淺析空分冷箱泄漏的原因和對策

孫連杰

(淄博齊魯比歐西氣體有限責任公司，山東 淄博 臨淄 辛化路8號 255410)

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·工藝與設備·

淺析空分冷箱泄漏的原因和對策

孫連杰

(淄博齊魯比歐西氣體有限責任公司，山東 淄博 臨淄 辛化路8號 255410)

摘要:以齊魯比歐西KDO-45000/30000型空分現(xiàn)場為例，介紹了冷箱泄漏的原因，并從冷箱泄漏原因、泄漏風險、管線布置等方面進行了分析。采取裝置特護、控制冷箱密封氣壓力、氧含量、基礎溫度和冷箱帶壓開孔等相應對策和措施進行控制，并通過合理組織檢修消除泄漏點，達到了預期目的，對國內(nèi)同類空分裝置有很好的借鑒意義。

關(guān)鍵詞:空分現(xiàn)場；冷箱泄漏；風險控制；維持運行；消除漏點

1工藝流程簡介

淄博齊魯比歐西有限責任公司(簡稱BQG)KDON-45000/30000型空分裝置于2008年10月底完成整套空分試車，11月初開始試運行，至今已穩(wěn)定運行7年多時間。該裝置為連續(xù)性全提取式空分設備，采用分子篩吸附凈化、增壓透平膨脹機、全浸浴式主冷蒸發(fā)器、全精餾無氫制氬及液氧內(nèi)壓縮、氮氣外壓縮流程，空分冷箱由杭氧設計。KDON-45000/30000空分主要氣體和液體產(chǎn)品技術(shù)參數(shù)見表1。

表1　KDON-45000/30000空分裝置主要產(chǎn)品指標

2問題提出

1.現(xiàn)象1：2013年6月3日，例行分析冷箱夾層的密封氣含氧量時，發(fā)現(xiàn)主冷箱下部夾層氣含氧量60%(正常值20%以內(nèi))。6月23日升至75%，最高至77%，截止到11月初維持在77%左右。現(xiàn)象2：6月3日，現(xiàn)場檢查冷箱東南角靠近基礎部位冷箱板出現(xiàn)結(jié)霜、結(jié)冰現(xiàn)象(正常時冷箱基礎無結(jié)冰)，其外形尺寸約為：l·hmm：1000×300；至8月底，受環(huán)境溫度升高影響，結(jié)霜消失，有“出汗”現(xiàn)象；進入9月份，受環(huán)境溫度降低影響，冷箱基礎部位再次出現(xiàn)結(jié)霜，外形尺寸約為l·hmm：2000×300。現(xiàn)象3：6月3日，冷箱底部基礎溫度-8℃(正常值-4～-6℃)。7月30日降至最低點-30.5℃，采取冷箱底部通蒸氣管加熱措施后溫度開始回升，至-16℃左右維持穩(wěn)定。現(xiàn)象4：6月3日，冷箱下部夾層氣壓力850 Pa(正常值300～400 Pa)。采取部分安全閥蓋板微開卸壓措施后，維持在700～900 Pa。

2.泄漏點發(fā)展趨勢：2014年1月，冷箱東南角基礎部位結(jié)霜，隨環(huán)境溫度下降，有逐步擴展趨勢，外形尺寸約為：l·hmm：2600×300；冷箱南側(cè)亦有結(jié)霜現(xiàn)象。冷箱基礎溫度為-12.69℃，冷箱底部密封氣壓力為0.841 kPa，冷箱內(nèi)密封氣含氧量為76%。在此期間，在冷箱壁上不同位置開孔插入溫度計探頭和氧含量分析儀監(jiān)測各點的溫度和氧含量，測點位置如圖1，監(jiān)測數(shù)據(jù)如表2。

圖1　開孔監(jiān)測點位置

注：T6和T8點1500mm處溫度為2014年1月10日復測溫度3調(diào)查和原因分析

1.冷箱為什么會發(fā)生泄漏？泄漏的發(fā)生是由于熱運動及冷箱中的冰凍結(jié)在設計的膨脹循環(huán)管之外的結(jié)果。一些管線，尤其是分析管線特別容易產(chǎn)生泄漏。

2.大多數(shù)冷箱都或多或少有一些細微的泄漏，這種情況容易使人習以為常。對于大的泄漏：這些種類的泄漏可能導致嚴重的設備故障，所有的操作人員都應該清楚與泄漏有關(guān)的問題。重要的是也要認識到小的泄漏可能釀成大的事故。

3.冷箱是低溫精餾產(chǎn)出氧氮產(chǎn)品的核心，其中塔器林立，管道縱橫，高度達70 m，設備管道壓力從幾個kPa到8.5 MPa，管線直徑從DN1200至DN12不等，設備的工作溫度從常溫至-196℃。

