（包括操作人員、質(zhì)檢人員、監(jiān)檢人員和用戶代表）只能在各保壓期間突破最小安全距離（即進(jìn)入警戒圍欄內(nèi)），接近并檢查試驗(yàn)容器，操作人員在進(jìn)行每步升壓操作前，應(yīng)確認(rèn)所有人員已撤離警戒區(qū)域；6）試驗(yàn)期間，任何人不得帶壓緊固或向受壓元件施加外力；7）試驗(yàn)過程中，若發(fā)現(xiàn)異常聲響、變形或不能保壓等現(xiàn)象應(yīng)停止試驗(yàn)，排空試驗(yàn)氣體，待查明原因、解決問題后重新進(jìn)行氣壓試驗(yàn)；8）當(dāng)使用氮?dú)庾鳛樵囼?yàn)氣體時(shí)，試驗(yàn)人員應(yīng)熟悉氮?dú)獾幕瘜W(xué)品安全技術(shù)說明書（即MSDS），所有試驗(yàn)人員應(yīng)佩戴便攜式氧氣檢測(cè)儀，包括試驗(yàn)人員在內(nèi)的所有人員在降壓期間應(yīng)遠(yuǎn)離氣體排放口、防止氮?dú)庵舷⑹鹿拾l(fā)生；9）試驗(yàn)操作人員必須持有處在有效期內(nèi)的壓力容器作業(yè)人員資格證。

3 結(jié)束語

包括精餾塔在內(nèi)的壓力容器氣壓試驗(yàn)，應(yīng)滿足現(xiàn)行壓力容器法規(guī)和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求；同時(shí)，因?yàn)闅鈮涸囼?yàn)本身具有較高的危險(xiǎn)性，制造企業(yè)還必須計(jì)算壓力容器在試驗(yàn)氣體介質(zhì)和試驗(yàn)壓力下的爆炸能量和最小安全距離，并在此基礎(chǔ)上制定和遵循氣壓試驗(yàn)安全技術(shù)要求，切實(shí)降低試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)、保障人身安全。

[1] TSG 21—2016 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[2] GB/T 150.1—2011 壓力容器 第1部分: 通用要求[S].

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