Явление перекрытия клапанов и трубопроводов
2025-10-22
Клапаны и трубопроводы являются критически важной инфраструктурой для транспортировки различных сред (таких как газ, нефть и химическое сырье) в промышленном производстве и повседневной жизни, и их безопасная эксплуатация имеет решающее значение. Однако системы клапанов и трубопроводов иногда подвергаются угрозе крайне разрушительного явления: перекрытия. Перекрытие часто приводит к высвобождению огромного количества энергии за очень короткий промежуток времени, вызывая не только серьёзные повреждения самой трубопроводной системы, но и пожары, приводящие к человеческим жертвам, значительным экономическим потерям и ущербу окружающей среде. Более глубокое понимание процесса перекрытия клапанов и трубопроводов имеет решающее значение для предотвращения подобных катастроф и обеспечения безопасности производства и жизни. Перекрытие клапанов происходит, когда горючая смесь, образованная утечкой горючих материалов, смешивается с воздухом внутри или вокруг клапана и подключенной трубопроводной системы, образуя горючую смесь в концентрации, не превышающей предел взрываемости. При контакте с источником возгорания за очень короткий промежуток времени происходит бурная реакция горения, приводящая к взрыву.
Принципы прорыва клапанов и трубопроводов
(I) Образование горючей смеси
Утечка горючих материалов: Клапаны и трубопроводы могут давать утечки в течение длительного времени по ряду причин. Например, старение и износ уплотнений клапанов могут ухудшить герметичность, что приводит к утечке горючего газа или жидкости. В трубопроводах могут образовываться трещины и отверстия из-за коррозии, внешнего воздействия или дефектов сварки, что приводит к утечкам. На нефтехимических заводах трубопроводы, транспортирующие сырую нефть и природный газ, подвержены коррозии из-за длительного воздействия суровых природных условий или сложных условий промышленного производства. После пробоя сырая нефть или природный газ могут просочиться в окружающую среду. Горючие материалы, выделяющиеся при утечке, быстро смешиваются с окружающим воздухом. Если утечка происходит в плохо проветриваемом помещении, горючие материалы не могут быстро рассеиваться и разбавляются, что приводит к их накоплению. Когда концентрация горючих веществ в воздухе достигает определённого диапазона, известного как предел взрываемости, образуется горючая смесь. Различные горючие вещества имеют разные пределы взрываемости. Например, метан, его основной компонент, имеет нижний предел взрываемости около 5%, а верхний – около 15%. Это означает, что при объёмной концентрации метана в воздухе от 5% до 15% существует риск внезапного взрыва при воздействии источника огня. В городских газопроводах при утечке газа в плохо проветриваемых помещениях, таких как подвалы зданий и канализационные люки, может легко образоваться горючая смесь.
(II) Роль источников возгорания: распространённые типы источников возгорания
1.Открытый огонь: Горячие работы вблизи клапанов и трубопроводов, такие как сварка и резка, а также окурки от незаконного курения являются типичными источниками возгорания. Во время технического обслуживания на некоторых заводах, если огневые работы выполняются без эффективной изоляции и проверки безопасности системы клапанов и трубопроводов, может легко произойти взрыв при обнаружении горючей смеси, образовавшейся в результате утечки.
2.Электрооборудование может генерировать искры как при нормальной работе, так и при аварийных ситуациях. Например, искры могут возникать между щётками двигателя и коллектором, или между контактами выключателя при включении-выключении. В присутствии горючей смеси эти искры могут стать мощным пусковым механизмом для возникновения дугового разряда. На нефтедобывающих объектах, если электрооборудование не обладает взрывозащищёнными свойствами, искры, образующиеся во время работы, могут спровоцировать дуговой разряд в окружающей горючей смеси.
3.Искры статического электричества: При транспортировке легковоспламеняющихся жидкостей или порошков через клапаны и трубопроводы статическое электричество может легко возникать из-за трения жидкости о внутреннюю стенку трубопровода, распыления жидкостей, потока порошков и других факторов. Если статическое электричество не снимается своевременно и накапливается до определённого уровня, оно может привести к возникновению искр. На автозаправочных станциях при перекачке бензина между топливным насосом и топливным баком автомобиля, если насос не оснащён эффективными антистатическими средствами, искры статического электричества могут воспламенить окружающие летучие пары бензина, что приведёт к взрыву.
