特种设备管理：压力容器事故预防与应急解决

做好压力容器事故预防和应急预案是十分重要的。

1.压力容器介质燃烧、爆炸机理

不少压力容器中的工作介质都具有易燃、易爆的特性，且多以气体和液体状态存在，极易泄漏和挥发，一旦出现管理不善、设计不当、操作不慎或设备故障等情况，就可能导致发生火灾及爆炸事故。

（1）燃烧的种类

1）燃烧的三个特征：放热、发光、生成新物质。

2）燃烧的三个必要条件：可燃物、助燃物（可燃物和助燃物都有一定的含量和数量要求）和点火能源。由此可见，所有的防火措施都在于防止这三个条件同时存在，所有的灭火措施都在于消除其中的任一条件。

3）燃烧的种类：燃烧现象按形成的条件和瞬间发生的特点，分为闪燃、着火、自燃、爆燃四类。

①闪燃是在一定的温度下，易燃、可燃液体表面上的蒸气和空气的混合气与火焰接触时，闪出火花但随即熄灭的瞬间燃烧过程。

②着火是可燃物受外界火源直接作用而开始的持续燃烧现象。

③自燃是可燃物质没有外界火源的直接作用，因受热或自身发热使温度上升，当达到一定温度时发生的自行燃烧现象。

④爆燃是可燃物质和空气或氧气的混合物由火源点燃，火焰立即从火源处以不断扩大的同心球形式自动扩展到混合物的全部空间的燃烧现象。

（2）爆炸及其影响

1）爆炸是物质由一种状态迅速转变成另一种状态，并在瞬间以声、光、热、机械功等形式释放大量能量的现象。实质上爆炸是一种极为迅速的物理或化学的能量释放过程。

2）可燃气体、可燃蒸气或粉尘和空气构成的混合物，只有在一定的含量范围内遇到火源才能发生燃烧爆炸，这个含量范围称为爆炸极限。

在压力容器或管道中，如果可燃气含量在爆炸上限以上，当压力容器有焊接裂纹或其他原因产生缝隙时，空气会立即渗漏进去，则随时有燃烧、爆炸的危险，所以对于含量在上限以上的混合气体，随时要密切关注，以防止事故发生。部分可燃气体和蒸气的爆炸极限见表3-69。

表3-69 部分可燃气体和蒸气的爆炸极限

（续）

3）爆炸极限的影响因素。爆炸极限一般是在常温常压条件下测定出来的数据，它随着温度、压力、含氧量、惰性气体含量、火源强度等因素变化而变化，具体如下：①初始温度。混合气着火前的初始温度升高，会使分子的反应活性增加，导致爆炸范围扩大，即爆炸下限降低，上限提高，从而增加了混合物的爆炸危险性。②初始压力。混合气的初始压力增加（降低），爆炸范围随之扩大（缩小）。初始压力对爆炸上限的影响十分显著，对下限的影响较小。③含氧量。混合气中增加氧含量，一般情况下对下限影响不大，但会使上限显著增高，爆炸范围扩大。④惰性气体含量。混合气体中增加惰性气体含量，会使爆炸上限显著降低，爆炸范围缩小。⑤点火源与最小点火能量。点火源的强度高，会使爆炸范围扩大，增加爆炸的危险性。最小点火能量是指能引起一定含量可燃物燃烧或爆炸所需要的最小能量。⑥消焰距离。实验证明，通道尺寸越小，通道内混合气体的爆炸含量范围越小。当通道小到一定程度时，火焰就不能通过，火焰蔓延不下去的最大通道尺寸称为消焰距离。

2.预防易燃、易爆介质发生爆炸事故的措施

预防易燃、易爆介质发生燃烧爆炸事故，主要从两方面着手：一是防止可燃物、助燃物形成燃烧爆炸系统；二是清除和严格控制一切足以导致着火燃烧爆炸的着火源。具体内容如下。

（1）控制或消除燃烧爆炸条件的形成

1）设计要符合规范。设计要充分考虑火灾爆炸的危险性，要符合防火防爆的安全技术要求，采用先进的工艺技术和可靠的防火防爆措施，以减少促成燃烧爆炸的因素，实现本质安全。

