他山之石丨针对毒性介质，国外工程公司的安全设计理念是啥？

浅析化工装置中毒性介质的安全设计

罗　琼

（福陆（中国）工程建设有限公司，上海 201103）  

针对化工装置中存在的有毒介质，国外工程公司和企业尤为强调安全设计。在项目前期，工程公司会根据相关规定对介质毒性分类。再结合工艺装置特性、业主的安全要求以及国际上通用的理念和原则，通过制定工艺、管道、静/ 动设备、仪表、电气、采暖通风、土建等专业的设计规定，从根本上将工艺毒性介质泄漏的可能性降到最低，从而保证化工装置安全运行。  

1 国内相关标准规范（略）  

2 国外工程公司针对毒性介质的安全设计理念

2.1　工　艺

2.1.1　减少存储量

危险介质存储量越大，事故时造成的损失和影响范围就越大。在滿足生产平稳运行前提下，尽量缩短物料在设备内的停留时间，选用存液量少的分馏设备，从而减少有毒介质在生产过程中的总存量。对于存储有毒介质的大型设备底部、大排量泵、高温（≥自燃点）泵入口、功率>200 HP 压缩机进出口管线，均应考虑设置事故自动隔离阀，事故时紧急切断，以减少事故外泄量。

2.1.2　系统能 量隔离

基于介质的毒性等级，以及设备检维修的频次，结合操作人员的经验，制定适用于项目的能量隔离方案。通常而言，进出装置的有毒物料均应在边界处设置切断阀，并在装置侧安装“8”字盲板，避免装置火灾或停工检修时相互影响。处理有毒介质的设备，在装置运行中需要切断进行检修清理时，应设双阀隔离或单阀隔离加盲板。

2.1.3　吹扫和置换

开停工装置内设备和管道的吹扫和置换是为安全开停工及检修创造条件。吹扫不净，不完善的吹扫系统，不符合要求的吹扫介质会为事故留下隐患。固定吹扫系统应设有防止危险介质反串的措施。

2.1.4　密闭取样

为确保采样过程中对周边环境的近零排放，尽量避免设置手动取样点。若不可避免，宜选用密闭采样系统取样。采样过程中的采样装置不应有可视的液体泄漏，采样过程中的有毒气体浓度不得大于规定的职业卫生接触限值浓度。

2.1.5　密闭放空排液系统

放空口和排凝口是容易发生泄漏的部位。针对毒性介质，尤其是极度危害的介质，配管布置时应尽量减少高点放空、低点排凝的“死区”。若不可避免，需配置密闭放空排凝系统，送至相应的净化处理或回收装置。

2.1.6　安全泄压设施

遵循ASME 设计的容器均要求考虑安全泄压设施。对于极度危害的介质，建议通过提高设计的本质安全（例如提高最大允许工作压力），规避除了火灾以外的超压工况；安全阀和爆破片应组合使用，以降低有毒介质从安全阀外泄的可能性；适当考虑可靠的防火保温措施，减少火灾工况下的安全泄放量；或通过抬高设备安装位置，避免池火形成来规避火灾的可能性。

2.1.7　安全泄放降解装置

随着化工装置能力的日益扩大，事故工况下，安全泄放的有毒气体动辄会达到每小时百万立方米，所有有毒紧急排气需集中汇总到厂区紧急降解装置（如火炬或洗涤塔），经过净化处理达标后才能排放。若无适宜的降解系统，有毒气体仍需集中回收。可通过搭建扩散模型确定泄放总管的排放高度，以将泄放过程中对周边人员和环境的影响降到最低，并提高安全仪表等级来降低紧急泄放的概率。

2.2　管道及静设备

2.2.1　夹套设备及夹套管设置

对于不在封闭厂房内装有极度危害介质的设备和管道，应设外夹套，防止外泄的工艺物料扩散到周边操作环境中。夹套内设有一定流量的连续惰性吹扫气体，一旦发生泄漏，工艺物料随惰性气体送至全厂废气处理装置，降达标后就地排放。在惰性气体的排气管路上配置在线分析仪以便监测泄漏工艺介质的来源。

2.2.2　容器设计

设计容器时，内件应防止积液；容器内应避免物流死区，还应设置容器清洗通风设施。对需要进入容器内检维修的设备，需在立式容器顶部或卧式容器人孔的另一侧封头设置通风口，通风口的尺寸与设备容积成正比。

2.2.3　管口/ 管道尺寸

针对有毒介质，避免选用2"以下的设备管口及工艺管道（包括放空排凝管线）。通过增大尺寸、增加管口和管道强度，防止由外力作用引起的低周疲劳断裂；在满足水力学的前提下，优化管道尺寸，从而减少毒性介质在管道中的存储量。

2.2.4　换热器设计

换热管和管板是换热器壳程和管程之间的唯一屏障，也是换热器最容易引起工艺介质泄漏的部位。针对有毒介质，国外均采用密封焊，保证换热管与管板连接的密封性能；对于极度危害介质，不宜使用浮头式换热器；走管程的极度危害介质，需采用TEMA“B”或“N”型管箱；极度危害介质，不宜使用空冷器。

