液氨長輸管道安全運行過程探討

(貴州開陽化工有限公司，貴州 貴陽 550306)

貴州開陽化工有限公司50萬t/a合成氨項目是開磷集團大磷肥裝置的配套項目，所生產的合成氨主要用于開磷集團的磷肥生產。項目于2013年1月建成投產，產品包括50萬t/a合成氨、8萬t/a硫酸銨以及硫磺、液氧、液氮、液氬等，產品液氨通過地下管道輸送到開磷集團大水工業園區磷銨廠內液氨球罐，兩企業間直線距離6 km，輸氨管道實際長10.98 km。

1 液氨管道流程

該輸氨管道是將貴州開陽化工有限公司液氨球罐內的液氨，經液氨泵加壓到約2.75 MPa(g)，計量后經10.98 km長的管道送至開磷集團大水工業園開磷集團磷銨廠，經兩級壓力調節后，進入磷銨廠液氨球罐內，氨罐工作壓力約為1.2 MPa(g)。按年輸送時間8 000 h計，平均每天輸送量為1 500 t，每小時輸送量為62.5 t，年輸送能力為50萬t，輸氨管道材質為16Mn無縫鋼管，公稱直徑DN200，管道流速0.9 m/s。

為了維護輸氨管道的安全運行及方便日常巡線工作，整條輸氨管道共設置4個閥站，首站設在開陽化工有限公司液氨儲罐區，負責輸氨泵操作及輸氨量調節，2個中間閥站分別設在液氨輸送管道沿途的2個高點，主要負責閥站內閥門操作及沿途管道巡線工作，末端閥站設置在開磷集團大水工業園開磷集團磷銨廠液氨儲罐區，負責液氨的接收工作。

考慮到管道的搶修和維修，在事故時需要將管道內的液氨排凈，否則無法進行搶修和維修，更不能動火焊接，因此，在輸氨首站、末站設置收發球筒裝置，該裝置以中壓氮氣作為動力，發生事故時通入氮氣，推動球體將液氨以正輸的方式推入大水工業園氨罐。在閥站及減壓閥組附近均設置氨氣吸收水池，吸收管道內剩余的氨與氮氣混合物。

圖1 液氨長輸管道流程

2 液氨管道投用過程

(1)輸氨管道水壓試驗。安裝過程中對管道進行分段試壓，用無腐蝕性清潔水作介質對輸氨管道分段進行水壓試驗，試驗壓力按管道設計壓力的1.5倍進行。

(2)輸氨管道的清洗和吹掃。管道清洗、吹掃分3個步驟進行：第1步從首端閥站連續不斷地用潔凈水對管道系統(包括支管)進行沖洗，從末端閥站排水；第2步使用通球器對管道進行通球，將管道里的水趕出；第3步使用3.9 MPa(g)的中壓氮氣對管道進行吹干。

(3)管道氣密性試驗。輸氨管道從首端閥站通氮氣進行分級試漏，充壓等級分別為0.5 MPa(g)、1.0 MPa(g)、2.0 MPa(g)、2.8 MPa(g)、3.6 MPa(g)，用肥皂水對閥門填料函、法蘭、螺紋連接處等所有密封點進行查漏。

(4)管道置換。包括首端泵站、1#與2#中間閥站、末端閥站輸氨管道及其附屬管道，從首端通入3.9 MPa(g)氮氣進行置換，充壓至1.0 MPa(g)后從末端閥站放空閥處放空，如此重復幾次，至輸氨管道取樣分析，氧含量≤0.5%為合格，并用氮氣保壓。

(5)管道投氨。投氨時，為了避免液氨進入管道后大量蒸發而使管道溫度過低或形成較大溫差，造成輸氨管道因冷縮或冷脆機械性能受損，所以確定投氨溫度>15 ℃，液氨在15 ℃時對應的飽和蒸汽壓力為0.743 MPa(g)。所以投氨時輸氨管道內壓力應≥0.75 MPa(g)。我們置換合格后用氮氣保壓0.8 MPa(g)。投氨時啟動1臺輸氨泵，泵出口壓力達1.0 MPa(g)后，按輸氨泵額定流量50m3/h緩慢向管道送氨，由泵出口閥控制輸送量，但閥門不能開得太小，以免進入管道的液氨產生節流，以閥門后主管道上不產生白霜，管內液氨溫度≥15 ℃為準。當首端閥站壓力達1.2 MPa(g)時，緩慢打開1#閥站放空閥放空，至放空管處出現白霜，能看到明顯液滴，關閉1#閥站放空閥。當2#閥站壓力達1.2 MPa(g)時，打開2#閥站放空閥放空，至放空管處出現白霜，能看到明顯液滴，關閉2#閥站放空閥。打開末站排氣閥排氣，同時應保持1#、2#閥站壓力不下降為限，末站排氣管道連接開磷集團的尾氣洗滌塔，當管道充滿液氨且管道最高點壓力超過當時溫度下的液氨飽和蒸汽壓時，全管道內都是液氨而沒有氣氨，然后投用兩道減壓閥，打開并氨閥，液氨進入開磷集團球罐。