2）正确操作，严格控制和执行工艺。在生产工艺控制上，应重点把好以下几个环节：控制温度，严防超温；控制压力，严防超压；控制原料的纯度；控制好加料速度、加料比例和加料顺序；严禁超量储存，超量充装。

3）加强设备维护，确保设备完好。火灾爆炸事故能否发生，其中一条重要的因素是设备状况的好坏。设备状况好，运转周期长，不发生“跑冒滴漏”，就能避免或减少事故的发生。

4）加强通风排气，防止可燃气体积聚。有爆炸危险的生产岗位要充分利用自然通风，采用局部或全面的机械通风装置，及时将泄漏出来的可燃气体排出，防止积聚引起爆炸。

5）采用自动控制和安全防护装置。火灾爆炸危险性大的生产现场应设置可燃气体、有毒有害气体含量自动报警器，以便及时发现和消除险情。

6）使用惰性气体保护。向易燃易爆设备中加入惰性气体，可稀释可燃气体含量，使设备中的氧含量降到安全值，破坏其燃烧爆炸条件。

（2）阻止火灾蔓延措施 采取阻止火灾蔓延到盛装可燃气体的设备或生产系统中的各种措施，对于减少事故损失是非常重要的。常用的阻火设施主要有切断阀、止逆阀、安全水封、阻水器等。此外，设置防火门、防火墙、防火堤以及保持防火安全距离等，都是防止火灾蔓延扩大的措施。

（3）防爆泄压措施 工艺装置都必须设置防爆泄压设施，常用的泄压设施有安全阀、爆破片、防爆门、放空管等。有爆炸危险的厂房还应有足够的泄压面积。

（4）加强火源的控制和管理 企业中可能遇到的火源，除生产过程中本身具有的加热炉火，反应热、电火花等以外，还有维修用火、机械摩擦热、撞击火星等。这些火源经常是引起易燃易爆物着火爆炸的原因。控制这些火源的使用范围，严格用火管理。

（5）加强易燃易爆物质的管理 了解生产中所使用的原料、中间产品和成品的物理化学性质及其火灾爆炸危险程度，了解生产中所用物料的数量。

3.压力容器爆炸事故预防措施

（1）压力容器爆炸事故的危害 压力容器爆炸危害主要有两个方面：一是冲击波破坏作用，二是爆破碎片的破坏作用。

1）冲击波及其破坏作用。冲击波超压大于0.10MPa时，在其直接冲击下大部分人员会死亡：0.05～0.10MPa的超压可严重损伤人的内脏或引起死亡；0.03～0.05MPa的超压会损伤人的听觉器官或产生骨折；超压0.02～0.03MPa也可使人体受到轻微伤害。

2）爆破碎片的破坏作用。锅炉压力容器破裂爆炸时，具有较高速度或较大质量的碎片，在飞出过程中具有较大的动能，可以造成较大的危害。

碎片对人的伤害程度取决于其动能，碎片的动能正比于其质量及速度的平方。碎片在脱离壳体时常具有80～120m/s的初速度，即使飞离爆炸中心较远时也常有20～30m/s的速度，在此速度下，质量为1kg的碎片动能即可达200～450J，足可致人重伤或死亡。

（2）压力容器爆炸事故的预防措施 为防止压力容器发生爆炸，应采取下列措施。

1）在设计上应采用合理的结构，例如采用全焊透结构，能自由膨胀，避免应力集中及几何突变；针对设备使用工况，选用塑性、韧性较好的材料；强度计算及安全阀排量计算符合标准。

2）制造、修理、安装、改造时，加强焊接管理，提高焊接质量，并按规范要求进行热处理和无损检测；加强材料管理，避免采用有缺陷的材料或用错钢材和焊接材料。

3）在锅炉使用过程中，加强锅炉运行管理，保证安全附件和保护装置灵活、齐全；加强水质管理，防止产生腐蚀、结垢、相对碱度过高等现象；提高司炉工人素质，防止产生缺水，误判、误操作等现象。