2.2.5　管　件

用于极度或高度危害毒性介质的支管管件，优先选用标准三通，其次为支管台或嵌入式支管。避免使用安放式接管；不宜采用补强圈作为补强措施；不宜选用螺纹或承插连接。危险介质管道应尽量避免使用波纹膨胀节解决管道应力问题。

2.2.6　法兰/ 垫片

对于极度危害介质，除必要的法兰连接外，应尽量采用焊接方式。若法兰连接不可避免，选用垫片时，应选择焊唇密封环。其余毒性介质垫片的密封性能应符合美国环保局或德国TA Luft接近空气法案规定的VDI 2440 检验方法。相较CL 150 法兰，CL 300 法兰的内孔和突面直径是相同的，但其螺栓孔数量以及螺栓孔直径都相应增加。因而，在满足温压的前提下，对于毒性介质，尤其是极度危害的工艺物质，至少选用等级CL 300 或以上的法兰，以此避免法兰在温压临界状态下使用。

2.2.7　阀门

密封极度危害介质的管道阀门，不得采用螺纹阀盖的阀门，高压阀门应选用压力密封结构或更好的密封结构。事故隔离阀采用软密封时应是防火型；对于毒性介质的阀门，都需遵循《工业阀门漏气测量、试验和鉴定程序》（ISO 15848）。

2.2.8　用于水压试验放空排凝接口

尽量减少用于水压试验的排气排水口。对于极度危害的介质，水压试验后需关闭放空排凝阀并焊死末端；毒性较弱的工艺介质，可选用盲法兰隔离阀门末端；不应设置用于水压试验的临时放空排凝接口。

2.2.9　检验及处理要求

用于盛装毒性为极度或高度危害介质的碳素钢和低合金钢制容器应进行焊后热处理。针对极度或高度危害介质的容器，所有焊缝应进行全部射线或超声检测；法兰接口和换热器管板连接处需要气密试验；焊接、法兰接口和换热器管板连接处需要氦检漏；需在最低金属设计温度下进行40 J 冲击功的冲击试验。

2.3 动设备

2.3.1　轴　封

以泵为例，轴封装置是设立于旋转的泵轴和静止的泵壳之间的密封装置，可以防止外泄漏，也可以防止空气吸入泵内。为了防止有毒介质的外泄，转动设备的轴封应采用带检测的串联密封（多级密封）或直接选用零泄漏设备（如屏蔽泵或磁力泵）。

2.3.2　测试检验

测试含有毒介质的设备壳体及其连接需遵循相关规定，例如，德国机械工程师协会VDMA关于离心泵的标准（VDMA 24276）。

2.4　仪　表

2.4.1　仪表系统与工艺介质分离

为了保护正常操作，仪表系统的保护需要将工艺介质与仪表系统隔离，使仪表系统适用于环境要求。如采用膜片密封方式将仪表与工艺介质隔离；采用隔离液方式将仪表及其测量管路与工艺介质隔离；含有毒介质的仪表管线应尽量靠近工艺管线及设备。

2.4.2　选用波纹管密封控制阀和安全阀

控制阀是通过阀杆提升改变阀芯和阀座的流通截面积来实现流体量的调节。阀杆的提升运动往往会导致工艺介质外泄。对于有毒性的流体不允许其泄漏时，就不能使用径向环缝的填料密封，必须使用金属波纹管密封来实现“零泄漏”的要求。

2.4.3　仪表选型

对于毒性介质，不宜配置视镜以及类似玻璃管液位计的玻璃监测元件；选择泄漏等级至少是Class V 的开关阀和Class IV 的控制阀；引压管不宜选用硬管；对于极度危害介质的控制阀，不宜考虑设置旁路。

2.5　土　建

对于有极度危害介质的工艺设备和管道，国外的通用做法是将其设置在封闭厂房内，从而降低设备或管道泄漏对于周边人员和装置的影响。如果把存储有毒介质的容器和管道认为是第一道物理保护层的话，封闭厂房的作用就是为了防止有毒介质扩散到外界的第二道物理保护层。相较普通厂房，封闭厂房在密封和安全疏散方面有特定的考量。例如，厂房大门必须向外开，尽量减少墙缝，厂房内微负压设计防止有毒气体外泄，严格控制操作人员进出，设置专用气体探头等等。

除了以上各专业通用的安全设计理念外，工程公司还会依据装置中工艺介质的特殊性，例如环境条件下的稳定性、与水反应的剧烈程度、对热或机械冲击的敏感性等，再具象化相应的设计要求。  

3 结语

对于有毒介质的化工装置，事故次生危险对生命财产和环境有强大的破坏力。为确保安全生产运行，需要从工程设计源头环节加以重视。相较国内设计院各专业从各级规范中寻找相应设计规定的做法，国外工程公司结合当地法规、业主要求和项目特殊性发展的项目设计规定更具针对性和实用性。建议国内有关部门针对不同毒性，尤其是极度危害和高度危害介质，制定一套完整全面的设计管理规定，从工艺、仪表、设备、管道、土建设计上采取措施，从设计源头防范于未然。

参考文献（略）