超级石化推荐：硫磺回收装置氢气和氧气管道安全若干问题探析！

活动信息：中国化工学会在中国石化、 中国石油、 中国海油、 中国中化、 中国化工、 国家能源集团和延长石油以及地方炼油、 煤化工、 化工企业设备管理部门的大力支持下，拟定于 2021 年 5 月 12～14 号召开“2021 年（第二届）中国石油化工设备检维修技术大会” 。 大会将为石油化工设备管理管理人员与设备制造、 检维修技术服务企业提供切实有效的交流平台，带来管理创新和实体技术的研发与应用条例。如有意向宣讲展示参会请联系超级石化。（会议规模400-600人）

活动信息：中国石油和石化工程研究会组织中石油/中石化/中海油/中化/中国航空油料集团定于 2021 年 4 月 14～ 16号在山东青岛举办“2021 年中国石油化工行业仓储物流技术创新大会”。石油、化工、天然气、易爆品、剧毒品等危险品行业的物流、运输、 仓储企业负责人， 就目前石油和化工仓储物流行业向规模化、 专业化、 集约化、 智能化的方向发展进行研讨和交流。如有意向宣讲展示参会请联系超级石化。

活动信息：中国化工学会组织中石油/中石化/中海油/中化/神华煤制油化工公司定于2021年3月22-24日在宁波举办“2021（第五届） 国际烯烃及聚烯烃大会"。将以“烯烃及聚烯烃产业链:新时代、 新挑战、 新发展为主题”， 持续聚焦三大重点领域的创新发展——“烯烃和聚烯烃原料和工艺技术” 、 “聚烯烃制备和催化剂技术” 以及“聚烯烃产品和应用” ， 深入探究产业发展新方向、 技术突破新思路。如有意向宣讲展示参会请联系超级石化。

超级石化主要内容：氢气的火灾危险性为甲类，氧气的火灾危险性为乙类。硫磺回收装置属于甲类火灾危险装置，既有火灾、爆炸危险性，又易发生硫化氢中毒事故(事件)。氢气易燃易爆，氧气具有助燃性和氧化性，富氧CLAUS工艺引入氧气后增加了硫磺回收装置火灾和爆炸的风险。氢气和氧气管道的工艺设计要控制适宜的流速，管道、阀门的设计要合理选材(型)，设备平面布置和管道设计要严格执行GB 50160—2008《石油化工企业设计防火标准》(2018年版)的相关要求。富氧CLAUS工艺采用富氧空气(氧的体积分数大于23.5%)管道，可参照执行JB/T 5902—2015《空气分离设备用氧气管道 技术条件》。氢气管道的防雷接地最大冲击电阻为10 Ω，防静电最大接地电阻为10 Ω，氧气管道的防静电最大接地电阻为10 Ω。

关键词：硫磺回收 工艺管道 氢气 富氧CLAUS工艺 氧气 标准 流速

硫磺回收装置工艺过程涉及氢气介质，CLAUS尾气中含有二氧化硫、硫化氢和有机硫等硫化物。在加氢反应器中，通过加氢催化剂的作用，将CLAUS尾气中的二氧化硫还原生成硫化氢，大部分有机硫也水解生成硫化氢。富氧CLAUS工艺引入氧气后增加了硫磺回收装置火灾和爆炸的风险。

根据GB 50016—2014《建筑设计防火规范》(2018年版)第3.1.3条规定，氢气(爆炸极限小于10%的气体)的火灾危险性为甲类，氧气的火灾危险性为乙类。硫磺回收装置属于甲类火灾危险装置，既有火灾、爆炸危险性，又易发生硫化氢中毒事故(事件)。因此在工程设计时，应高度重视氢气和氧气管道的安全设计。

1 氢 气

氢气易泄漏，易燃易爆，发生火灾或爆炸的风险高，还会改变金属及合金的机械性能导致金属脆化。氢气易燃性级别为4级，闪点小于-50 ℃；易爆性级别为1级，爆炸极限为4.0%～75.6%；燃烧热为241.0 kJ/mol，最小点火能为0.019 mJ。