4.Горячие поверхности: Клапаны, трубопроводы или расположенные рядом высокотемпературные поверхности оборудования, такие как перегретые паропроводы и неохлаждаемые корпуса двигателей, могут стать источниками воспламенения. При контакте горючей смеси с этими горячими поверхностями она может воспламениться, вызывая взрыв. На некоторых химических заводах неправильная прокладка трубопроводов, когда трубопроводы горючего газа расположены слишком близко к трубопроводам высокотемпературного пара, создаёт риск взрывов, вызванных этими горячими поверхностями.
5.Искры от ударов и трения: Во время работы клапана удары между его компонентами, а также механические работы вблизи трубопроводов, такие как соударение металлических инструментов и перемещение оборудования, могут привести к появлению искр от трения и вызвать перекрытие. В угольных шахтах удары рабочих металлическими инструментами по трубам или клапанам могут спровоцировать серьёзное перекрытие, если поблизости происходит утечка горючей смеси газа (в основном метана).
6.Процесс взрыва, вызванного источником возгорания: как только горючая смесь образует взрывчатое вещество и встречает подходящий источник возгорания, область вблизи источника возгорания воспламеняется первой. Реакция горения быстро распространяется, мгновенно выделяя большое количество тепла. Это тепло вызывает быстрое расширение горючей смеси, резко увеличивая её давление и создавая мощную ударную волну, которая, в свою очередь, вызывает взрыв. Если в клапанной шахте, заполненной горючей смесью, кто-то случайно уронит металлический инструмент, искры, образующиеся при столкновении инструмента со стенкой шахты, могут мгновенно спровоцировать взрыв. Мощная ударная волна может сорвать крышку шахты и причинить серьёзный ущерб окружающим объектам и персоналу.
Распространенные причины перекрытия клапанов и трубопроводов
Отказ клапана
Отказ уплотнения: Герметичность клапана критически важна для предотвращения утечки рабочей среды. Уплотнения подвержены длительной эрозии и коррозии под воздействием рабочей среды, а также частым колебаниям температуры и давления, что приводит к старению, деформации и износу. Например, резиновые уплотнения, подвергающиеся воздействию высокотемпературных и высоконапорных газов или химических сред, постепенно теряют эластичность, трескаются и приводят к выходу из строя уплотнения. По статистике, около 60% утечек из трубопроводов, вызванных выходом клапана из строя, связаны с выходом из строя уплотнения. В некоторых городских газопроводах резиновые уплотнения некоторых старых клапанов сильно изношены, что приводит к частым утечкам газа и представляет значительную угрозу безопасности. Повреждение клапана: Компоненты клапана, такие как корпус и шток клапана, могут быть повреждены внешним воздействием, усталостью или дефектами материала. В промышленном производстве, если трубопроводная система подвержена стихийным бедствиям, таким как землетрясения и наводнения, клапаны могут быть повреждены падающими предметами. Частые циклы открытия-закрытия в течение длительного периода времени также могут привести к разрушению штока клапана из-за усталости. Клапан на трубопроводе, транспортирующем сильную кислоту на химическом предприятии, подвергся сильной коррозии и проколу из-за неправильного выбора материала. Это привело к утечке большого количества кислоты, которая затем вступила в контакт с окружающими легковоспламеняющимися материалами, что привело к взрыву.
Неправильная эксплуатация: Нарушение оператором правил эксплуатации клапана также может привести к взрыву. Например, принудительное открытие или закрытие клапана без сброса давления в трубопроводе может привести к резкому изменению давления в трубопроводе, что приведет к утечке.
Слишком быстрое открытие или закрытие клапана также может вызвать гидравлический удар, повреждающий клапан и трубопровод. На некоторых нефтепроводных насосных станциях операторы не проверяли состояние открытия соответствующих клапанов перед запуском насосов, ошибочно закрывая клапаны ниже по потоку. Это приводило к быстрому повышению давления в трубопроводе, что в конечном итоге приводило к разрыву клапана и утечке, а в конечном итоге – к взрыву.
Проблемы с трубопроводами
Коррозия
Коррозия трубопроводов является частой причиной выхода из строя клапанов и трубопроводных систем. Коррозию можно разделить на химическую и электрохимическую. Химическая коррозия в основном возникает при прямом взаимодействии труб с химическими веществами в транспортируемой среде. Например, при транспортировке по стальным трубам сред, содержащих серную кислоту, происходит химическая реакция, приводящая к коррозии внутренней стенки трубы.
Электрохимическая коррозия возникает, когда материал трубы образует гальванический элемент с окружающей средой, вызывая окислительно-восстановительные реакции на поверхности металла и разъедающую металл.
Металлические трубы, проложенные во влажной почве, подвержены электрохимической коррозии. Согласно исследованиям, около 30% утечек из трубопроводов вызваны коррозией. В некоторых прибрежных районах высокое содержание соли в почве и воздухе ускоряет коррозию металлических труб, транспортирующих воду или газ, что приводит к частым утечкам.
