工业企业湿式气柜的设计与安全操作

王 冀 宁

(赛鼎工程有限公司，山西 太原 030032)

1 概述

气柜是化工或冶金等工艺过程中会用到的一种特定的储供气设备，容积可变化，而压力相对不变。气柜根据其结构形式和工作原理分干式气柜和湿式气柜。干式气柜的工作原理及操作过程类似活塞盘与活塞腔的相对运动，通过调整活塞盘负重以控制气柜的储气压力与储气空间，活塞盘与活塞腔之间的密封有采用密封条加稀油润滑型式，也有采用橡胶膜卷帘型式。湿式气柜的工作原理及操作过程类似扣在储水槽盘中的浮动钟罩，储存在钟罩及塔节中的气体靠水封高度封住，储气压力与储气空间通过钟罩及塔节的自身重量以及配重块加以调整。

湿式气柜的工业应用已有很长时间的历史。按其结构形式大体又可分为直导轨升降式气柜和螺旋导轨升降式气柜。气柜的容积可从几十立方米到十几万立方米；储气压力可从几十毫米水柱到上千米毫米水柱。气柜水槽的材料可用钢制，也可以用混凝土或砖石制。我国于1992年颁布了第一个化工行业湿式气柜设计标准HG 20517—92钢制低压湿式气柜[1]，我国于2015年又颁布了第一个工业湿式气柜的国家标准GB/T 51094—2015工业企业湿式气柜技术规范[2]，国标气柜的设计压力不大于4 000 Pa，公称容积为50 m3～100 000 m3，材料为钢制。

湿式气柜工作过程的容积变化，即钟罩和塔节的升降，主要依赖于自身储存气体的流量、压力以及水的浮力的变化，是个动态过程。虽然升降动作的速度不大，但由于内外密封是水封，且气体体积庞大，很小的动作偏差和气体泄漏都会影响结构整体的安全。2018年11月28日凌晨，发生于河北省张家口市的盛华化工公司的湿式氯乙烯气柜泄漏导致的重大燃爆事故至今不得不令人震惊。事故的发生可能是偶然的，也许是巧合，但事故内在的隐患因素却是存在的。所以，探讨关注气柜设计与安全操作的可靠性理念今日仍有意义。

2 气柜的进出口水封

气柜的进口水封和出口水封本不属于气柜设备的组成部分，属于单独的外围设备，它与气柜的操作安全紧密相关，见图1，图2。在湿式气柜的气体进口管道和出口管道上一般会单独设置进口水封设备和出口水封设备。在只有一根气体进出口管道的湿式气柜，俗称盲肠式气柜，也会在这根管道上设置进出口水封设备。

不管是两根管道的气体进口水封和出口水封，还是一根管道的气体进出口水封，准确完整的定义其名称应称作：气体进口管安全切断水封、气体出口管安全切断水封和气体进出口管安全切断水封。与一般水封设备一样，该水封也设有进气管、出气管、补水管、溢流管、放空管、排净管，甚至还单独增设液位计。不过这个水封在气柜正常工作时它是不工作的，水封中没有水，水封溢流管上的阀门是处于关闭状态的，气体只是穿过一下空水封。而只有在气柜处于停车状态，如气柜停下来需要检修或系统停车维护，水封才充水工作，起切断气柜与外部系统联系的安全功能。有点类似于装置与装置间、系统与系统间管路上常用的8字形盲板的功能。气柜的进出口水封看似简单，但就工艺系统安全必不可少，且很实用，正确合理地设计和使用进出口水封是非常重要的。

3 气柜进出口管紧急切断阀

与气柜进出口水封一样，气体进出口管紧急切断阀也不属于气柜主体部分，属于管路。与气柜操作安全紧密相关，见图1，图2。湿式气柜的气体进出口管紧急切断阀一般设置于进出水槽外壁的根部，该切断阀一般应是带有自动仪表控制功能的阀组。控制信号主要源于气柜钟罩和塔节升降操作设计的最高最低限位，当然，该阀组也可设计成同时接收气柜系统单元的SIS(安全仪表系统)的信号,如果SIS系统没有单独设有紧急切断执行机构的话，可通过该阀组实施紧急切断功能，SIS系统信号源于现场的有毒气体、可燃气体的泄漏探测器或火灾等探测器。

气柜进出口水封与气柜进出口管紧急切断阀两者虽然都有切断功能，但两者的性质和作用是不一样的，前者多是主动的，是在气柜停车状态时，后者往往是被动的，是在气柜工作状态时，所以，两者是不能互相替代的。

4 钟罩和塔节的升降控制

气柜的钟罩和塔节的升降速度及位置，也即气柜储气容积的变化，取决于进出气柜的气体流量差值，正常操作过程对钟罩和塔节的升降速度是不加以专门控制的，但是对钟罩及塔节升起的最高位置和钟罩及塔节全部落下的最低位置是要加以限制的，不然，高限位置再升高后会发生拔脱事故，低限位置后继续抽气会抽瘪钟罩顶。

对钟罩和塔节升起的高度位置控制，通常是在最高限制位置处设置限位开关，由液压传感器输送信号到控制仪表系统对气柜进气管紧急切断阀和供气母机进行连锁操作。新的湿式气柜标准GB/T 51094—2015给出了“应采用智能型微波物位仪实现对气柜钟罩高度的高低位的报警和制动”，即可实现对钟罩和塔节升降位置的实时跟踪。微波物位仪对于直升式气柜和螺旋式气柜均适用。不过由于螺旋式气柜的升降轨迹呈螺旋线形，微波物位仪探测到的水槽液面点不固定，又无导波管，相对精度会受影响。

