4.1 大型特大型空分扒砂安全
（1）“砂爆”与“喷砂”事故频繁损失惊人
由于生产检修需要，空分冷箱扒除珠光砂时，打开人孔放砂，大量空气湧入冷箱，与冷箱内已有的低温液体进行激烈的热交换，加上珠光砂的流动、摩擦、撞击，使低温液体迅速气化，体积数百倍增长（液氧气化800倍、液氮气化643倍、液氩气化780倍、液空气化约680倍），造成冷箱内压力猛增，当冷箱卸压能力不足，冷箱内压力超过其刚性限度、材料屈服极限和强度极限时，冷箱发生变形，钢材发生屈服延伸到破坏，空分冷箱发生物理性超压爆炸，珠光砂瞬间大量喷出，这就是“砂爆”。在空分设备正常生产或扒砂作业时，若冷箱有局部漏泄，有珠光砂大量喷出，这叫“喷砂”，相对“砂爆”对设备的破坏情节较轻。
据不完全统计，十年来，大中型空分发生“砂爆”与“喷砂”严重的事故有十余起，6000m3/h和10000m3/h空分出事居多。其中比较典型的有：2004年6月30日，江西某钢铁公司10000m3/h空分检修扒砂时，先打开一层平台人孔1个，泄砂缓慢，又开二层平台人孔1个，加速放砂，这时突然出现珠光砂大量喷出50-60m远，四处烟雾腾腾，冷箱内发出“嘭嘭”、“嘎嘎”声，持续5-6分钟后，冷箱内珠光砂像小山一样推出，4/5珠光砂喷出冷箱，发生“砂爆”。冷箱中上部明显结霜，四周40-50M范围内绿化带草木全部枯（冻）死。50余米高冷箱已鼓肚变形，最大鼓出量超过300mm，内部容器管道移位变形。2006年1月6日，贵州某钢铁公司氧气厂3#空分检修扒砂时发生“喷砂”事故，48.5m高的冷箱内2000m3珠光砂湧出1300-1350m3，将扒砂民工10人掩埋，其中7人抢救无效，窒息死亡。2006年2月10日，湖北某钢铁公司10000m3/h空分检修扒砂时发生“砂爆”事故，冷箱严重变形，鼓肚最大处1.2m，平台梯子移位，梯子被拉成圆弧形，冷箱板和骨架断裂。冷箱内阀门破坏，管道断裂，主换热器弯曲变形，精氩塔中下部弯曲断裂，高纯氧塔歪斜。设备破坏严重，幸无人员伤亡。2008年8月1日，某化工厂16000m3/h空分在年度检修大加热后正常复产中，突然一声闷响，冷箱从上至下整个胀裂，冷箱西侧箱板从地面至34m处完全掀开，最大横向开口3-4m，整个冷箱倾斜并扭曲成麻花状。珠光砂全部喷出，主塔倾斜，粗氩Ⅰ塔向主塔挤压，粗氩Ⅱ塔靠两根管道悬挂空中，其支架由30余米高空坠落地面，阀门破坏，管道断裂，空分几乎完全报废。这次事故也可称为“砂爆”，但不是发生在扒砂过程，而是在正常复产中，由于一根液氮管路设计不合理，补偿与固定措施不力，生产中突然断裂，造成大量0.48MPa低温液氮漏入冷箱，而开车启动阶段冷箱内珠光砂温度较高，液氮迅速气化，冷箱内压力剧增，整个冷箱只有顶部一个安全阀，无法卸压，造成冷箱物理性大爆炸，损失惨重。2009年7月15日，无锡某钢厂6000m3/h空分停产检修，扒砂时发生“砂爆”事故，冷箱从中段断裂倒塌，冷箱内的上塔、粗氩Ⅰ塔、粗氩Ⅱ塔等设备也同时折断倒塌，约2000m3珠光砂瞬间喷出，现场作业人员有2人因吸入大量珠光砂窒息死亡，有1人被倒塌下坠杂物击中头部死亡，另有8人受伤。近年来，“砂爆”与“喷砂”事故频繁，造成设备巨大损失，人员重大伤亡，经济损失严重，政治影响恶劣。煤化工空分属大型特大型空分，压力高，地位重要，一旦出现“砂爆”和“喷砂”事故，损失将更加惨重，必须高度关注防范。
（2）事故原因简析
“砂爆”与“喷砂”事故的原因主要有两方面：
①冷箱内存有液氧、液氮、液空等低温液体，扒砂时剧烈气化引发“砂爆”与“喷砂”。冷箱内低温液体越多，威力越大，后果越严重，低温液体的来源有二：