4.冷箱內(nèi)設備多為高強度鋁合金5083，管線多為普通鋁合金5A02，鋁材導熱系數(shù)高，但強度相對較低，鋁合金的線膨脹系數(shù)一般為23.8*0.000001/℃，在金屬中是較大的。一條自冷箱底部引至頂部的液氮管線，從常溫降至-196℃，僅熱脹冷縮的長度就達到0.5 m之多；

5.冷箱內(nèi)部苛刻的工作條件，管線材質(zhì)和強度，管道補償和管架設計合理性，決定了冷箱是空分裝置的薄弱環(huán)節(jié)。其中儀表管線往往是冷箱中最薄弱的管環(huán)節(jié)，一般為Ф12×1的普通鋁合金，管線長、焊縫多、易受沖擊變形、斷裂，導致整個冷箱被迫扒砂檢修。

6.隨著煤化工的發(fā)展，氧氣需求量增大，且大型空分相對能耗降低，冷箱規(guī)模急劇增大，一旦造成事故，危害性大大增加。在快速發(fā)展過程中，設計還得不到充分的時間驗證完善，鑒于冷箱內(nèi)配管的局限性，本質(zhì)安全得不到確切保證。

4冷箱泄漏的風險

1.富氧：泄漏介質(zhì)是液氧或氣氧，會造成冷箱內(nèi)氧含量持續(xù)升高，極其危險。

2.低溫凍裂：低溫液體泄漏會導致冷箱基礎溫度下降，基礎凍壞、冷箱板凍裂。如果是液體泄漏，泄漏的液體可能通過珠光砂流到基礎上或一個相鄰的位置，甚至沿著垂直或水平管流至冷箱的其它地方。液體比氣體泄漏有更大的風險，液體可能流至支撐梁上，甚至會影響到冷箱結(jié)構(gòu)的完整性，這些泄漏必須要認真考慮。

3.污染和堵塞：珠光砂可能會從漏點部位進入管線、精餾塔、主冷及換熱器通道內(nèi)部。

4.超壓：泄漏的液體氣化或啟動時吹入熱空氣，會引起夾層超壓。

5.珠光砂沖刷：泄漏介質(zhì)流動夾帶珠光砂形成氣流擾動形成“氣鋸”，對附近設備管道造成沖刷和“氣割”。

6.儀表失真：若為儀表導壓管泄漏，漏量增大會造成儀表指示失真，危及裝置平穩(wěn)運行。

7.砂爆：液體漏量增大，大量氣化，冷箱內(nèi)壓力會升高，嚴重時有引起砂爆的可能。液體能在珠光砂內(nèi)形成“液池”。如果裝置停車后引進空氣加溫重啟，液體會快速蒸發(fā)，導致冷箱被破壞。

5維持運行的措施和對策

1.BQG冷箱珠光砂填裝量11000 m3多，扒砂檢修時間長，且冷箱基礎溫度、夾層氣含氧量和壓力能夠維持，制定了加強監(jiān)控，維持運行的策略，對冷箱實施特護方案，現(xiàn)場每2 h監(jiān)測一次冷箱的壓力、結(jié)霜、變形等情況，冷箱夾層氣壓力突變100 Pa時，基礎溫度突降10℃時通知裝置主管，并增加動態(tài)報警點。

2.在確保冷箱夾層氣壓力不升的前提下，對冷箱底部結(jié)冰凍堵的通風孔使用蒸氣伴熱管逐漸將其疏通，并保持通風孔暢通。

3.中控每2 h記錄一次冷箱基礎溫度、塔內(nèi)壓力及冷箱夾層壓力 ，嚴格控制冷箱夾層壓力900 Pa以內(nèi)，防止冷箱安全閥起跳出現(xiàn)噴砂。

4.將冷箱密封氣改為氮氣，盡量降低夾層氣含氧量，并控制好冷箱各個進入口的氮氣量在10 Nm3/h以上，防止冷箱出現(xiàn)負壓吸入潮濕空氣。

5.增加冷箱分析點氧含量分析頻率，由原先的1次/季度改為分析2次/d。

6.對冷箱的呼吸閥進行定期校驗檢查，同時在做好防雨措施的前提下，根據(jù)需要對冷箱呼吸閥、人孔適當開口以便冷箱泄壓及置換。目前打開卸壓孔共6處：主冷箱東側(cè)35 m處微開1個安全閥蓋板；主冷箱北側(cè)18 m處微開1個安全閥蓋板；主冷箱西側(cè)18 m處微開1個安全閥蓋板；低壓板式換熱器頂部微開2個安全閥蓋板；高壓板式換熱器與主冷箱過橋處微開1個人孔。

