強化煤氣水封本質安全和檢修使用的探討

展之發，沈星，陳美齡

（中鋼集團武漢安全環保研究院有限公司，湖北武漢 430081）

前言

回顧近年國內鋼企典型煤氣水封事故，如2010年河北普陽鋼鐵“1·4”U 型水封擊穿重大煤氣中毒事故，2018 年貴州首鋼水城鋼鐵“1·31”U 型水封擊穿較大煤氣中毒事故和2018 年安徽馬鋼“7·17”V型水封未可靠隔斷一般煤氣中毒事故，其原因與水封本質安全和現有從業人員綜合安全意識和技能不足，尤其是封堵狀態下安全管控不到位直接相關。由此，筆者對照國家和行業煤氣安全標準，重點就鋼鐵企業U/V型水封兩種組合式隔斷裝置在本質安全保障和檢修使用方面的主要安全風險和管控措施進行梳理分析，同時提出完善建議。

1 水封組合式隔斷裝置的結構和工作原理

經查閱現行煤氣安全標準，水封組合式隔斷裝置包括關閉閥與水封組合以及水封與盲板組合兩種形式。僅就U/V 型煤氣水封單體而言，其主體結構和工作原理完全相同。U/V 型水封結構如圖1所示。

圖1 水封主體結構示意圖

主要由水封本體、給水管路、高低位溢流管路、下部排水器和水封頂部兩側放散管、取樣管等組成。其工作原理是：當需隔斷煤氣時，先關閉高低位溢流管之間的連接閥門，通過給水管向水封內部注水，當高位溢流管有水流出時，說明水封內部水位已經達到有效高度，此時關閉給水閥，并打開小流量旁通補水閥進行補水以確保封堵期間高位溢流管連續溢流。當水封需要保持通路時，關閉旁通補水管并打開高低位溢流管之間的連接閥門，即可將水封內部水排盡，從而形成通路[1]。

2 組合類型和安全要求分析

2.1 關閉閥與煤氣水封組合

2.1.1 水封安裝位置和安全要求

《工業企業煤氣安全規程》(GB6222-2005)是工業企業煤氣安全管理的現行基礎性標準。其7.2.3.1條規定，水封裝在其他隔斷裝置之后并用時，才是可靠的隔斷裝置。水封有效高度為煤氣計算壓力至少加500 mmH2O，并應定期檢查水封高度；7.2.3.2條規定，水封的給水管上應設給水封和止回閥；7.2.3.3 條規定，U 型水封兩側應安設放散管、吹刷用的進氣頭和取樣管[2]。

《鋼鐵企業煤氣儲存和輸配系統設計規范》（GB51128-2015）是鋼鐵企業煤氣儲存和輸配系統設計標準。其8.4.2 條規定，蝶閥、閘閥和球閥等單獨使用時不應作為隔斷裝置，應與U型水封、盲板閥或盲板等其中之一組合使用作為隔斷裝置；煤氣管道計算壓力大于0.05 MPa 時，其煤氣管道隔斷裝置應采用蝶閥、閘閥、球閥與盲板閥或盲板等其中之一組合的方式；8.4.10 條規定，煤氣管道水封的有效高度，應取煤氣計算壓力加5 kPa 與煤氣計算壓力1.2 倍的較大值，且不得小于20 kPa；10.2.5 條規定，煤氣管道及其附屬設備的安全措施，應符合現行國家標準GB6222的有關規定；煤氣水封給水管應設U型給水水封和逆止閥[3]。

《煤氣隔斷裝置安全技術規范》（AQ2048-2012）是煤氣領域行業安全標準。其5.2.3條規定，關閉閥應置于待隔斷煤氣設施、系統的煤氣壓力側；5.2.4條規定，煤氣水封有效高度應不低于計算壓力加500 mmH2O；5.2.6 條規定，煤氣水封的給水管應設置為U 型水封型式，其水封高度應不小于煤氣水封的有效高度；5.2.7 條規定，煤氣水封的底部應設排水口，排水應通過連接的煤氣排水器排出；5.2.8 條規定，溢流水管管底內壁與水封底部水平管道的管頂內壁的高差，應不小于煤氣水封的有效高度，溢流排水應通過煤氣排水器排出，并直觀可見；5.2.9條規定，煤氣水封應具有可靠的水位保持功能，并應設置有直觀的液位指示；5.2.14 條規定水封操作維護安全要求：a)在對煤氣水封充水前應確認關閉閥關閉到位；b)在充滿水出現溢流后，應關閉給水閥進行水位保持試驗；c)在“隔斷”期間，應經常檢查水封的水位必須保持正常；d)經常檢查確認煤氣排水器應處于正常運行狀態[4]。