a、由于设备设计、制造、安装、施工等原因，低温液体管道与阀门温度补偿能力不足，支撑固定不合理，焊接质量差，安装不规范，施工太粗放，造成在生产中漏泄低温液体至冷箱。这是常见的主要原因。
b、有资料载，空分装置在正常运行时，当冷箱气密性差或密封氮气量不足或有负压时，外部空气会渗入冷箱，在低温容器和管道表面冷凝而形成低温液体进入冷箱。笔者认为，这个观点有一定道理，但这绝不是冷箱内低温液体的主要来源。冷箱内温度最低处在上塔顶部和氮气出上塔后至过冷器这段管路上，这个温度的高低取决于上塔顶部压力，压力越低则温度越低。空分正常生产时，上塔顶部压力一般不会低于0.2kg/cm2表压，据查有关资料这时氮气（纯氮）的饱和温度为-193.7℃，这是空分冷箱内的最低温度。据查有关资料，当冷箱内渗入空气较少时，冷箱内气体组份10%O2+90%N2，干空气露点为-193.8℃，与冷箱内最低温度基本持平，不会产生冷凝。当冷箱内渗入空气较多时，冷箱内气体组份15%O2+85%N2，干空气露点为-192.7℃,比冷箱内最低温度高1℃，有可能产生冷凝。当冷箱内大量空气渗入，冷箱内气体组份20%O2+80%N2，基本与大气组份一样时，干空气露点为-191.7℃，比冷箱内最低温度高2℃，这时冷凝现象比较明显。这些都是理论计算的结果，由于冷箱内最低温度的范围不大（只局限于上塔顶部及其出口氮气管道），最低温度比干空气露点只低1-2℃很小，传热方式与传热系数，珠光砂绝热材料等因素的影响，实际差别会较大，我们实践依据也不足。也有观点认为，当冷箱内进入空气，遇到低温会有氧组份冷凝产生液体，会有富氧区等，也缺乏充足依据。因此，笔者建议知名大空分公司，立一个项目开展这方面研究，在空分设备设计中，预先考虑在冷箱温度最低的区域设置测温、测压、取样分析点等措施，在生产运行中搜集大量实践数据，分析研究，指导生产，保证安全，这对大型特大型煤化工空分尤为重要。
②扒砂前大加热时间过短，升温过快，冷箱憋压。扒砂时速度过快过急，底部人孔或开口大放砂，冷箱内有低温液体无对策，外部空气大量渗入，流速很快的珠光砂搅动，造成低温液体急剧气化，冷箱内压力猛升，引发“砂爆”或“喷砂”。没有制定大加热和扒砂针对实际的方案，没有事故应急预案等操作、管理方面的原因。
需要捎带说明一点，回顾上世纪70-80年代，由于当时设计制造，安装施工，空分操作水平所限，技术落后，空分到处跑、冒、滴、漏，漏冷漏液严重，冷箱板挂霜结冰、冻裂比比皆是，空分扒砂检修频繁，但未听说扒砂时发生“砂爆”，只有运行中空分内管道突然断裂将珠光砂喷出的“喷砂”。究其原因，冷箱密封性不好，到处结冰冻裂，根本憋不了压。珠光砂堆比重大，流动性差，绝热不好，进水结冰，压坏容器，压断管道，扒砂要凿要挖，根本无法“砂爆”。这只是高能耗、低水平的粗放生产方式，实不可取。
（3）扒砂安全措施
①设计制造
空分冷箱内管道应从总体布置，管系均匀受力，温度应力补偿，管架合理应用，冷箱钢结构安全等方面进行精细化设计。特大型空分尽量采用立式主冷，相对卧式主冷简化管道，减少焊缝与管件，能减少漏泄点隐患。将大部分管道沿塔器布置，管道与塔器同步热胀冷缩自然补偿。合理利用固定管架（承重），活动管架（导向）和限位管架，并根据现场生产检修实践，优化设计和改进操作，避免管道拉裂拉断大量漏泄低温液体，扒砂时引发“砂爆”。
②施工安装