4）在压力容器使用中，加强使用管理，避免操作失误，杜绝超温、超压、超负荷运行，防止失检、失修、安全装置失灵等现象。

5）加强检验工作，及时发现缺陷并采取有效措施。

（3）压力容器防爆装置应用范围

1）压力容器防爆装置应用于下列情况：①压力容器内的介质易于结晶、聚合或带有较多的粘性物质，容易堵塞安全阀，使安全阀的阀芯和阀座粘住。②压力容器内的压力由于化学反应或其他原因迅猛上升，安全阀难以及时排除过高的压力。③压力容器内介质为剧毒或有其他方面的因素，使安全阀难以达到防爆的要求。

爆破片厚度一般应由试验来确定，也可先按理论公式进行初步计算，然后作爆破压力试验。

2）压力容器爆破片排放面积可按气体、液体、饱和蒸气三种情况进行计算。

①气体。临界条件：亚临界条件：

式中 W_S——压力容器的安全泄放量（kg/h）；

A——爆破片的排放面积（mm²）；

p_B——爆破片设计爆破压力（绝压）（MPa）；

p₀——泄放侧压力（MPa）；

K——排放系数，与爆破片装置入口管道形状有关；

C——同前。

K值的选用如图3-45所示。

②液体。

式中 K——排放系数，一般K＝0.62；

△p——△p＝p_B－p₀（MPa）；

ρ——液体密度（kg/m³）；

其他符号含义同前。

③饱和蒸气。饱和蒸气中蒸气含量不小于98％，最大过热度为10℃。当p_B≤10MPa时：

式中符号含义同前。

当10MPa＜p_B≤22MPa时：

式中符号含义同前。

图3-45 K值选用图形

3）爆破片厚度：由具有爆破片装置制造许可证的单位负责计算确定。

（4）压力容器安全泄放量的计算

压力容器的安全泄放量可以按下列三种情况进行计算确定。

1）压缩气体或水蒸汽压力容器的安全泄放量按下式计算：

W_S＝2.83×10^－3×ρvd²

式中 W_S——压力容器的安全泄放量（kg/h）；

d——压力容器进口管的内径（mm）；

v——压力容器进口管内气体的流速（m/s）；

ρ——气体密度（kg/m³）。

2）液化气体压力容器的安全泄放量按下列要求计算。

①介质为易燃液化气或位于有可能发生火灾环境下工作的非易燃液化气。(www.chuimin.cn)

无绝热材料保温层的压力容器的安全泄放量计算公式：

有完善的绝热材料保温层的液化气体压力容器的安全泄放量计算公式：

式中 W_S——压力容器安全泄放量（kg/h）；

q——在泄放压力下液化气体的气化潜热（kJ/kg）；

F——系数，压力容器装在地面以下、用沙土覆盖时，取F＝0.3，压力容器在

地面上时，取F＝1，当设置大于10L/（m²·min）的喷淋装置时，取F＝0.6；

λ——常温下绝热材料的热导率（［kJ/（m·h·℃）］）；

δ——保温层厚度（m）；

t——泄放压力下的饱和温度（℃）；

A_r——压力容器受热面积（m²），半球形封头的卧式压力容器的A_r＝πD₀L，椭圆形封头的卧式压力容器的A_r＝πD₀（L＋0.3D₀），立式压力容器的A_r＝πD₀L′，球形压力容器的A_r为，或从地平面起到7.5m高以下所包括的外表面积，取两者中较大的值；

D₀——压力容器外径（m）；

L——压力容器总长（m）；

L′——压力容器内最高液位（m）。

②介质为非易燃液化气体的压力容器置于无火灾危险的环境下工作时，安全泄放量可根据有无保温层，分别参照式（3-1）、式（3-2）的计算结果确定，其值不低于计算值的30％。