1.1 典型案例

(1)氢气案例一：2005年8月,在某制药厂甲醇裂解气尾气制氢充装站内压缩机至产品气中间罐的氢气管道上，1个异径三通管件在正常运转参数下破裂泄漏[1]。

(2)氢气案例二：某石化公司芳烃装置在开工投料时，发生了1起氢气管线泄漏事件，由于发现及时才避免了起火爆炸事故的发生[2]。

(3)氢气案例三：1992年，比利时发生1起脱硫装置工艺气泄漏事故，温度为300 ℃，压力为5.0 MPa，含有80.0%(体积分数，下同)氢气、14.0%甲烷、1.8%硫化氢和C2，C3和C4的混合气体，从管道的弯管处泄漏出来，与空气接触后发生爆炸[3]。

1.2 经验总结

(1)氢分子易与金属反应致使金属管道失效，主要包括氢脆、氢致开裂、氢鼓泡、脱碳及氢腐蚀。当温度低于95 ℃时易发生氢脆现象，当温度在95～230 ℃之间时氢脆现象随着温度升高而减缓，当温度大于230 ℃时氢脆现象消失，钢材强度越高越容易引发氢脆现象。

(2)为防止氢气管道因回火而引起爆炸，应在必要位置设置氢气阻火器[4]。氢气管道应采用无缝金属管道，采用焊接或其他有效防止漏气的连接方式。

(3)焊接热影响区对氢气管道的敏化作用是导致应力腐蚀断裂的重要原因之一,建议氢气管道在焊接后进行固溶处理以消除其敏化作用[5]。

1.3 标准要求

(1)GB 50160—2008《石油化工企业设计防火标准》(2018年版)第7.4.2条规定，氢气管道不宜埋地敷设；第7.4.3条规定，天然气和氢气厂际管道的壁厚计算，应按现行国家标准GB 50251—2015《输气管道工程设计规范》的有关规定执行。当厂际管道经过本标准4.5.8中的相邻设施时，管道的设计壁厚不应小于计算厚度的1.2倍。

(2)GB 50177—2005《氢气站设计规范》第12.0.1条规定，碳素钢管中氢气最大流速应符合规定的要求(见表1)；第12.0.11条第3款规定，与其他架空管线之间的最小净距，宜按本规范附录B(厂区、氢气站及车间架空氢气管道与其他架空管线之间的最小净距，见表2)的规定执行。

(3)GB 16912—2008《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》中关于各类设施防雷防静电最大接地电阻的规定(本规程，表4)：架空氢气管道的防雷接地最大冲击电阻为10 Ω，防静电最大接地电阻为10 Ω。

表1 氢气及氧气管道允许最大流速

注：管道允许最大流速按最低压力、最高工作温度计算；GB 50177—2005(氢气)所对应的压力是指设计压力，JB/T 5902—2015(氧气)所对应的压力是指工作压力,其中pv=p×v,p为工作压力，v为管道允许最大流速。

表2 厂区及车间架空氢气及氧气管道与其他架空管线之间的最小净距

2 氧 气

氧气虽为不燃气体，但具有很强的助燃性，特别是与可燃性粉尘、气体(或蒸气)、液滴等混合达到爆炸极限且有点火源的条件下会发生剧烈氧化反应并引发爆炸事故(事件)。

2.1 典型案例

(1)氧气案例一：2008年2月22日上午9时,某大型钢铁公司新建炼钢厂2号300 t转炉氧气调压室的氧气调节阀及上游的氧气过滤器和管道发生燃烧爆炸[6]。

(2)氧气案例二：2008年3月27日22时左右,某钢铁公司氧气厂在氧气管 随主体厂配套改造后,向用户送氧时发生1起氧气阀门(DN300球阀)及管道燃爆事故[6]49-50。

2.2 经验总结

(1)氧气具有极强的氧化性，可助燃，管壁产生的静电也可能成为燃烧源[7]。

(2)氧气管道内介质流速选取要合适，氧气管道的阀门要选择专用的氧气阀门。当工作压力大于0.1 MPa时，严禁采用闸阀; 公称压力大于或等于0.1 MPa且公称直径大于或等于150 mm的手动氧气阀门，宜选用带旁通的阀门[8]。

(3)氧气管道、管件、阀门等清洁度应满足: ①安装前，管道、管件、阀门等内壁必须经严格检查，保证其内表面光滑清洁，无毛刺、焊瘤、焊渣、黏砂、铁锈和其他杂物遗留在管内；②为防止运输过程中的二次污染，按照相关资料要求，氧气管道、阀门、管件、仪表、垫片及其他附件在安装前必须进行检查，若不合格需再次进行脱脂处理[9]。