大型空分冷箱设备，安装质量的高低，取决于冷箱内管道安装施工这个关键。由于冷箱内管道安装施工质量差，不规范，不严格，生产运行中焊缝开裂，管道拉断，支架移位的情况时有发生，直接造成漏冷漏液，运行中发生“喷砂”，扒砂时“砂爆”已屡见不鲜，必须高度重视。要提高冷箱内管道安装质量，应从提高管道的焊接质量，管道的清洁度和管架的安装质量三方面努力。空分内管道的焊接绝大部份是铝合金焊接，采用氩弧焊，焊工要考试合格持证上岗，要有技术方案和专用焊接设备，要用纯度达到99.999%Ar的氩气，焊缝要100%进行射线探伤检验，符合技术要求并留片备查。为了保证管道的清洁度，应在空分主冷箱旁就近搭建管道预制棚，对管道应按技术标准严格除锈、吹刷、脱脂、检验达标。管道支架的预制与安装，要仔细领会设计意图，严格按图施工，区分开固定管架，活动管架和限位管架，在不同位置发挥不同作用，以使管道在低温下受力均匀，位移正常，合理补偿，避免管道和阀门拉裂拉断破坏大量漏液，扒砂时造成“砂爆”事故。管道安装施工完毕要通气查漏、吹刷，进行压力（强度）试验，泄漏性（气密性）试验和“祼冷”试验合格，才能交工验收，投入使用，以确保安全。
③实际操作
a、提高安全意识，加强安全管理
要依据实际情况针对性地制定完善的大加热和扒砂方案，制定事故应急预案。当冷箱内温度低有低温液体时，方案更要仔细到位，冷箱内压力、温度和气体成份要随时检查，符合技术标准。作好扒砂准备与管理工作，预留安全撤离通道。扒砂人员要经过安全培训教育，学会自我保护，穿戴好劳动保护用品。
b、安全大加热
安全大加热的要点是：严格遵循技术操作规程，首先朝空排放干净塔内低温液体，再按不憋压，缓慢升温，保证加热时间的原则进行大加热。加热期间密切注视检查容器内和冷箱内的温度、压力和气体成份，判断加热情况，调节加热气体的温度、流量和升温速度。要打开冷箱顶部所有人孔盖，防止憋压。要用干燥气体加热，雨天不宜进行。发现超压和低温等异常情况，要迅速采取措施化解。当空分容器、管道温度和冷箱珠光砂、空分基础温度接近常温时，大加热结束。
c、可靠性扒砂
可靠性扒砂的要点是：严格执行针对性制定的扒砂作业方案，缓慢扒砂，严控速度，防止“砂爆”。空分设备及冷箱珠光砂加热至常温，大加热结束方能扒砂。冷箱内有低温液体严禁扒砂。大型特大型空分冷箱高大，内容珠光砂量大，要分2至3层由上至下放砂。要通过人孔盖板控制放砂速度，严禁只从底部全开人孔大放砂，引发“砂爆”。扒砂宜在无风晴天进行，要监控冷箱内压力，温度和气体成份变化，发现异常立即处置。扒砂完毕，冷箱内气体化验含氧量在19.5-23%O2方可进人，防止窒息与火灾事故。
4.2 高标准设计制作空分冷箱
大型空分设备冷箱由钢结构框架，钢面板、平台楼梯、人孔、密封气管道、加热气管道、正负压安全阀（呼吸阀）、测温测压取样分析系统等组成。其作用是：内容大量堆比重小、导热系数低、流动性好的干燥珠光砂，并充入干燥氮气，绝热保温，减少冷损。给冷箱内精馏塔、换热器、容器、管道、阀门等遮风（可经7级大风）挡雨（暴雨大雪不会渗入或压垮）并提供支撑，形成一个牢固的整体，保证正常生产、安全运行。可见其地位重要，安全性要求高，对于特大型煤化工空分更是如此。
以往，空分冷箱一般按钢结构件制作与拼接，刚度、强度一般，平整度差、气密性不好，安全措施不完善，长期运行后变形。近年来多起冷箱“砂爆”事故，损失巨大，有的是灾难性的，很难修复，更暴露了空分冷箱内压力，温度监控不力，事故状态下卸压能力不够等重大安全隐患。空分设备大型化后，尤其是特大型煤化工空分，这个矛盾更加突出。我们必须树立新的设计理念，按设备标准要求设计制造空分冷箱，视其为重要的非标准设备而非一般钢结构，提高标准严格要求，强度要高，刚性要好，板面平整。提高制造安装精度，既保证冷箱强度与刚度，又保证密封性好。要完善考虑冷箱安全措施，尤其对大型、特大型空分冷箱要有周密完善的安全设计，冷箱人孔（含顶部与四周）、正负压安全阀（呼吸阀）要多层合理布局，数量足够，保证事故状态下的泄压能力。要有完善的冷箱密封气系统和珠光砂加热管道，多层合理布置。冷箱内压力、温度要多层多点结合监控，掌握全面情况。要设冷箱内气体取样点和空分基础温度，判断空分漏冷漏液情况。数量足够，不留死角，并将信号输往主控室，便于观察，超标报警，防患未然，采取措施，杜绝事故。