Внешние повреждения могут быть вызваны различными внешними воздействиями. Например, во время городского строительства строительная техника может случайно зарыться в подземные трубы или удариться о них. Тяжелые транспортные средства, движущиеся над землей, оказывают большое давление на подземные трубы, вызывая их деформацию и разрыв.
В некоторых дорожно-строительных проектах из-за недостаточного понимания условий прокладки подземных трубопроводов строительные бригады могут прорезать газопроводы во время земляных работ, что приводит к утечкам газа. При контакте с источником возгорания может произойти внезапный взрыв. Кроме того, стихийные бедствия, такие как землетрясения и наводнения, также могут нанести серьёзный ущерб трубопроводам. В сейсмоопасных районах вибрации и деформации грунта, вызванные землетрясениями, могут скручивать и разрушать подземные трубопроводы, что приводит к утечкам и внезапным взрывам.
Ненадлежащее качество монтажа и обслуживания: Ненадлежащее качество строительства при монтаже трубопровода, такое как неплотная сварка, неплотные соединения труб и неправильный уклон, может создавать скрытые опасности для последующей эксплуатации. Дефекты сварки могут привести к образованию трещин в трубопроводе во время эксплуатации, что приводит к утечкам.
Неплотные соединения труб могут легко привести к утечке теплоносителя через стыки. Неправильный уклон может привести к накоплению воды в трубопроводе, ускоряя коррозию и нарушая нормальную подачу теплоносителя.
В проектах по ремонту теплотрасс в некоторых старых жилых районах из-за ограниченной технической квалификации некоторых строителей и низкого качества сварки с момента ввода трубопроводов в эксплуатацию часто возникают утечки, что серьёзно влияет на повседневную жизнь жителей и в некоторых случаях даже приводит к несчастным случаям.
Кроме того, отсутствие регулярного технического обслуживания и осмотра во время эксплуатации трубопровода, что препятствует своевременному обнаружению и устранению коррозии и деформации, также может увеличить риск внезапных взрывов. Факторы окружающей среды
Плохая вентиляция: В закрытых или полузакрытых пространствах, таких как колодцы для клапанов, подвалы и траншеи для трубопроводов, плохая вентиляция препятствует быстрому рассеиванию просочившихся горючих материалов и может быстро накапливаться, образуя горючую смесь. Колодцы для клапанов часто встречаются в городских газопроводных системах.
Из-за ограниченного пространства и недостаточной вентиляции, при утечке через клапан газ может накапливаться в колодце, легко достигая предела взрываемости. При попадании на источник возгорания он может вызвать внезапный взрыв.
В некоторых заводских подвалах может быть расположено несколько трубопроводов. При ненадлежащей системе вентиляции утечка может создать опасный резервуар для воспламеняющихся смесей.
Колебания температуры и влажности: Колебания температуры и влажности также оказывают значительное влияние на системы клапанов и трубопроводов. Высокие температуры могут ускорить старение и коррозию труб и клапанов, сокращая срок их службы. Например, в летний период при высоких температурах трубопроводы, транспортирующие легковоспламеняющиеся и взрывоопасные жидкости, могут испытывать повышенную летучесть и давление, что может легко повредить уплотнения клапанов и привести к утечкам.
Колебания влажности также могут влиять на скорость электрохимической коррозии металлических труб. Во влажной среде металлические трубы более подвержены электрохимической коррозии. На некоторых химических заводах открытые трубопроводы, которые длительное время подвергаются воздействию атмосферных факторов, высоких температур и обильных дождей летом, подвергаются сильной коррозии, что увеличивает риск внезапных взрывов.
Вблизи источников огня и тепла: Наличие огня или источников тепла вблизи клапанов и трубопроводных систем также увеличивает вероятность внезапных взрывов. Как упоминалось ранее, источниками возгорания могут служить открытое пламя, искры от электрооборудования и высокотемпературные поверхности оборудования.
Если клапан или трубопровод расположены вблизи источников тепла, таких как котельные или печи, или если проводятся огневые работы, такие как сварка или резка, утечка в клапане или трубопроводе может легко спровоцировать взрыв, подвергая горючую смесь воздействию огня или источника тепла.
В некоторых промышленных парках производственные мощности разных компаний расположены плотно. Если утечка из клапана или трубопровода произойдет на одном предприятии во время проведения огневых работ на соседних предприятиях, это может спровоцировать мощный взрыв, вызывая цепную реакцию.
