合成氨装置甲类可燃气体采样系统安全风险分析与密闭化改造实践
章小龙 胡威盛 卜大勇
（海洋石油富岛有限公司，海南东方 572600）
摘要：针对海洋石油富岛有限公司合成氨装置原有甲类可燃气体（爆炸下限<10%）开放式采样存在的重大安全风险（易燃易爆气体逸散）和环保问题，本文通过系统现场勘察，详细分析了20个甲类可燃气采样点存在的共性问题（如无密闭排放、工艺气直排大气、特定组分风险）及其根源。基于不同工艺气组分（含水、含氨、含微量硫）、压力等级（<2MPa, 2~10MPa, >10MPa）和温度特性，针对性设计了A-F六型模块化密闭循环采样装置，并制定了配套的放空管线改造方案。重点阐述了高压、含氨、含微量硫等复杂工况下的关键技术措施和设备选型（如316SS耐蚀材质、高压减压阀、特殊钢瓶防吸附）。实施后彻底消除了采样过程的甲类可燃气无组织排放，系统运行一年验证了其安全性与可靠性。该实践为同类高危险性化工装置气体采样系统的安全升级提供了系统性的解决方案和工程借鉴。
关键词：合成氨装置 甲类可燃气 密闭采样 安全风险 放空系统 技术改造
1 引言
合成氨生产过程中，原料气及各工艺段气体（含甲烷、氢气等甲类可燃气体）的组分分析对装置安全稳定运行至关重要。如合成回路的氢氮比、循环气中的甲烷和氩含量等关键指标，直接关联反应效率和催化剂寿命，其分析数据的准确性取决于取样过程的代表性与安全性。 甲类可燃气体（爆炸下限<10%）一旦在开放采样过程中泄漏至大气，其爆炸极限宽、点火能低， 极易在局部区域达到爆炸极限，构成重大安全隐患，并造成原料损失及环境污染[1]。海洋石油富岛有限公司二期合成氨装置（以天然气为原料）原设计采样点普遍采用开放式或半开放式采样方式，虽符合当时的设计规范，但随着安全标准日趋严格，已无法满足高危险性介质的安全密闭采样要求。特别是装置地处海南东方沿海，高温、高湿、高盐雾环境加速了采样系统老化，进一步增大了泄漏风险。 本文旨在详细分析该装置甲类可燃气取样点存在的具体问题，评估其风险等级，提出并实施分类、系统的密闭化技术改造方案，总结实践效果，为行业提供可借鉴经验。
2 现场取样点现状与风险分析
2.1 取样点概况与工艺气特性
装置共设有20个含甲类可燃气体（浓度≥20%）的工艺气取样点，分布于加氢脱硫至氨合成的全流程。这些点位跨越多个核心工艺单元，介质条件差异巨大，对采样系统的设计提出了挑战。 工艺气具有以下显著特征：
1）组分复杂多样：含CH₄、H₂、CO₂、NH₃等，部分点需检测ppm级微量硫。不同组分共存可能引发次生风险，如高浓度CO₂与NH₃相遇可能反应生成氨基甲酸铵结晶，堵塞管路；H₂对金属材料存在氢脆风险。
2）压力范围广：从常压附近至超过10MPa（见表1）。高压介质减压采样时焦耳-汤姆逊效应可能导致局部低温，需考虑材料低温韧性。
3）含水差异：部分工艺气含饱和水汽，在减压或环境温度降低时易凝析，与酸性气体共同作用形成腐蚀环境。
4）腐蚀性强：工艺侧含H2S、CO₂、NH₃等腐蚀性介质， 叠加临海高湿高盐环境，对设备材质与防腐要求极高。
5）特殊危害：NH₃具有强烈刺激性恶臭气味与毒性，采样过程的排放、泄漏会造成环境污染，其职业接触限值低（PC-TWA 20mg/m3），对现场操作人员健康威胁大。
表1 甲类可燃气取样点工艺气工况分类统计
取样点数量 | 甲类可燃气含量 | 微量硫检测 | 水汽分离需求 | 工艺气压力范围 | 代表性工段 |
2 | ≥ 20% | 否 | 无 | ≥ 10 MPa | 氨合成塔进出口 |
7 | ≥ 20% | 否 | 无 | >2 MPa, <10 MPa | 中压工艺段 |
3 | ≥ 20% | 否 | 无 | < 2 MPa | 低压工艺段 |
5 | ≥ 20% | 否 | 有 | >2 MPa, <10 MPa | 含水工艺段 |
3 | ≥ 20% | 是 | 无 | < 2 MPa | 脱硫后微量硫检测 |
2.2 存在的主要问题与风险
基于现场勘查与工艺危害分析（PHA），原取样系统存在以下关键问题，其风险等级从可接受风险到不可接受风险不等：
2.2.1 放空系统缺失或不完善
13个取样点（占比65%）无排放管线或排放管未接入工艺废气放空总管。采样前置换气体及采样残气直接排放至装置区大气，造成：