7.為防止靜電、明火等引起爆燃，切斷冷箱壁一切電源，包括冷箱內(nèi)液位計使用的電加熱器，在冷箱10 m范圍禁止動火作業(yè)，并拉警戒線以告知。

8.針對儀表失真制定應對措施，制定了液空調(diào)節(jié)閥、粗氬Ⅱ底部液位等調(diào)節(jié)閥波動處理方案。

9.操作人員巡檢時必須兩人一組，巡查冷箱四周有無異常情況，巡檢時需佩戴氧含量報警儀。

10.如空分裝置停車發(fā)現(xiàn)有液體泄漏時，要停止冷箱內(nèi)供密封氮氣，防止液體快速蒸發(fā)，冷箱內(nèi)壓力上升，引起砂爆。

11.如空分裝置停車，要嚴格控制塔內(nèi)壓力及冷箱內(nèi)壓力，要求塔內(nèi)壓力大于冷箱內(nèi)壓力10 kPa，避免珠光砂漏入塔內(nèi)。迅速排放主冷液位，將液體安全排至排液蒸發(fā)器。

12.出現(xiàn)下列情況停車：有液體大量泄漏或主冷箱內(nèi)基礎溫度持續(xù)降低；現(xiàn)場檢查冷箱壁有凍裂、基礎損毀等現(xiàn)象；冷箱夾層內(nèi)氧含量大幅上漲；冷箱夾層壓力持續(xù)上升；當冷箱發(fā)生較大泄漏，危急人員或設備安全的重大、異常工藝變化：例如發(fā)現(xiàn)上塔壓力、下塔壓力、冷箱密封氣壓力發(fā)生突變、冷箱噴砂、冒出低溫蒸汽云應緊急停空壓機。

13.制定冷箱泄漏緊急處置預案并培訓至每一位操作員工。工藝應急處置要點：

1)及時切斷進塔空氣防止泄漏持續(xù)擴大造成冷箱破裂及砂爆事故。在確認大量液體泄漏的情況下要及時關(guān)閉冷箱夾層密封氣總閥，防止加劇液體汽化冷箱超壓。

2)空分裝置停車后，通過冷箱各放空閥緊急泄壓，但是要嚴格保證塔內(nèi)壓力大于冷箱夾層內(nèi)壓力，要求塔內(nèi)壓力大于冷箱夾層內(nèi)壓力10 kPa，避免珠光砂反向漏入塔內(nèi)。

3)迅速排放塔內(nèi)液體，現(xiàn)場無法進入時開啟工藝氧泵出口自動排液閥，將液體安全排放到排液蒸發(fā)器。

4)冷箱泄漏時必須確認現(xiàn)場不會造成人身傷害才可以進入冷箱周圍進行處置。

14.在確保裝置正常運行的前提下，通過紅外線成像儀檢測冷箱上整體的溫度分布情況；并嘗試在冷箱上開孔，通過插入熱電阻和取樣分析氧含量的方式，判斷冷箱內(nèi)泄漏點的具體位置，找到具體位置后，在確保安全的前提下探索實施不停車堵漏方案。

6冷箱檢修徹底消除泄漏點

1.在冷箱堅持帶病運行接近21個月之后，2015年3月4日，該空分裝置開始停車檢修，于4月10日14：45實現(xiàn)一次開車成功，總共歷時37d，圓滿完成冷箱檢修任務，創(chuàng)造了國內(nèi)相同規(guī)模空分檢修時間最短的先例。3月4日12：00裝置停車；3月8日9:40冷箱扒砂開始；3月19日16:00冷箱扒砂完成；3月20日冷箱內(nèi)水沖洗，掃砂；3月21日開始搭設腳手架；3月25日13:30冷箱開始充壓初次查漏，16:00腳手架搭設完畢；3月26日冷箱施工改造全面鋪開；3月29日冷箱施工改造完成開始查漏；3月31日冷箱內(nèi)查漏完成，開始拆腳手架；4月3日拆腳手架完成，10：00開始裝砂；4月7日冷箱裝砂完成。4月10日14:45主裝置高壓氧合格外供。

表3冷箱內(nèi)泄漏點一覽表

Table 3List of leak in the cold box

2.冷箱檢修過程中共查漏、消漏16處，其中最關(guān)鍵一處漏點為冷箱49 m高度處液空氣液分離器底部排液管根部焊縫裂開(DN20)，判斷此漏點為冷箱泄漏的主要漏點(冷箱內(nèi)泄漏點情況見表3)；同時冷箱內(nèi)部更換低溫熱電阻芯42只、低溫電纜1351 m，儀表導壓管/分析管根部保護改造105處，儀表管的碳鋼支架改為不銹鋼支架36個，重要管線三通處增加加強筋13處；修復損壞變形的工藝管線6處，去除排液管線3處；去除多余塔體分析取樣點10處，完成了冷箱內(nèi)部管線改造任務。