分析以上標準條款可以得出：

（1）GB6222重點明確了水封在煤氣管線上的安裝位置，即應設置在其他隔斷裝置（筆者認為本處應理解為切斷裝置，如蝶閘球閥等）之后并用時才屬隔斷裝置，即應安裝在煤氣管道切斷裝置之后的非承壓側；同時為防止水封內部煤氣通過給水管路發生反竄，應設置給水封和止回閥（主要目的是雙重保障），但未明確給水封的水封高度和止回閥安裝位置要求。

（2）GB51128 是在GB6222 的基礎上有以下改進：

（a）結合近年水封事故，提升了水封有效高度設計要求，規定應取煤氣計算壓力加5 kPa 與煤氣計算壓力1.2倍的較大值，且不得小于20 kPa；

（b）強調煤氣管道計算壓力大于0.05 MPa 時，不應選擇蝶閘閥球閥與水封組合方式，其在條文說明中解釋，主要考慮水封組合方式在較高壓力情況下的安全保障性不如盲板閥及盲板組合方式可靠；

（c）10.2.5 條規定煤氣管道及其附屬設備的安全措施應符合現行GB6222 規定，也即認同水封應設置在煤氣管道切斷裝置之后的非承壓側，但是仍未明確水封給水管路U型水封高度和止回閥安裝位置要求。

（3）AQ2048是對GB6222規定的細化和完善。

（a）5.2.3 條與GB6222 保持一致，明確水封應設置在煤氣管道關閉閥之后的非承壓側。

（b）5.2.6 條規定水封給水管U 型水封有效高度不應低于煤氣水封有效高度，避免管線壓力異常發生反竄。

（c）5.2.7 條規定水封在通路時冷凝水應通過與水封低位連接的排水器排出，而5.2.8條規定水封在封堵狀態溢流水應通過排水器排出，筆者理解本處所指排水器可以是水封低位連接排水器（絕大部分鋼企的設置類型），也可以是單獨設置專門用于排出高位溢流水的排水器（首鋼遷鋼采用此種類型，即是消除了高低位溢流管之間的連接閥門泄漏風險）。

（d）5.2.9 條規定水封應具有水位保持功能，并應設直觀液位指示，本條目的是強化作業人員對水封封堵狀態下的水位狀態監控，確保內部水位處于安全高度，但實際情況是，國內鋼企設置直觀液位指示的寥寥無幾，目前僅寶鋼、沙鋼等零星鋼企，且僅是針對個別水封而非企業全范圍統一設置。

（e）5.2.14 條規定了水封封堵操作步驟，即在水封注水前應先行完全關閉水封之前的關閉閥，之后再向水封內部注水直至高位溢流（可以理解為先使用關閉閥，對待隔斷的設施或系統實施最大程度降壓，縮短水封注水時間，防止注水過程不因管線壓力異常發生擊穿），之后再關閉給水閥并打開旁通補水閥，以實現封堵狀態下的高位持續溢流。

2.1.2 水封安全管控風險分析

綜合近年水封事故引發原因，水封本質安全和現有從業人員的綜合安全意識和技能不足，尤其是封堵狀態下的安全管控不到位等現象，依然在行業范圍內具有一定程度的普遍性。以下就關閉閥與水封組合裝置在本質安全保障和規范使用過程存在的安全風險進行分析。

（1）單獨水封不能作為隔斷裝置，或是水封之前與水封組合使用的蝶閘球閥等切斷裝置在封堵狀態下關閉不嚴，一旦管線壓力超高，就有可能突破水封有效高度發生擊穿。首鋼水城鋼鐵“1·31”事故，即是因水封前蝶閥未關嚴（也可等效理解為水封直接承壓），在煤氣管網供應總量超過用戶消耗和剩余煤氣放散總量的情況下，大量煤氣通過蝶閥進入非承壓水封一側，最終造成水封在封堵狀態下（3000 mmH2O有效高度）發生擊穿。