1） 安全风险：甲类可燃气在厂区局部累积，尤其在低洼或通风不畅区域， 易达到爆炸极限。以氢气为例，其爆炸极限为4.0%-75.6%，极小的泄漏量即可形成爆炸环境。
2）环境污染：含可燃、有毒（如H₂S前驱体、NH₃）气体直接排放，无组织排放总量年度累计可达吨级，不符合当前VOCs治理要求。
3）原料损耗：有效工艺气无控排放，增加了装置的单位产品能耗。
2.2.2 水气分离器置换排放问题
5个含水工艺气取样点配置的缓冲罐式水气分离器，其置换操作时工艺气同样直排大气，未接入放空系统。分离出的含氨、含有机物冷凝液若直接排放在现场，挥发后还会引发二次污染和可燃风险。
2.2.3 球胆采样方式缺陷
使用橡胶球胆采样，置换球胆内气体的过程直接向大气排放工艺气，且球胆本身存在老化泄漏风险；粗放式采样，采样容器压力无法准确衡量，橡胶球胆承压问题脱出，采样过程出现球胆超压破裂风险；橡胶材质对部分气体（如CO2、NH3）存在吸附或反应，严重影响微量组分（尤其是微量CO2）分析数据的准确性。
2.2.4 腐蚀风险
临海环境加速碳钢材质管线（尤其裸露部分）的腐蚀，实测局部区域氯离子沉积率较高。 腐蚀不仅减薄管壁、威胁管线密封性，更可能导致腐蚀产物污染样品，干扰分析。
2.2.5 缺乏系统性与规范性
不同采样点装置各异，阀门、接头、采样器具规格不一， 缺乏统一的安全设计和密闭排放标准。操作程序因人而异，增大了人为失误的概率。
3 密闭化技术改造方案设计与实施
改造的核心目标是实现全过程密闭采样：置换排放、采样器排放、分离冷凝水排放均须有效收集并导入工艺放空系统焚烧处理，杜绝甲类可燃气直排，并保障操作人员安全。设计遵循“本质安全、标准化、模块化”原则，力求从源头上消除风险。
3.1 密闭采样系统分类设计
针对不同工况，设计并应用六类标准化密闭采样装置（A-F型），均遵循以下核心设计原则与通用配置：
3.1 密闭采样系统分类设计
针对不同工况，设计并应用六类标准化密闭采样装置（A-F型），均遵循以下核心设计原则与通用配置：
1）密闭性：全流程密闭连接，采用双阀隔离与泄放阀组确保操作安全。
2）材质：主要构件（面板、阀门、管件等）均采用316SS不锈钢，满足临海高腐蚀环境要求（面板厚3mm）。相比碳钢，316SS因含Mo元素，对氯离子引起的点蚀和缝隙腐蚀具有更优异的抵抗性。
3）安全性：入口过滤器（防杂质）、放空口单向阀（防反窜）、牢固固定（支架+面板）。面板设有清晰的操作指引和警示标识。
4）代表性：通过快速循环回路或充分置换，保证所取样品的真实性和代表性的死体积小于5mL。
5）基本组件：工艺样气进口阀、过滤器、采样阀、放空阀、专用采样钢瓶（带压力表、快装接头）、放空口、单向阀。
表2 密闭采样装置类型及应用条件
型号 | 适用条件 | 关键措施 | 图示 | 应用点数 |
A型 | P < 2 MPa, 不含水 | 直接密闭采样 | 图1 | 3 |
B型 | 2 MPa < P < 10 MPa, 不含水 | 减压密闭采样 | 图2 | 7 |
C型 | 2 MPa < P < 10 MPa, 含水 | 减压 + 集成气液分离密闭采样 | 图3 | 5 |
D型 | P < 2 MPa, 含水 | 集成气液分离密闭采样 | 图4 | 1 |
E型 | 脱硫槽进出口 (P: 2-10 MPa), 需测微量硫 | 双点并联共用采样器，特殊钢瓶材质（防硫吸附） | 图5 | 1 |
F型 | P ≥ 10 MPa, 不含水 (氨合成进出口) | 专用高压减压阀 (耐压≥20MPa)，严格防泄漏 | 图6 | 2 |
图1 A型密闭采样器 图2 B型密闭采样器
图3 C型密闭采样器 图4 D型密闭采样器
图5 E型密闭采样器 图6 F型密闭采样器
3.2 放空管网系统改造
1）已连接点利用 (6个点)：将密闭采样器放空口直接接入现有有效放空管线，接口处增加切断阀或8字盲板（实际采用增加切断阀），便于隔离维护。
2）新建放空集管 (13个点)：采用Φ3/4"中压碳钢管（ASTM A106 Gr.B 或等同）作为放空集管。管径经水力计算，确保同时使用时背压不影响采样器正常排放。
3）关键防腐处理：严格进行表面除锈（Sa2.5级），涂覆环氧底漆+聚氨酯面漆防腐涂层，涂层干膜总厚度≥250μm。
4）分质排放原则：这是本方案核心安全措施之一。 工艺气组分相容（不发生危险反应或堵塞）的采样点，可共用集管后接入工艺放空总管。组分不相容（如含高CO2气与含NH3气可能生成铵盐）的采样点，必须分设集管，分别接入总放空系统不同接口。通过采样过程排放模拟计算了最不利工况下的不相容组分的排放量，确保管路不结晶堵塞。