3 液氨管道泄漏危險性分析

該液氨長輸管道所處地段地質結構復雜，沿途經過山林、河流、農田、公路、采礦區、7個村寨及散落的農戶，由各種原因造成輸氨管道破損的可能性增大，輸送管道距離長，運行過程中管道內存的液氨量大，達200t左右，一旦出現泄漏，可能引起附近人員中毒、環境污染和火災爆炸事故。輸氨管道中液氨的數量、狀態見表1。

表1 輸氨管道中液氨數量、狀態

3.1 液氨管道泄漏原因分析

(1)管道的設計、施工。在管道設計、采購質量及施工安裝等環節，沒有因不符合有關規范標準或存在缺陷，而使管道在運行中破裂，發生液氨泄漏事故的危險。

(2)管道腐蝕。該管道輸送液氨的濃度在99.8%以上，屬于中性液體，腐蝕性很弱，內腐蝕不嚴重；但大部分管道深埋在地下，存在電化學腐蝕、細菌腐蝕及雜散電流腐蝕等外腐蝕，特別是電化學腐蝕，金屬結構一旦有腐蝕電池形成，其陽極區因其區域范圍相對比陰極區的小得多，腐蝕速度也極快，此時金屬表面發生的不是均勻腐蝕，而是孔蝕，地下的管道、儲罐、各種存有電解質的容器設備等幾乎都是因為孔蝕而發生泄漏的。

(3)超壓。環境溫度升高易使液氨氣化，造成管道因超壓發生爆炸；因氣候變化，管道熱脹冷縮造成的破壞，導致長輸管道的蛇變或翻動，易引起管道斷裂，造成液氨泄漏。

(4)違章操作或設備故障。在開停車及運行過程中由于違章操作或儀表、設備故障使工藝控制過程失控而發生超壓，或管道溫差造成熱應力過大，或液氨介質流動而引起震動(或翻動)等引起管道破裂，具有發生物理爆炸并大量泄漏的危險。

(5)關鍵部件缺陷。主要是墊片、法蘭盤、密封部位、焊縫、螺釘擰入處、閥片等部位發生以跑、冒、滴、漏為主的泄漏，事故規模通常較小，但發生頻率較高，且分布范圍較廣，其危害性不容忽視。

(6)人為原因。液氨輸送管道因巡檢不及時、宣傳力度不夠、安全警示標志不清、警示標志少或丟失等原因，周圍群眾在液氨管道經過的地段進行耕地、施工等過程中因不注意而誤碰輸氨管道造成泄漏，人為原因造成的事故規模往往較大。

(7)地質災害。因該管道穿越采礦區，且沿途多處地段邊坡和土體不穩定，具有引發滑坡、崩塌、地面塌陷、地裂縫等地質災害的可能性，危害程度和危險性大。

3.2 液氨管道泄漏的危害分析

管道輸送液氨裝置的氨泄漏可分為彌散性點泄漏、小口徑噴射點泄漏和超壓爆炸破裂泄漏。為了計算最大危害范圍，假設條件為泄漏時處于靜風狀態，氨氣初始云團在泄漏處以半球狀擴散；管段的泄漏點位于最低處；泄漏的液氨在較短時間內全部泄漏并氣化。

仍假設液氨管道有一個1cm2泄漏口，液氨的泄漏速度為0.145kg/s，假設輸氨管道泄漏60min后，采取了停泵、切斷閥門、堵漏等有效措施，控制住了泄漏，則60min泄漏的氨的質量W為：

0.145×60×60=522 kg

泄漏的液氨揮發為氣氨時，其體積為：

22.4/0.017×522=687 812L=687.812 m3

氨氣在空氣中的濃度達到0.5%時，人吸入5～10 min即致死，令人致死的有毒空氣體積為：

V=687.812×100/0.5=137 562 m3

假設這些有毒空氣以半球形向地面擴散，可求出該有毒氣體的擴散半徑為：

R=(V/2.094 4)1/3=40.35 m

根據以上計算，可以得出以下結論：如果輸氨管道損壞，造成液氨泄漏，未能及時采取控制措施，空氣中的氨氣濃度達到0.5%時，在以泄漏點為球心、半徑為40.35 m的半球形區域內的人員若未采取有效防護措施，吸入5～10 min即令人致死。

4 運行過程中出現的重大隱患

(1)2014年7月，在一次雨后巡道過程中，發現液氨管道2處隱患：一是49#節點樁處外側地表出現長度約20 m、寬度約20 mm的裂紋，緊貼管道，雨天中隨時有塌方可能；二是75#節點樁處，在管道外側出現了塌方現象，離管道僅有2 m的距離，以上2處隱患對液氨管道的安全運行構成極大威脅。發現隱患后，引起貴州開陽化工有限公司的高度重視，將此2處按A級隱患進行整改，立即聯系地質工程勘察院進行現場勘察，并及時設計出整改方案，49#節點樁處外側將要塌方的土方經人工清理至管道底，在管道底部及上部各打一排錨桿并澆筑砼擋墻，對管道進行加固，兩端分別延伸，總長度加至35 m，以5 m為一段，分段施工。75#節點樁處，沿塌方外側做毛石砼擋墻，長度約為20 m，深入巖石600 mm。經過一個多月的搶修，于2014年9月底整改完成，確保了液氨管道安全運行。