(4)硫磺回收装置界区阀应设置快速切断阀，快速切断阀的关闭时间应设置为30～60 s[10]。

2.3 标准要求

(1)GB 50160—2008《石油化工企业设计防火标准》(2018年版)第7.2.6条规定，氧气管道与可燃气体、液化烃和可燃液体的管道共架敷设时应布置在一侧，且平行布置时净距不应小于500 mm，交叉布置时净距不应小于250 mm。氧气管道与可燃气体、液化烃和可燃液体管道之间宜用公用工程管道隔开。

(2)JB/T 5902—2015《空气分离设备用氧气管道技术条件》第3.3.2条规定，常温下碳钢管道和奥氏体不锈钢管道的允许最大流速按表1执行。

(3)GB 50030—2013《氧气站设计规范》第11.0.2条第5款规定，厂区管道架空敷设时，氧气管道与其他气体、液体管道共架敷设时，宜布置在其他管道外侧，并宜布置在燃油管道的上面。各种管线之间的最小净距应符合本规范附录C(厂区及车间架空氧气管道与其他架空管线之间的最小净距，见表2)的规定；根据第11.0.4条第5款规定，车间内氧气管道的敷设也应满足第11.0.2条规定第5款规定要求。根据GB 16912—2008《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》第8.1.10条规定，架空氧气管道与其他管线之间最小间距要求应按表2执行。GB 50030—2013与GB 16912—2008对架空氧气管道与其他架空管线之间的最小净距要求基本一致。

(4)GB 16912—2008《深度冷冻法生产氧气及相关气体安全技术规程》中关于各类设施防雷防静电最大接地电阻规定(本规程，表4)：室外架空氧气管道的防静电最大接地电阻为10 Ω。

(5)HG 20202—2014《脱脂工程施工及验收规范》第3.0.4条规定，脱脂剂应按设计规定选用。当设计无规定时，施工单位应根据脱脂件的材质、结构、污染程度、现场条件、工艺介质和因沾污油脂而造成的危险或危害程度按本规范表 3.0.4-1 的规定选择相应的脱脂剂，按本规范表3.0.4-2的规定选择相应的施工方法。第5.0.4条规定，公称直径大于等于DN500的管段和组成件应采用喷淋法。喷淋时应从管段两端同时进行。操作时应在管段和组成件的端口处设置器皿。第5.0.5条规定，小于DN500的管段应采用槽浸法，小口径并有弯管的管段和组成件浸泡时，弯管处内部不应有气室。浸泡时间宜为0.5～1.5 h。

3 结束语

硫磺回收装置是典型的炼油工艺装置，既是重要的环保设施，也是重要的安全设施。硫磺回收装置除涉及氢气介质，还可能涉及氧气介质。氢气易燃易爆，氧气具有助燃性和氧化性，从工艺设计到管道设计都应高度重视安全问题。

(1)氢气和氧气管道设计安全问题的主要事项较多，氢气管道爆炸事故时有发生，氧气管道爆炸事故比较频繁，从设计、施工和生产运维等方面都应该高度重视，严格执行相关的标准规范。

(2)氢气和氧气管道的工艺设计要控制适宜的流速，管道、阀门的设计要合理选材(型)，设备平面管道设计要严格执行GB 50160—2008《石油化工企业设计防火标准》(2018年版)的相关要求，特别要注意氢气管道、氧气管道与其他架空管线之间的最小净距要求。

(3)深入了解相关的氢气和氧气爆炸事故(事件)案例，吸取安全事故教训，了解相关工艺装置(单元)开车及生产运行中暴露出的安全问题和现场对原设计的修改情况，增设相关控制措施，不断提高氢气和氧气管道设计的安全可靠性。

(4)硫磺回收装置采用富氧CLAUS工艺时，应充分考虑安全性。富氧空气(氧的体积分数大于23.5%)管道，可参照执行JB/T 5902—2015《空气分离设备用氧气管道 技术条件》。

(5)氢气管道的防雷接地最大冲击电阻为10 Ω，防静电最大接地电阻为10 Ω，氧气管道的防静电最大接地电阻为10 Ω。