（2）部分企業水封結構設計安裝不合理。一方面水封給水閥門未設旁通補水閥，以及逆止閥和給水管水封高度不合規。具體體現在：部分水封設計時僅設給水閥或設計了旁通補水閥但施工過程沒有安裝。此時，當水封注水至高位溢流后一般都是關閉給水閥，此時位于承壓側切斷裝置之前的煤氣管線可能因系統壓力波動，發生煤氣通過切斷裝置進入其與水封之間空間，并在壓力升高情況下逐漸壓迫并導致水封內部水排出，進而造成水封實際水位下降，當下降至極限水位時即有可能引發水封擊穿。另一方面，水封高低位溢流管通過閥門連接未實施物理斷開。此種設計除不便于直觀判斷溢流水是高位封堵狀態溢流還是低位正常溢流外，還可能因高低位溢流管之間連接閥泄漏或是關閉不嚴，造成水封內部水通過低位溢流管排出，最終引發水封擊穿。普陽鋼鐵“1·4”重大煤氣中毒事故的直接原因，即是未設置旁通補水閥并保持高位連續溢流，以及高低位溢流管之間連接閥漏水，造成封堵狀態下水封實際水位持續下降而擊穿。

（3）水封內部有效高度不便檢查或因管理不善造成水封堵狀態時的實際水位不達標。現階段，國內絕大部分鋼企未設置水封水位在線監測。也正因此，操作人員無法直觀判斷水封內部實際水位，一般都在封堵狀態時將水封注水至高位溢流，然后關閉給水閥并打開旁通閥確保高位連續溢流，這是規范和理想狀態。但即使如此，也始終無法避免因職工責任心不強出現水封未注水或注水未達到滿流情況發生。馬鋼“7·17”一般煤氣泄漏中毒事故即是典型案例。

（4）水封下部排水器水封高度不足。水封下部一般設置臥式排水器，其內部水封高度絕大部分選取管線設計壓力加500 mmH2O，尤其是轉爐煤氣回收風機房區域，排水器水封高度一般為1 000～1 200 mm H2O，不滿足GB51128 第8.1.11 條和《煤氣排水器安全技術規程》（AQ7012-2018）第4.1.2 條“排水器水封的有效高度應取煤氣計算壓力加500 mmH2O 與煤氣計算壓力1.2 倍的較大值，并不得小于30 kPa[3]”的最新規定，存在異常工況擊穿風險（如煤氣柜入口氧含量超標拒收的同時，三通閥未及時聯鎖放散引發管線憋壓擊穿）。此外，國內鋼企因排水器有效水封高度不足擊穿的典型案例，即是2015年山東濱州富凱不銹鋼公司“11·29”重大煤氣中毒事故（造成10 人死亡、7 人受傷）。其事故排水器有效水封高度僅1360 mmH2O。也正因此，在2015 年GB51128 和2018 年AQ7012 相關標準制定過程中提出了煤氣管道排水器有效水封高度不小于30 kPa的最新要求。

2.2 煤氣水封與盲板組合

2.2.1 水封安裝位置和安全要求

經對比多個煤氣安全標準，煤氣水封與盲板組合隔斷裝置僅在AQ2048 中唯一出現且是首次規定。同時AQ2048 規定的隔斷裝置，除前文關閉閥與水封組合外，還包括水封平行雙閘板隔斷閥及水封球閥、封閉式眼鏡閥以及關閉閥與敞開式盲板閥（眼鏡閥）組合另外三種。經多方了解，現階段國內采取這種組合方式的僅寶鋼寶山本部和湛江兩個基地，主要原因是寶鋼建設初期成套引進日本工藝即是這種組合。經過寶鋼多年實踐證明，煤氣水封加盲板組合在管控措施到位情況下安全可控，但用于長時間煤氣隔斷是否可靠，以及是否具有普遍意義，尚待進一步實踐和研究[5]。

經過梳理，AQ2048 第5.5.1 條規定，關閉閥或煤氣水封與盲板組合可作為煤氣隔斷裝置；5.5.4 條規定，煤氣水封應置于待隔斷煤氣設施、系統的壓力側[4]。由此筆者將其理解為：在此種組合中，煤氣水封可以等效于關閉閥并可置于煤氣管線隔斷裝置的承壓側。此外，AQ2048 規定的煤氣組合隔斷裝置，除關閉閥或煤氣水封與盲板組合外，還有關閉閥與敞開式盲板閥（眼鏡閥）組合。按前述分析，煤氣水封置于承壓側可以等效為關閉閥，理論上AQ2048 認可的關閉閥與敞開式盲板閥（眼鏡閥）組合，也可以等效擴展為關閉閥或煤氣水封與敞開式盲板閥（眼鏡閥）組合，主要依據是關閉閥或煤氣水封之后無論與盲板組合或與眼鏡閥組合，其抽堵盲板或是操作眼鏡閥的安全風險基本一致，但AQ2048 并未明確煤氣水封與敞開式盲板閥（眼鏡閥）組合屬于合規類型，也可理解為標準編制單位和標準審查專家組成員對這種組合方式不予認可的謹慎態度。此外，筆者近年服務相關鋼企時發現，無論是煤氣水封后與盲板組合或是與敞開式盲板閥組合，已有零星出現且呈擴大趨勢。