3）由于化学反应使气体体积增大的压力容器，其安全泄放量应根据压力容器内化学反应所需时间或压力上升速度来确定。

（5）安全阀与爆破片装置组合使用的安全要求 安全阀是一种由进口静压开启的自动泄压阀门。当容器或系统内的压力超过预定的安全值，安全阀能依靠介质的压力排出一定数量的流体，当容器内的压力恢复正常后，阀门自行关闭，阻止介质继续排出。安全阀在一定范围内可以设定开启压力值。

爆破片又称为爆破膜或防爆膜，是一种非重闭式安全泄放装置。当容器或系统内的压力超过爆破片标定爆破压力时，爆破片会爆破而泄放出介质，以防止容器或系统内的压力过高发生爆炸事故。爆破片爆破后，需更换新爆破片。

在生产过程中有时需要安全阀与爆破片装置组合使用，来完成防爆泄压的功能。其具体要求是：

1）安全阀与爆破片装置并联组合时，爆破片的标定爆破压力不得超过容器的设计压力。安全阀的开启压力应略低于爆破片的标定爆破压力。这样，当容器压力升高到安全阀的开启压力时，安全阀首先开启泄压，如果容器压力继续升高，达到爆破片的标定爆破压力时，则爆破片爆破，大面积的泄压。

2）当安全阀进口和容器之间串联安装爆破片装置时，应满足下列条件：安全阀和爆破片装置组合的泄放能力应满足要求；爆破片破裂后的泄放面积应不小于安全阀进口面积，同时应保证使得爆破片破裂的碎片不影响安全阀的正常动作；爆破片装置与安全阀之间应装设压力表、旋塞、排气孔或报警指示器，以检查爆破片是否破裂或渗漏。

3）当安全阀出口侧串联安装爆破片装置时，应满足下列条件：容器内的介质应是洁净的，不含有胶着物质或阻塞物质；安全阀的泄放能力应满足要求；当安全阀与爆破片之间存在背压时，安全阀仍能在开启压力下准确开启；爆破片的泄放面积不得小于安全阀的进口面积；安全阀与爆破片装置之间应设置放空管或排污管，以防止该空间的压力累积。

（6）压力容器检修前的注意事项 压力容器检修前的注意事项有：

1）容器检验前，必须彻底切断容器与其他还有压力或气体的设备的连接管道。

2）容器内部的介质要全部排净。

4.做好事故预防与应急预案

（1）压力容器的应急停止运行 压力容器在运行中出现下列情况时，应立即停止运行：

1）容器的操作压力或壁温超过安全操作规程规定的极限值，而且采取措施仍无法控制，并有继续恶化的趋势。

2）容器的承压部件出现裂纹、鼓包变形、焊缝或可拆连接处泄漏等危及容器安全的情况。

3）安全装置全部失效，连接管件断裂，紧固件损坏等，难以保证安全操作。

4）操作岗位发生火灾，威胁到容器的安全操作。

5）高压容器的信号孔或警报孔泄漏。

（2）液化石油气储罐防止超温控制系统

【案例3-18】 某中小型液化石油气站的防止超温控制系统

中小型液化石油气站的储存设备一般采用卧式储罐。卧式储罐的设计容积一般为50～100m³，设计压力1.77MPa，设计温度50℃。GB 11174—1997《液化石油气》规定，液化石油气站（储配站）内储罐要设有夏季淋水或其他降温隔热措施，储罐壁温要求不超过50℃。实践中，液化石油气卧式储罐一般采用人工喷淋降温系统。这种人工喷淋降温系统需要人工观测储罐温度，要求操作人员有较强的责任心，劳动强度很大，应改为自动防止超温控制系统。

1）确定方案：液化石油气罐内液化石油气的温度决定了储罐所承受的压力。当储罐液化石油气的温度达到50℃时，储罐内的压力将达到1.77MPa，而这样高的压力将引起储罐过度变形，甚至发生爆裂，所以储罐的壁温不应超过50℃，当将达到50℃时应立即起动喷淋降温系统进行淋水降温。