5 钟罩和塔节的自动放散口

对于单节气柜，即只有钟罩的气柜，通常会在钟罩升起超过高限的位置设置自动放散口，以防止再继续升高后拔脱钟罩，钟罩自动放散口见图3。对于多个塔节的气柜，通常是在升起塔节的最下面那个塔节的侧壁上设置超限自动放散口，以防止塔节再升高后拔脱，塔节自动放散口见图4。注意，无论是单节气柜的钟罩顶部的自动放散口，还是多塔节气柜的最下面那个塔节侧壁上的自动放散口，放散口的个数不应少于3，且沿周边应采用环向均匀分布。

由前面叙述可知，气柜钟罩和塔节升起的高限位置是设有限位开关或自控仪表报警和连锁的，为什么还再设自动放散口，仍然是基于安全保护。虽称作放散口，但需要说明的是这个放散口不同于钟罩顶部中心的放散口，是不能主动操作的。因为该口的放散过程不是一个平稳的放散过程，是一个浮力与重力之间的波动的脉冲式排气过程，过大的冲击力与不平衡会造成导轮脱轨或倾覆的风险。该放散口的设立更多的是出于预防监控仪表突然失灵等机械式自我保护，这种保护一定是短时效的。

6 气柜出气管安全罩帽

当气柜的塔节和钟罩完全落底时，设置于钟罩顶部的安全罩帽就会罩住气柜的出气管的入口，当然对于仅有一根进出气管的气柜而言，安全罩帽就置于这根进出气管的管口上了。安全罩帽的设计主要也是用于防止钟罩落底后继续抽气时把钟罩顶抽瘪。出气管安全罩帽见图5。

由图5可知，安全罩帽管插入水槽液面应有一定深度，可依据钟罩内气体压力计算确定。出气管口也应高出水槽液面一定高度，可根据可能的抽气负压值确定。在安全罩帽顶部设置有放空管和放空阀，这是为气柜开车、停车时置换气体用。在安全罩帽顶部的放空管根部与钟罩顶部之间还设置有一旁路和阀门，这是专门针对仅有一根进出气管的气柜所用，以便于气柜开始进气工作时通过该旁路让气体能进入钟罩内浮起钟罩。对于分别设有进气管和出气管的气柜，这一旁路和阀门是可以不用设的。

对于直升式气柜，安全罩帽的设置与实施是非常容易和可靠的。但对于螺旋式气柜，当出气管直径比较大时，安全罩帽管的直径势必也要很大，要使安全罩帽螺旋旋转落在出气管口上则会有一定难度，故螺旋式气柜通常不必设安全罩帽。

7 钟罩落底后的安全操作

钟罩落底后的安全操作这里主要指气柜处于停用状态或出于某些原因准备停滞一段时间的操作，并不包括正常操作过程中的钟罩落底。比如，新气柜制作试验完毕待投用这段时间，工厂年检或大检修停滞气柜的时间，或者是停车比较长的间隔时间。气柜落底处于停用状态时一般应作如下安全操作：1)开启气柜进出口管上的水封，切断气柜与外界管路联系；2)对残存于钟罩顶部的气体，特别是有毒的、易燃的、助燃的气体应进行置换和放空处理；3)长期打开钟罩顶部及安全罩帽上部的放空阀(指不做水槽排水状态)，直至重新启用气柜。

钟罩落底后操作不当引起的事故时有发生，特别是因水槽中水汽蒸发使钟罩内气相空间形成负压造成的罩顶失稳屡见不鲜。

8 气柜泄漏和导轨运行卡顿

湿式气柜发生泄漏以局部腐蚀和焊缝缺陷引起的穿孔穿透现象居多，这与气柜自身构造和工作特点有很大关系。湿式气柜的构造基本是由钢板和型钢件煨制组焊而成，塔节和钟罩的壁板仅有4 mm～5 mm，且连接多为搭接焊缝，再由于塔节和钟罩的工作过程是反复出没于水中，干湿交替、受力交替这些都加速了腐蚀与缺陷的发展。不过这类泄漏或漏气也有个特点就是往往不是大面积的和突然的，及时发现及时处理是关键。

钟罩和塔节升降工作过程中导轮与导轨的偏离和卡顿现象涉及因素比较多，比如：设计质量、加工制造精度、环境气温变化、风载荷雪载荷附加等等。尤其对于一个体量相对较大的有弹性的物体，运动过程受外部因素影响产生稍微的变形偏离和卡顿是可能的。因此，关键是及时发现苗头，经常的调整维护，防患于未然。

螺旋式气柜的轨道运行中的偏离和卡顿现象一般多于直升式气柜，这与其运行轨迹和受力有很大关系。螺旋气柜的钟罩和塔节下行过程的重力冲击波动对导轨跑偏影响很大，现行的规范和设计中，螺旋导轨的螺旋升角一般均取45°，适当地减小这一角度，对运行平稳性可能会有利。

气柜的泄漏与导轨运行卡顿对气柜安全操作影响很大。仅仅依赖视频监控是难以保障的，现场巡查及时维护是必须的。

9 结语

湿式气柜在化工、冶金等的生产过程中使用的数量虽然不多，但有不可替代的作用。由于湿式气柜的工作特性是个动态过程，所以其相对于一般的静态储供气容器存在有更大的安全风险。因此建立合理的湿式气柜的设计与安全操作理念是非常重要的。