5）安装与接地：符合GB 50235等规范，可靠固定并接地防雷，排放管低点设置排凝导淋。
3.3 配套设施完善
高温点冷却：对工艺气温度>60℃的取样点，确保前置冷却装置有效运行，将样品气冷却至40℃以下，消除烫伤风险并避免损坏钢瓶密封件。
4 项目实施与保障
为确保改造工程在装置正常运行期间安全、高质量完成，制定了专项保障措施：
4.1 施工安全管理
1）作业前：详细安全技术交底与风险辨识（JHA），每项作业均建立风险控制卡（RAC）。
2）严格执行公司安全管理规定，办理相关作业许可证（如动火、高处作业证）。
3）动火分析：严格执行GB 30871-2022要求，进行可燃气体检测并合格[2]。动火点半径15米范围内地沟、地漏均覆盖隔绝。安装期间生产处于正常运行状态，动火作业安全等级为一级动火，按照一级动火作业流程办理票证。
4）作业中：应急准备：现场配备适用灭火器、灭火毯（高空动火）、防火垫等应急物资。
个人防护：高处作业强制使用双钩安全带。全程监护：安排专职安全员全程监护，并全程录像监控关键节点。
5）作业后：做到工完、料净、场地清，经双方签字确认后方可销票。
4.2 质量保证措施
1）材料与制造：所有材料（316SS、碳钢管、阀门等）符合设计要求，全新无缺陷。阀门按API 598进行压力试验，抽样比例10%。
2）采样器为成熟可靠产品，满足安全、环保要求。关键承压部件（如采样钢瓶、高压减压阀）提供材质证明与合格证。钢瓶按DOT或GB标准设计，水压试验压力为工作压力的1.5倍。 预留应急采样口（如旁路阀+快速接头），确保在采样钢瓶故障时仍能安全使用气袋采样。
3）检验与试验：出厂前按规范进行强度试验（通常为1.5倍设计压力水压试验）及泄漏检测（NB/T 47013.8），确保无渗漏[3]。提供完整试验记录。现场组装后对系统进行氮气气密性试验，保压24小时压降不超过0.1%。
4）现场验收：安装后逐点进行压力试验与泄漏检测（肥皂水或便携式FID/PID检测仪），尤其针对有毒可燃介质（SH 3501-2021）[4]。系统需具备采样前后自动置换功能，置换体积经计算至少为系统容积的10倍。
5 实施效果与结论
本项目在公司工艺、设备、分析、安全等部门协同下，依据详实勘察与分类设计，完成了全部20个甲类可燃气取样点的密闭化技术改造。项目竣工并通过严格验收。
运行效果（>12个月）：
1）本质安全显著提升：彻底消除了采样过程中甲类可燃气直排大气的风险，采样区域可燃气体探测器历史上首次实现“零报警”，避免了爆炸性气体环境形成。
2）环境绩效改善：含可燃、有害组分的置换气、残气100%导入工艺放空系统焚烧处理，显著降低无组织排放。估算每年减少VOCs排放约0.8吨。
3）减少原料损耗：有效回收了原直排的工艺气，折合年减少天然气损耗约1200Nm3。
4）操作规范化：标准化密闭采样装置便于操作与维护，制定了标准操作程序（SOP）并进行了全员培训，降低了人为失误风险。
5）系统运行可靠：各类密闭采样装置（A-F型）及配套放空系统运行稳定，各项参数（密闭性、代表性、操作压力等）均达到设计和技术规范要求。316SS材质及碳钢管防腐措施有效抵御了临海腐蚀环境，运行一年后采样钢瓶及各类采样备件表观上基本无腐蚀。
结论：
通过对合成氨装置甲类可燃气取样点存在的安全与环境风险进行系统分析，采用工艺危害分析（PHA）方法辨识了不同工况下的风险差异， 创新性地依据压力、组分（含水、含氨、含硫）、特殊要求等关键参数实施了精细化的分类整改方案（A-F型密闭采样器），并配套了科学的分质排放管网改造、严格的施工安全与质量保障体系。实践表明，该套技术方案有效解决了开放式采样带来的重大安全隐患和环保问题，显著提升了装置的本质安全水平和清洁生产水平。该技术已在同类装置中得到推广验证。 本改造项目的成功实施，为同类石油化工装置，特别是地处高腐蚀性沿海环境的装置，其高风险介质取样系统的安全升级提供了具有普适性和可操作性的技术路线与实践经验。未来可进一步研究在线分析技术的应用，以最大限度减少人工采样频次与风险。
参考文献
[1] 中华人民共和国工业和信息化部.文献摘录：第7部分 非书资料：SH 3012-2011[S]中国石化出版社，北京2011:8.