2）防止超温控制系统。

①采用单回路温度控制系统对储罐壁温进行调控。储罐壁温单回路温度控制系统方框图如图3-46所示，具体控制过程为：由温度检测元件对储罐壁温进行检测，检测信号送至调节器，当储罐壁温达到50℃时，调节器起动水泵（执行器）抽水喷淋，储罐壁温逐渐降至50℃以下后，水泵停止工作，依此循环。

图3-46 液化石油气储罐温度控制系统原理图

②实际采用的是单回路温度控制系统和单回路温度超标报警系统，并列的控制系统如图3-47所示。图中所示为在罐区内安装的情况，两套系统分别接在不同的储罐上，如为单只储罐，两套系统可接在同只储罐上。防超温控制系统特点：一是当温度超标时，自动启动喷淋系统立即喷淋，同时进行发出报警信号，使值班人员立即采取应急措施；二是起到故障联锁双重保护作用。

图3-47 液化石油气储罐温度控制系统线路图

K₁、K2—继电器 KM₁、KM₂、KM—接触器 S、Q—开关 H—蜂鸣器 FU—熔断器

③系统元器件选用。温度测量元件的测温范围为－50～100℃，具体选用铜热电阻与温度变送一体化元件WZCB-141G型，分度号Cu50，热响应时间＜24s，隔爆等级iaIT6，输出4～20mA。选用PID调节器，具体为XM-806T型号。选用JSM8型延时继电器。

（3）低温液体贮槽的安全使用要求 低温液体贮槽是一种专门用于储存和供应低温液化气体（如液氮、液氧、液氩、液体二氧化碳等）的夹套式真空粉末绝热压力容器。

1）低温液体危险特性。

①低温液体在101.3kPa压力下的沸点：液氮为－196℃、液氧为－183℃、液氩为－186℃。当与人体接触时，会对皮肤、眼睛引起严重冻伤。

②低温液体接受周围环境高热或大量泄漏吸收周围能量，其体积会因迅速气化而膨胀。在0℃和101.3kPa压力下，1L低温液体气化后的气体体积：氮为674L、氧为800L、氩为780L。

③在低温液体贮槽周围环境中，低温液体泄漏气化后易形成富气区域。若氮、氩、二氧化碳浓度较大时，极易引起窒息伤害。另外，氧浓度较大时也会发生富氧伤害。

④氧是一种强助燃剂，具有极强氧化性。液氧与可燃物接近，遇明火极易引起燃烧；与可燃物接触，因震动、撞击等易产生爆震。

2）低温液体贮槽安全使用措施：

①低温液体贮槽作业人员应详细了解设备及其管阀系统结构特点，熟悉掌握低温液体危险特性，严格掌控周围环境状况，按低温液体贮槽安全操作程序进行作业。

②储存低温液体时，充装率不得大于0.95，严禁过量充装。低温液体贮槽投入使用前，应确保容器密闭状况良好，各种附件（包括阀门、仪表、安全装置）齐全有效、灵敏可靠，管路材质选用适当，系统内部干燥且无油污。

③在低温液体贮槽正常使用过程中，应有专人负责巡回检查，检查内容器压力不得超过贮槽的最高工作压力。

④定期检查低温液体贮槽夹套内的真空度，若真空度恶化，应采取补抽真空措施。

⑤低温液体贮槽属于国家强制安全监察的特种设备，被列入第三类压力容器，应按国家有关技术规范实施定期检验。贮槽安全附件也应定期进行检查，一般压力表、液位计、安全阀、爆破片装置等每年至少校验或更换一次。

【案例3-19】 江苏省特检院常州分院排除一起压力容器重大隐患

江苏省特种设备安全监督检验研究院常州分院金坛所对某化工股份有限公司的60余台压力容器进行定期检验。在对年产15万t氯气系统的检验过程中，发现系统安全阀开启压力设置高于该系统中4台压力容器的设计压力，实际造成压力容器超压运行，存在着重大安全隐患，一旦压力容器发生事故，造成氯气泄漏，将对附近工厂、居民产生灾难性的后果。检验人员现场立即开具特种设备检验意见书，告知企业，要求企业立即采取措施，限制系统压力，防范事故。检验人员配合企业人员进行调查，查明是建设过程中施工单位设备参数选择失误所致，企业马上对相关设备重新订制，使设备得到彻底改善，避免了一起重大安全隐患。