(2)2016年6月，遵貴高速公路修建，原設計高速路與液氨管道32#至33#節點樁處交叉，需對液氨管道進行遷改，經與政府、施工方協商，認為遷改技術難度大、風險高，停產損失較大，特別考慮到安全生產的重要性，最終方案為不遷改液氨管道，采用橋梁上跨液氨管道避讓的方案。在高速路施工過程中，液氨管道周圍常有挖掘機、鉆機、吊車等大型設備作業，稍有不慎，會損壞液氨管道，引起氨泄漏等重大事故，在此期間，車間安排專人在施工現場監護，嚴禁大型設備靠近液氨管道作業，并與施工單位共同編制液氨管道泄漏應急預案并組織演練。該高速路跨液氨管道工程于2017年4月完工。

5 液氨管道安全運行采取的措施

5.1 輸氨管道、管件的選擇

為保證管道安全運行，提高管道設計壓力的裕量，其設計壓力為6.4 MPa(g)，增加管道的壁厚，相應地加大耐腐蝕裕度，閥門和法蘭強度增加，以減少管道的維修量，提高管道的安全運行系數，管道上不使用人工彎頭，采用自然彎，即彈性敷設，采用較大的曲率半徑，有很大的冷卻補償裕量，可有效防止管道斷裂的事故發生。

5.2 管道施工質量

以焊接質量標準或高于焊接質量標準的要求進行焊接，所有焊縫100%進行X射線無損探傷，提高焊縫X射線無損探傷拍片率，進一步保證焊縫質量。

5.3 管道防腐及絕熱方式

該長輸管道以地下敷設為主，這就要求管道的安全使用壽命要有較高的技術保障措施，管道敷設采用深度≥1.2m埋地敷設方式，以保證管道的恒溫，避免液氨氣化，避免因氣候變化引起管道熱脹冷縮造成的破壞，并借鑒國內現有的輸氨管道的成功防腐經驗，對輸氨管道采用A型煤焦油瓷漆作外防腐層和犧牲陽極保護相結合的防腐方法，外露輸氨管道采取保冷措施，防止日曬及外界高溫引起液氨氣化，保冷結構由“保冷層+防潮層+保護層”構成，保冷層采用密閉型聚氨酯泡沫塑料，該保冷材料具有自熄性，適用溫度范圍-65～80 ℃，保冷層厚度為60 mm，防潮層型式采用有堿平紋玻璃布內外各涂一層瀝青瑪蹄脂，保護層采用0.5 mm鋁皮。

5.4 建立健全管道巡檢制度

閥站值班人員每天至少進行一次徒步巡檢，車間管理人員每周至少兩次徒步巡檢，檢查內容包括責任范圍內液氨管道的具體情況，管道三樁(測試樁、里程樁、轉角樁)、安全警示牌是否完好；管道上有無違章建筑；管道沿道有無施工及裂紋、塌方現象；管道周圍有無新開挖土方；管道有無露管、泄漏等現象；閥站閥門有無泄漏，壓力表指示是否正常；宣傳液氨的危害性，對危害管道安全的行為及時制止并向車間領導匯報，認真填寫巡線記錄，發現的隱患指定專人負責整改，做到閉環管理，確保管道安全運行。

5.5 制定完善的應急預案

根據管道的實際情況，制定完善的、具有操作性的應急預案，儲備足夠的應急物資，聯合當地政府、消防隊、醫療救援單位、周邊群眾每半年進行一次大規模的液氨管道泄漏應急演練，確保事故時匯報、應急處置、救援、撤離能夠有序進行，減少事故損失。

5.6 加強管道保護的宣傳工作

建立由地方政府、沿線村鎮干部群眾參與的“群防群治”的長輸管道安全防范體系，采取對管道周邊住戶登門造訪、散發傳單、簽訂管道保護協議等多種公共教育方式，在埋地管道上方，設置明顯標記及保護設施，以免農業生產對其造成破壞，防止人為的破壞活動。

5.7 管道設備、安全附件維護

定期對管道閥站管道、閥門、法蘭、螺栓等部位進行防腐保護，每年對安全閥及有毒、有害報警儀進行校驗，每半年對壓力表進行校驗，確保各設施完好。

6 結語

自1990年以來，國內已相繼建成數條長距離輸送液氨管道工程，其運行情況良好，工藝技術成熟可行，隨著我國高效復合肥和化學纖維工業的發展，采用管道輸送液氨是比較安全可靠、經濟合理的輸送方式，但必須要做好管道的設計、施工、投用、運行的過程控制，才能維護管道安全、穩定運行。

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