2.2.2 潛在安全風險分析

經對比前文條款，GB51128 或是AQ2048 規定的關閉閥與水封組合，都是對GB6222 關于水封組合裝置安全要求的細化和延申，沒有突破1986年第1 版GB6222 規定的水封應設置于蝶閘球閥等切斷裝置之后的基本原則。AQ2048 許可的煤氣水封與盲板組合明確規定水封應置于待隔斷煤氣設施系統的壓力側，與GB6222 基本原則剛好相反，同時目前個別企業已參照水封與盲板組合選擇水封與敞開式眼鏡閥組合實施煤氣隔斷。為此，筆者在本文第3.1.2節關閉閥與水封組合風險分析的基礎上，進一步分析水封與盲板組合的潛在安全風險。

（1）傳統設置于水封前的單一蝶閘球閥等切斷裝置，主要用于水封封堵前的管道泄壓，最大程度為其后水封注水、盲板抽堵和眼鏡閥操作提供安全條件，且主要風險僅包括接法蘭泄漏煤氣和切斷閥門密封性能下降。前者可以通過加強檢修維護質量得以保障，后者也可通過定期閥板沖洗或與系統定修同步實施更換予以解決。

但在現階段國內鋼企水封管控水平參差不齊，以及從業人員安全意識與技能整體偏弱的大背景下，將水封置于待隔斷設施及系統的承壓側，可能因現階段部分水封缺失旁通補水管而無法保持高位連續溢流和安全水位，或因缺失水位在線監測無法獲知水封內部水位、或因職工責任心差異造成水封注水不到位或未注水，以及因高低位溢流管連通閥維護不到位或是未完全關閉等因素相互疊加，共同造成處于承壓側水封“等效泄壓功能”的失效概率出現增加。尤其是當水封處于高位溢流情況下，因管線壓力異常波動，可能造成置于承壓側煤氣水封擊穿，以及由此衍生的，作業人員在不知情狀況下，操作設置于水封后的眼鏡閥或抽堵盲板等高風險作業，進而引發中毒甚至動火作業發生爆炸。此種情形，類似于2018 年韶關鋼鐵“2·5”煤氣中毒較大事故（8人死亡、10人受傷），其直接原因是眼鏡閥前關閉閥未關嚴情況下，直接帶壓打開眼鏡閥造成大量煤氣泄漏。

（2）水封與盲板組合操作方面。AQ2048 第5.5.7 條關于水封與盲板組合操作維護安全要求規定，a)隔斷順序：水封充水至溢流并保持水位→隔斷區域的煤氣用氮氣等惰性氣體置換合格→堵盲板；b)開啟順序：抽盲板→確認隔斷區域的空氣用氮氣等惰性氣體置換合格→排水使煤氣水封處于“通”狀態；c)煤氣水封的操作應遵循5.2.14 條的規定[4]。

經分析，上述操作是在無異常發生的前提下，但無異常是以水封給水管U型給水封和逆止閥規范設置，水封封堵期間注水至滿流并保持連續溢流，高低位溢流管之間閥門無泄漏以及水封承壓側無極端壓力波動等因素為共同前提，而這些異常正是現階段引發國內鋼企水封事故的重要因素。同時綜合GB6222、GB51128 和AQ2048 關于隔斷裝置定義，水封組合隔斷裝置不僅應具有系統無異常時煤氣不泄漏到被隔斷區域的功能，更應具有異常情況下煤氣不泄漏到被隔斷區域的保障功能。

（3）水封與盲板組合應急方面。AQ2048 第5.2.14 條關于水封操作維護安全要求a)款規定，在對煤氣水封充水前，應確認關閉閥關閉到位[4]。本規定既適用關閉閥和水封組合，也適用水封與盲板組合，但實際情況是水封與盲板組合中因水封前缺失關閉閥而無法實現，如此造成水封與盲板組合的正常隔斷煤氣的作業時間勢必延長，尤其是置于承壓側水封下部的排水器發生擊穿或是水封本體發生擊穿，以及在此情形下進行水封后進行盲板抽堵或是操作眼鏡閥期間發生卡板以及大量煤氣泄漏時的應急處置時間也會明顯延長，且遠大于傳統煤氣水封置于關閉閥之后的應急關閉或泄壓時間（絕大部分帶驅動蝶閘球閥關閉約在40 s 內完成）。當然，相關異常事件同時發生的概率較低，但不可否認其實際安全風險始終存在。