（5）【案例3-20】 氯气液化器泄漏原因分析

山东某化工公司的液氯生产装置在试车过程中发现氯气液化器泄漏，循环水池中的水变成了黄绿色。氯气进口端压力突降为零，出水管弯头部位漏水。

1）设备基本情况描述。

①氯气液化器技术参数见表3-70。

表3-70 氯气液化器技术参数表

②氯气液化器结构：氯气液化器为鞍座支撑卧式换热器，如图3-48所示。

图3-48 氯气液化器结构

1—尾气出口 2—安全阀口 3—冷却水出口 4—氯气进口 5—压力表口 6—液氯出口 7—冷却水进口 8—液氯出口

③现场基本状况：氯气液化器冷却水出口管弯头已经断裂，受冲刷较严重的一侧边缘断口减薄至零，受冲刷较轻一侧壁厚减薄严重，液化器进出水端管道已腐蚀，有较厚腐蚀层脱落，且在部分管头部位有黄色的结晶体，如图3-49所示，下管箱内有黄绿色积水，有两块铁块和大量的腐蚀产物沉积。氯气液化器进水段管道和氯气进口管道未见异常腐蚀情况。使用视频内窥镜检查氯气液化器换热管内表面，发现换热管最初断管部位在管板之外的管体部位。在靠近进水口管板之外多根换热管腐蚀断开，中间一根换热管最短，腐蚀量最大。其余换热管朝向该管的一面较背向该管的一面腐蚀严重，断口多呈椭圆形。据此推断，中间一根换热管为最初发生腐蚀泄漏的换热管。其余发生断裂的换热管是在该换热管发生泄漏后，氯气遇水生成的盐酸、次氯酸将周围换热管腐蚀减薄而断管。

图3-49 黄色结晶体

2）原因综合分析。

①制造单位对氯气液化器管板与管头连接角焊缝进行了渗透检测，对液化器管程、壳程进行了水压试验，对管程进行了气密性试验，试验结果均为合格。在氯气液化器安装就位后，进行了管程和壳程的水压试验及管程的气密性试验，试验结果为合格。试验完毕后进行了压缩空气吹扫。这说明该氯气液化器换热管腐蚀断管不是由管端泄漏引起的。

②在试车运行期间，未对氯气纯度、含水量、含氢量进行测试，氯气进口管道未发生明显腐蚀，表明氯气在进入氯气液化器前含水量不高，氯气液化器腐蚀断管不是由氯气含水量高造成的。

③正常生产情况下，即使氯气含水量为3300PPm时，碳钢的腐蚀速率也只有0.38mm/年。因此，只有换热管中存有水，才能导致试生产仅5天就发生换热管腐蚀断裂这种严重泄漏事故。在试车过程中，进入换热管中的氯气与换热管中的水反应生成盐酸、次氯酸，盐酸，次氯酸又与材料为20无缝钢管的换热管发生反应，强烈腐蚀换热管。化学反应式为：Cl₂＋H₂O＝HCl＋HClO，Fe＋2HCl＝FeCl₂＋H₂。

换热管在盐酸、次氯酸强烈腐蚀下，迅速减薄、穿孔，造成液氯的大量泄漏，并进入循环冷却水，生成更高浓度的盐酸、次氯酸，使周围换热管腐蚀、减薄、泄漏、腐蚀加剧。形成的盐酸、次氯酸在流出氯气液化器后，在弯头处流向改变，冲刷弯头部位管壁，使出水口管壁腐蚀、减薄、泄漏，最终导致整台氯气液化器报废。

3）结论

氯气液化器换热管内有残留水是造成氯气液化器严重腐蚀断管的直接原因。氯气和液氯是高度危害的化学介质，如有泄漏，其后果往往是严重的。建议在氯碱行业中，对于初次投入使用的氯气液化器，应在水压试验和气密性试验后，用压缩空气吹扫内部，彻底去除管程内部残留水分。