3.根據(jù)扒砂前期冷箱出現(xiàn)的現(xiàn)象、監(jiān)測的數(shù)據(jù)、扒砂后冷箱內(nèi)管道泄漏點的泄漏狀態(tài)和位置，可以得出結(jié)論引起冷箱出現(xiàn)冷箱密封氣內(nèi)含氧量高、冷箱密封氣超壓、冷箱基礎溫度低的直接原因是WNL-12-Φ25*2.5-AL管道泄漏引起(見圖2)。

圖2　WNL-12-Φ25*2.5-AL管道泄漏情況

1)冷箱經(jīng)過長期運行，珠光砂已經(jīng)粉末化，冷箱上的橡皮閥門套老化，冷箱密封性變差，在冷箱經(jīng)歷多次開停車后，冷箱內(nèi)珠光砂的含水量已經(jīng)比較高，使冷箱內(nèi)大部分珠光砂結(jié)成了冰塊，在冷箱加溫過程中，冰塊并不會被加溫融化，冰塊的重壓阻礙了冷箱內(nèi)管道正常伸縮，小管道由于位于大管道上方且與上塔直接相連，在加溫過程中珠光砂阻礙了大管道的伸縮，大管道下方的小管道正常伸縮時撞上了大管道，致使該三通根部與上方大管道擠壓變形，出現(xiàn)裂紋。

2)管道壓裂后，三通裂口朝向上塔，管道內(nèi)的富氧液空噴向上塔，富氧液空漸漸在冷箱內(nèi)沿塔壁流向基礎，富氧液空中的氮則蒸發(fā)。隨著時間的推移，珠光砂在裂口位置的摩擦使裂口變的越來越薄、裂口隨之擴大。這是冷箱夾層氣內(nèi)氧含量升高的根本原因。

7實施效果檢驗

1.從2013年6月發(fā)現(xiàn)冷箱泄漏至2015年3月空分停車檢修，冷箱堅持帶病運行接近21月之久，且冷箱基礎溫度、夾層氣含氧量和夾層氣壓力得到了較好地控制，滿足了客戶的供氣需求，這說明采取的維持運行的措施是有效的。同時該公司做好了冷箱泄漏加重導致突然停車和等待時間窗口計劃檢修的相關(guān)方案，如冷箱扒砂檢修方案，冷箱檢修氣密查漏方案、冷箱檢修腳手架搭設方案、冷箱內(nèi)儀表取壓管線改造方案和冷箱檢修期間氧氮氣供應方案等。

2.通過冷箱檢修，徹底消除了冷箱泄漏影響裝置穩(wěn)定運行的隱患。從目前冷箱運行的數(shù)據(jù)看，冷箱東南角結(jié)冰消失，冷箱上打開的卸壓孔全部關(guān)閉，夾層氣壓力恢復正常值，夾層氣含氧量由80%降至0.2%。

太陽能分解水制氫取得新進展

近日，中國科學院大連化學物理研究所在太陽能光電催化分解水制氫研究方面取得新進展。這一研究成果拓展了空穴儲存層的應用，形成理性設計高效光電極的新策略和新思路，為實現(xiàn)高效太陽燃料制備提供重要的研究基礎。

半導體材料Ta3N5由于其能帶結(jié)構(gòu)符合熱力學分解水的基本要求，且具有寬光譜響應性質(zhì)，是當前太陽能分解水制氫領(lǐng)域研究的熱點材料之一。但這個材料易受光腐蝕，光電流起始電位偏正且其光電流偏低，嚴重制約其光電催化性能的提高。研究人員在以Ta3N5為基礎的高效半導體光陽極的設計構(gòu)建研究中，利用空穴儲存層(HSL)和電子阻擋層進行界面修飾，并結(jié)合表面分子助催化劑，所構(gòu)建的復合光陽極體系在基準水分解電位(1.23V)下獲得了接近其理論極限的光電流(12.9 mA/cm2)。這是目前國際最高的光電流。

Analysis of Air Separation Cold Box Leakage Causes and Countermeasure

SUN Lianjie

(Zibo Qilu BOC Gas Co.,Ltd., Zibo 255410,China)

Abstract:With Qilu BOC Model KDON-45000/30000 air separation as an example,introduced the reasons of cold box leak, and analysed from cold box leak reasons, and leak risk, and pipeline layout. Take device intensive care, and control seal gas pressure of cold box, and oxygen content, and based temperature and cold box with pressure open hole, corresponding countermeasures and measures for control, and through reasonable organization maintenance elimination leak points, reached has expected purpose, on domestic similar air separation plant has is good of reference meaning.

Key words:site air separation; cold box leakage risk control; keep running

作者簡介：

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.01.004

中圖分類號：TB657.7

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7804(2016)01-0011-05

收稿日期：2015-11-02