Типичные отраслевые сценарии, связанные с перекрытием клапанов и трубопроводов
Факторы окружающей среды
Плохая вентиляция: В закрытых или полузакрытых пространствах, таких как колодцы клапанов, подвалы и траншеи трубопроводов, плохая вентиляция препятствует быстрому рассеиванию просочившихся горючих материалов и может быстро накапливаться, образуя горючую смесь. Колодцы клапанов часто встречаются в городских газопроводах.
Из-за ограниченного пространства колодцев клапанов и недостаточной вентиляции, при утечке через клапан газ может накапливаться в колодце, легко достигая предела взрываемости. При попадании на источник возгорания может произойти перекрытие.
В некоторых заводских подвалах может быть расположено несколько трубопроводов. При недостаточной вентиляции утечка может привести к опасному скоплению горючих смесей.
Колебания температуры и влажности: Колебания температуры и влажности также оказывают значительное влияние на системы клапанов и трубопроводов. Высокие температуры могут ускорить старение и коррозию труб и клапанов, сокращая срок их службы. Например, в летний период при высоких температурах трубопроводы, транспортирующие легковоспламеняющиеся и взрывоопасные жидкости, могут испытывать повышенную летучесть и давление, что может легко повредить уплотнения клапанов и привести к утечкам.
Колебания влажности также могут влиять на скорость электрохимической коррозии металлических трубопроводов. Во влажной среде металлические трубы более подвержены электрохимической коррозии. На некоторых химических заводах открытые трубопроводы, которые длительное время подвергаются воздействию атмосферных факторов, высоких температур и обильных дождей летом, подвергаются сильной коррозии, что увеличивает риск взрывов.
Вблизи источников огня и тепла: Наличие огня или источников тепла вблизи клапанов и трубопроводных систем также увеличивает вероятность взрывов. Как упоминалось ранее, источниками возгорания могут служить открытое пламя, искры от электрооборудования и высокотемпературные поверхности оборудования.
Если клапан или трубопровод расположены вблизи источников тепла, таких как котельные или печи, или если проводятся огневые работы, такие как сварка или резка, утечка в клапане или трубопроводе может легко спровоцировать взрыв, подвергая горючую смесь воздействию огня или источника тепла.
В некоторых промышленных парках производственные мощности разных компаний расположены плотно. Если утечка из клапана или трубопровода произойдет на одном предприятии во время проведения огневых работ на соседних предприятиях, это может спровоцировать мощный взрыв, вызывая цепную реакцию.
Опасности взрывов клапанов и трубопроводов
Прямые травмы: При взрыве мгновенное воздействие высокой температуры, высокого давления и мощной ударной волны может привести к прямым и тяжёлым травмам находящихся рядом сотрудников. Высокие температуры могут вызвать обширные ожоги, которые в тяжёлых случаях могут быть опасны для жизни. Высокое давление и ударная волна могут подбросить людей в воздух, вызывая серьёзные травмы, такие как переломы, разрыв внутренних органов и повреждение головного мозга. При некоторых серьёзных взрывах клапанов и трубопроводов люди, находящиеся ближе всего к эпицентру взрыва, часто получают смертельные травмы.
Например, при взрыве на химическом заводе рабочий, осматривавший клапан, был отброшен ударной волной на несколько метров и мгновенно погиб. Несколько других рабочих получили серьёзные ожоги от высоких температур.
Косвенные травмы: Пожары, вызванные взрывами, также являются значительным фактором риска гибели людей. Густой дым, образующийся при пожаре, содержит большое количество токсичных и вредных газов, таких как угарный газ и диоксид серы, которые при вдыхании могут вызвать отравление и удушье. В некоторых случаях взрывов клапанов и трубопроводов в зданиях задымлённые проходы затрудняют эвакуацию, и многие люди погибают, вдыхая токсичные газы. Взрывы также могут привести к обрушению здания и погребению людей под землёй, что ещё больше усложняет спасательные работы и увеличивает риск жертв. Например, взрыв городского газопровода спровоцировал пожар в соседнем жилом доме. Пожар быстро распространился, дым перекрыл пути эвакуации, в результате чего некоторые жильцы оказались заблокированы внутри. В конечном итоге они получили ожоги от вдыхания токсичных газов и огня, что привело к многочисленным жертвам.
Ущерб имуществу
Вспышки клапанов и трубопроводов могут нанести разрушительный ущерб как самой системе, так и окружающим сооружениям и оборудованию. Клапаны и трубопроводы могут быть разрушены, а подключенное к ним оборудование, такое как насосы, компрессоры и резервуары, также может быть серьёзно повреждено.