5、对大型液氧液氮贮槽安全的思考
大型特大型煤化工空分设备，往往配套设置大型液氧液氮贮槽，一般水容积在1000m3以上，2000m3、3000m3已不鲜见。大型液氧液氮贮槽，一旦出现大量跑液，发生物理性爆破和化学性燃爆，将造成设备毁损，人员伤亡，损失惨重，甚至造成严重社会事件，后果不堪设想，其安全特别重要。笔者简述一般常规安全措施，重点对几个尚未完全达成共识还有争议的设计思想，安全理念和关键配置进行论述和探究，供业内专家参考。
5.1 常规安全措施简述
（1）设计先进
具有相关设计资质和丰富设计经验的制造单位，按照国家和行业标准，并参照国际先进规范和经验，采用性能优良的设备材料（含必要的进口），进行周密、完善、可靠的设计与计算，是大型液氧液氮贮槽安全的前提与保证。
这包括：可靠的强度设计，以应对大型贮槽贮量大、静压高、超低温的特点。周密的绝热设计，以应对内部低温液体与外部环境温度间超过200℃的温差，减少传热冷损与气化损失，确保贮槽正常运行不超压。绝热设计含底部绝热、夹层绝热、顶部绝热和氮封系统。完善的安全设施仪控设计，安全阀、呼吸阀、放空阀等本身就是安全设施，各种压力、阻力、温度、液位测量控制与调节，既是工艺所需又是安全必要，大型贮槽必须齐备和完善设计。
（2）安装可靠
具有相关施工安装资质和丰富施工安装经验的施工安装单位，取得相关资格认证和素质良好的施工安装人员，采用先进的施工安装方法、手段、机具和检验措施，注重施工质量，严格施工规范，不折不扣按设计图纸要求施工安装，是建造优质大型液氧、液氮贮槽的关键。
这包括：合格焊工可靠的焊接，以保证贮槽的强度和气密性，内槽焊缝要100%射线探伤，质量评定达到Ⅱ级。内槽要严格清洗脱脂，油含量≤125mg/㎡。贮槽施工安装完毕要注满水进行48小时沉降试验，保证均匀沉降和沉降量符合质量标准，还要作水压强度试验，放水后作24小时气密性试验，达到设计指标要求，保证贮槽强度和气密性。贮槽投用前，要对安全阀、呼吸阀、放空阀、压力表、温度计、液位计、阻力计、调节阀等安全设施及仪控设备进行调试，保证完好。内外槽间要充满低密度，低导热系数、干燥的珠光砂，保证绝热良好。投用前还要用干燥氮气将内槽置换吹刷，露点达到≤－50℃方能投用。贮槽进液投运稳定后，还要进行日蒸发率测试，这是大型液氧、液氮贮槽关键性质量指标，是施工安装质量好坏的一个综合反映。
（3）运行规范
严格执行安全技术操作规程，标准化、规范化操作是大型液氧、液氮贮槽安全运行的保障。
这包括：大型液氧贮槽液氧中乙炔含量，每周至少化验一次，超过0.1×10-6时，空分应连续向贮槽输送液氧以稀释乙炔含量到合格，并启动液氧泵向外输送，发现异常要随时化验监控，这是一条强制性措施，非常重要。液氧贮槽宜加快液氧周转，快进快出，避免乙炔浓缩。长期停用要卸空，充氮气保安。液氧、液氮贮槽，应向绝热夹层充入无油干燥氮气，保持正压，保证绝热良好。贮槽不得超压（设计工作压力）使用和超量（最大贮液量为几何容积95%）贮存。对贮槽的安全设施和调节控制系统要定期检验，一般一年一次。液氧、液氮汽化器出口应设温度过低报警连锁装置并定期校验，汽化器出口气体温度应不低于-10℃。要加强槽车充装监管（尤其是液氧槽车），现场设置牢固的防拉防撞桩，防止槽车误操作拉断充液管道，造成大量液氧液氮外泄的重大事故。