3 完善措施與建議

綜合前文分析，現階段我國鋼企應充分吸取歷年水封事故教訓，并在系統提升本企業煤氣水封本質安全的同時，持續加大煤氣水封規范操作的安全管控。對此，筆者提出如下措施與建議：

3.1 規范強化煤氣水封本質安全提升

應系統強化煤氣水封有效高度保障，嚴格按照GB51128規定，選取煤氣計算壓力加5 kPa與煤氣計算壓力1.2 倍的較大值，并不得小于20 kPa；水封給水管應設旁通補水管，水封封堵狀態下必須保證高位持續溢流；水封給水管應規范設置給水封和止回閥，其中給水封有效高度不應低于煤氣水封有效高度，逆止閥安裝位置應按注入水流動方向，設置在給水閥和旁通補水閥之后，以便檢修更換便利和切實防止煤氣通過給水閥門發生泄漏；水封高低位溢流管應分開設置（物理斷開），以防之間連接閥泄漏或關閉不嚴造成水封內部水位下降發生擊穿，具體可共用水封下部排水器，或分別就高低位溢流管單獨設置排水器；同時，排水器有效高度應執行GB51128 和AQ7012 規定，確保不小于30 kPa。此外，水封高位溢流管的頂部應與大氣相通、禁止封閉，防止發生虹吸。

3.2 加快完善水封液位指示與在線監測

應按AQ2048 規定，規范設置水封內部直觀液位指示裝置，如壓差式液位計、浮標式液位計并應具有清洗管頭和低水位聲光報警功能，同時低水位報警信號應引入24 h 有人值守的控制室，發現水位異常應及時補水，此外，水封給水閥門宜具備與低水位報警信號聯鎖的自動補水功能。

3.3 持續強化水封組合裝置安全保障意識規范操作

綜合以往水封事故教訓，建議在持續強化煤氣水封本質安全和完善在線監控設施的同時，針對關閉閥和水封組合裝置采取差異化措施提升安全保障水平。遇短時檢修（如8 h 以內，主要考慮交接班信息傳遞風險），可通過水封本質安全和水位在線監測及聯鎖補水予以保障；若檢修時間過長或需人員進入水封后被隔斷設施或系統內部時，建議在關閉閥和水封組合裝置后采取堵人工盲板或是關閉已有眼鏡閥的方式，強化安全保障水平。據了解，這種方式已在首鋼、武鋼、湘鋼、沙鋼等企業開始推行，且已得到國家安全主管部門和業內人士的一致認可。此外，筆者認為參與煤氣水封作業的現場操作和控制室人員屬于國家規定的從事煤氣輸送、維護檢修的作業人員，應當按規定取得煤氣特種作業人員證書，并持續強化煤氣作業安全意識和操作技能提升，確保規范操作。

4 結束語

綜上所述，國內鋼企應充分認識到煤氣水封在本質安全提升和規范操作環節的重要性和急迫性，尤其應充分認識到AQ2048 煤氣水封與盲板組合存在的潛在安全風險和現階段國內鋼企對于煤氣水封安全管控存在的諸多不足。

筆者認為，GB6222 關于“水封裝在其他隔斷裝置之后并用時才是可靠的隔斷裝置”的規定，自第1版實施已近35 年。站在現階段國內鋼企對于煤氣水封組合隔斷裝置，整體安全管控不規范以及受控程度不高的大背景下，應切實強化“煤氣水封應安裝在非承壓側基本規則”的規定延續，同時基于煤氣水封和盲板組合在現階段切實存在的各類安全風險，目前不宜在全國范圍廣泛推行，建議相關企業謹慎選擇，特別是部分鋼企將水封加盲板組合自主擴展為水封加眼鏡閥組合的情形，應當予以糾偏。此外，基于對新工藝適度許可的原則，建議相關標準管理機構及時跟進寶鋼在水封與盲板組合使用過程的切實經驗，不斷強化管控力度，進而為國內鋼企在水封本質安全和煤氣從業人員安全意識與技能達到一定水平并相對穩定后，再綜合研判水封與盲板組合甚至與敞開式眼鏡閥組合方式在全國范圍施行的可行性。