На нефтехимических предприятиях весь производственный комплекс состоит из множества систем клапанов и трубопроводов. Внезапный взрыв может мгновенно вывести из строя всё предприятие, что потребует огромных затрат на реконструкцию и ремонт.
Например, взрыв в клапане и трубопроводе на установке атмосферно-вакуумной перегонки нефти крупного нефтеперерабатывающего завода серьёзно деформировал и повредил различные клапаны и трубопроводы установки, что привело к серьёзным повреждениям критически важного оборудования, такого как насосы сырой нефти и ректификационные колонны. Стоимость ремонта достигла десятков миллионов юаней, а производственные потери во время простоя были неисчислимы. На автозаправочных станциях взрывы могут привести к разрыву топливных резервуаров и повреждению заправочного оборудования, серьёзно повредив не только саму станцию, но и припаркованные рядом автомобили, что приводит к значительному ущербу и списанию.
Перерывы в производстве и убытки: Взрывы клапанов и трубопроводов часто приводят к приостановке производственной деятельности. Для промышленных предприятий перерывы в производстве означают задержку выполнения заказов, потенциальную неустойку, потерю клиентов и ущерб репутации компании.
Например, взрыв на химическом заводе вынудил производственные мощности остановиться на несколько месяцев для проведения ремонта и оценки безопасности.
В этот период компания не только потеряла выручку от обычного производства, но и понесла значительные неустойки за несвоевременную поставку продукции клиентам, уступив долю рынка конкурентам.
В городских системах газоснабжения взрывы могут нарушить газоснабжение отдельных районов или даже целых городов, нарушив жизнь жителей и коммерческую деятельность. Жители не могут использовать газ для приготовления пищи и отопления, а предприятия, такие как рестораны и гостиницы, не могут работать. В результате этого возникают значительные косвенные экономические потери.
Ущерб окружающей среде: Пожары, вызванные взрывами, генерируют большое количество вредных газов и дыма, вызывая сильное загрязнение атмосферы. В процессе горения выбрасываются такие загрязняющие вещества, как диоксид серы, оксиды азота, оксид углерода и твердые частицы.
Эти загрязняющие вещества не только вызывают резкое ухудшение качества воздуха, влияя на здоровье органов дыхания жителей окрестностей, но и могут способствовать вторичному загрязнению атмосферы, такому как кислотные дожди и смог. В случае взрыва трубопровода с клапанами на нефтехимическом заводе, если вытекшее вещество представляет собой серосодержащую сырую нефть или химикаты, выбросы кислых газов, таких как диоксид серы, от сгорания могут значительно увеличиться, что окажет долгосрочное воздействие на окружающую атмосферу.
Например, после того, как взрыв трубопровода с клапанами на химическом заводе привёл к пожару, индекс качества воздуха в близлежащих городах продолжал превышать норму в течение нескольких дней, воздух был наполнен резким запахом, а жители сообщали о таких симптомах, как кашель и затруднённое дыхание.
Загрязнение почвы и воды
Многие среды, транспортируемые по трубопроводам с клапанами, такие как сырая нефть и химическое сырье, токсичны и едки. После взрыва эти вещества попадают в почву и воду, вызывая серьёзное загрязнение. Вытекшая сырая нефть может проникать глубоко в почву, разрушая её структуру и влияя на воздухопроницаемость и плодородие. Это может помешать нормальному росту растений, что приведёт к снижению или даже полной гибели урожая. Если пролитый материал попадет в реки, озера и другие водоемы, он может загрязнить воду, вызывая массовую гибель и нарушая баланс водной экосистемы.
Например, после взрыва нефтепровода большое количество сырой нефти попало в близлежащие сельскохозяйственные угодья и реки. Загрязненные сельскохозяйственные угодья стали непригодными для обработки на долгие годы, а водные организмы, такие как рыба и моллюски, в реке оказались практически вымершими, что нанесло непоправимый ущерб экологической среде.
Кроме того, устранение загрязнения почвы и воды требует значительных человеческих, материальных и финансовых ресурсов, а также является трудоемким и сложным процессом.
Опасности, связанные с взрывами клапанов и трубопроводов, многогранны и чрезвычайно серьезны.
Для предотвращения подобных катастроф крайне важно строго соблюдать правила техники безопасности на каждом этапе проектирования, монтажа, обслуживания и ежедневного управления клапанами и трубопроводами. Необходимо усилить системы контроля безопасности и раннего оповещения, а также повысить осведомленность персонала в вопросах безопасности и возможности реагирования на чрезвычайные ситуации для обеспечения безопасной эксплуатации систем клапанов и трубопроводов.
