试析低压CO2灭火系统管道爆裂原因

试析低压CO2灭火系统管道爆裂原因

田如漪 陶 端

提要 根据近年发生的CO2灭火系统管道爆裂事故，试分析了事故原因，并提出了若干改进措施。

关键词 低压CO2灭火系统 焊缝爆裂 干冰 气密性试验

On the Pipeline Burst of Low Pressure CO2 Fire System

Tian Ruyi

Abstract: The pipeline burst accidents of low pressure

CO2 fire system raised in recent years are discussed to find out the causes. Some improvements have been recommended.

1 原因分析

宝钢1580热轧工程低压CO2灭火系统在1997年2月安装竣工，在进行CO2释放试验时，CO2储罐上方集流管(即容器阀与选择阀之间的封闭管段)一节管段焊缝迸裂。1996年4月上海大众汽车公司二期工程的低压CO2灭火系统，在CO2误喷0.5h后，一段DN150输气管发生3处管段因焊缝爆裂飞出，将临近一根DN125输气管撞裂。两次事故均发生在CO2释放后，为了汲取教训，确保低压CO2灭火系统的安全应用，我们特地赴上海大众汽车公司和宝钢现场了解情况，寻找CO2输气管道爆裂的原因。

首先须对CO2热动力性能作一些了解，CO2是制冷剂，容易通过压缩和冷却而液化，如进一步冷却即转化为固体——干冰，干冰在变热时又会直接升华为气体。当温度在-57℃(三态点)和31℃(临界温度)之间，CO2在密闭容器里，既存在液体亦有气体。根据压力和温度变化两者相互转化，其关系曲线见图1。低压CO2贮存在容器内，温度一般为-18℃，相应压力为2.07MPa。当液态CO2通过阀门、管道、喷嘴喷放到大气中，一部分CO2立即闪蒸为蒸汽，蒸发同时要汲取大量潜热，致使其余部分液态CO2冷却到-79℃，转化为干冰。在通常喷放情况下，低压CO2灭火系统约有46%CO2液体转化为干冰。假如经过连续喷放而不重新充装，低压CO2储罐内液位及压力都将降低。由于储罐外壳有绝热层保护，罐内CO2温度会进一步下降。

上海大众公司二期工程低压CO2灭火系统管道爆裂前一天，因火灾报警器误报系统已误喷了一次。据了解，该系统管道口径比原设计放大，估计第一次CO2喷放量比原设计值多，并且误喷后亦未及时添装。及至次日下午5时许系统再次误喷，致使管道爆裂。事故后，该公司消防人员立即到现场察看，发现CO2储罐上液位计及压力计指数均为零位，喷放现场即防护区地面积了很厚一层干冰。干冰不会自行喷出，是由CO2

的制冷造成的!据现场分析，估计管道、阀门此前都积有干冰。管道设有U型补偿节，就在补偿节前一段管道内，干冰受到气温影响升华成气体，管内压力大大增加，加之本工程焊接质量很差，管段对接面没有打坡口，未用亚弧焊焊透，致使该段管道有3处爆裂飞出。宝钢1580工程在调试时同样存在因CO2连续喷放使管内CO2温度迅速降低形成干冰的问题，且管道焊接质量也不合格。

图1 CO2三态图

2 安全对策

(1) 必须按国家有关规范和设计图纸施工，管道及附件应能承受最高环境温度下CO2的储存压力；

(2) 低温CO2储罐上必须配置液位计、压力计和最高允许压力和最低容许压力报警仪器以及压力泄放设施；

(3) 忌做CO2连续释放试验：遇有误喷应迅速找出原因，制止再次误喷。同时向CO2储罐及时(要求30h以内)充装CO2到原定充装液位，不得超量。(上海大众汽车公司在低压CO2储罐旁已添置一台专用于充装的钢瓶)； (4) CO2容器阀与选择阀之间的封闭管段上应设置可靠的压力泄放设施，并直通大气；

(5) 低压CO2灭火系统喷放后，要立即检查CO2储罐的液位和压力。设计中应确保最低液位剩余量；

(6) 充装CO2的质量应符合现行国家标准或国外有关标准，即CO2纯度不低于99.5%，含水量不高于0.015%。如含水量过高，对设备、管道、阀门会造成酸性腐蚀。

3 安全要求

CO2灭火浓度高，具有很强的窒息性，CO2本身也有低度毒性。如果人体暴露在含5%CO2的空气中，即会使人呼吸短促、头疼。在10%浓度中，将使人视力减退、耳鸣以至失去知觉。我国《二氧化碳灭火系统设计规范》和国外许多标准都对CO2灭火系统的应用提出生命安全的许多要求和措施。现将要点择录如下：

(1) 防护区内应设声光报警装置；

(2) 防护区应能在30s内疏散人群，在走道与出口处应设指示标志和警告牌；

(3) 防护区的门应向外开启；

(4) 对工作人员要进行安全教育和职业培训。厂房内要配备专用的空气呼吸器和手提式CO2或O2浓度测定仪；

(5) 在某一防护区的CO2灭火系统维护检修期间，该防护区的灭火系统应全部关闭，等检修完毕则应立即恢复其功能；

(6) 低压CO2储存容器应附CO2加臭设施，便于觉察。

我们将上述要求用于检查宝钢1580热轧工程低压CO2灭火系统，该系统大部分安全措施能满足要求。局部区域须增加声光报警和指示信号。其它工程低压CO2灭火系统均望参照上述安全要求进行设计和运行。

4 系统的施工和日常检查

根据有关统计，造成CO2灭火系统管道爆裂的原因主要有下列几条： (1) 管道焊接质量差，对接面未打坡口，焊接深度不到位； (2) 管道气密性试验要求不够，有的只做0.2MPa，而一般须做0.4MPa～0.5MPa方始合格。

(3) 主阀与选择阀应能同时打开。有一实例在主阀打开后，4s才能打开选择阀，造成局部管段压力瞬间偏高； (4) 连续喷放造成管道内存有干冰；

(5) 系统设计不尽合理，施工人员不遵守有关规程。

新安装的系统必须经过测试和验收。验收的最后阶段是向保护对象作全淹没喷放，测定CO2的浓度及其喷放时间。通过喷放试验能发现许多问题，包括防护区可能泄露等。

每一低压CO2灭火系统应指定专人负责常规检查、保养和维修，主要有以下几个方面：

(1) 定期检查CO2的供应源即CO2贮存容器，包括液位、压力、制冷机和安全阀状态是否正常等。如果CO2的贮存量减少10%时，应立即补充充装；

(2) 检查火灾探测系统、启动控制系统(包括自动和手动控制系统)、声光报警系统以及安全信号、标志等；

(3) 检查管道、选择阀、喷嘴等组件有无损坏、移位或被杂物堆放等；

(4) 查看防护对象、封闭空间情况有无变化，走道是否畅通，门能否自动关闭，通风设备状态是否正常，以及有无其它不利状况；

(5) 检查个人防护用具安全仪器如呼吸器、CO2或O2浓度测定仪等。

除了经常性检查外，每年至少要作一次全面检查和维护保养。某些组件和部件的检查可在不作喷放的情况下完成，必要时也可对部分系统作一次喷放试验。喷放试验时要注意操作安全程序。如果发现任何部件有损缺，应立即修复，排除故障。