[2] 国家市场监督管理局国家、国家标准化管理委员会.文献摘录：第5部分 非书资料：GB 30871-2022[S]标准化管理委员会，2022:3.
[3] 国家能源局.文献摘录：第8部分 非书资料：NB/T 47013.8-2012[S]新华出版社，2012:2.
[4] 中华人民共和国工业和信息化部.文献摘录：第9部分 SH 3501-2021[S]中国石化出版社，北京2022:3.
SAFETY RISK ANALYSIS AND CLOSED-LOOP RETROFIT PRACTICE OF CLASS A FLAMMABLE GAS SAMPLE SYSTEM IN AMMONIA SYNTHESIS UNIT
Zhang Xiaolong, Hu Weisheng, Bu Dayong
(CNOOC Fudao Co., Ltd., Dongfang, Hainan 572600, China)
Abstract: In response to the significant safety risks (such as the escape of flammable and explosive gases) and environmental issues associated with the open sampling of Class A flammable gases (with a lower explosive limit < 10%) in the ammonia synthesis unit of CNOOC Fudao Co., Ltd., this paper, through on-site investigation of the system, detailedly analyzed the common problems (such as lack of closed discharge, direct discharge of process gas into the atmosphere, and specific component risks) and their root causes in 20 Class A flammable gas sampling points. Based on different process gas components (including water, ammonia, and trace sulfur), pressure levels (< 2 MPa, 2 - 10 MPa, > 10 MPa), and temperature characteristics, six types of modular closed-loop sampling devices (A-F) were designed specifically, and a corresponding exhaust pipeline renovation plan was formulated. The key technical measures and equipment selection (such as 316SS corrosion-resistant material, high-pressure pressure reducing valve, and special steel cylinder anti-adsorption) under complex conditions such as high pressure, ammonia content, and trace sulfur content were emphasized. After implementation, the unorganized emissions of Class A flammable gases during the sampling process were completely eliminated, and the system's safety and reliability were verified after one year of operation. This practice provides a systematic solution and engineering reference for the safety upgrade of gas sampling systems in similar high-risk chemical plants.
Key words: Ammonia synthesis unit, Class A flammable gas, Closed sampling, Safety risk, Exhaust system, Technical renovation
作者简介： 章小龙（1973-），男，高级工程师，硕士（大连理工大学化学工程），学士（海南师范大学化学教育），现就职于海洋石油富岛有限公司分析化验中心，主要从事石油化工分析技术与安全管理研究。E-mail: zhangxl12@cnooc.com.cn; Tel: 13976432203.
订阅方式：
①在线订阅（推荐）：www.sdchem.net.cn
②邮局订阅：邮发代号24-109
投稿方式：
①在线投稿（推荐）：www.sdchem.net.cn
作者只需要简单注册获得用户名和密码后，就可随时进行投稿、查稿，全程跟踪稿件的发表过程，使您的论文发表更加方便、快捷、透明、高效。
②邮箱投稿：sdhgtg@163.com sdhg@sdchem.net
若“在线投稿”不成功，可使用邮箱投稿，投稿邮件主题：第一作者名字/稿件题目。
投稿时请注意以下事项：
①文前应有中英文“题目”、“作者姓名”、“单位”、“邮编”、“摘要”、“关键词”；
②作者简介包括：姓名、出生年、性别、民族、籍贯或出生地、工作单位、职务或职称、学位、研究方向；
③论文末应附“参考文献”，执行国标GB/T7714-2005标准，“参考文献”序号应与论文中出现的顺序相符；
④注明作者的联系方式，包括电话、E-mail、详细的通讯地址、邮编，以便联系并邮寄杂志。
欢迎投稿 答复快捷 发表迅速