关于石油化工厂氢气压缩机大修期间发生闪爆
事故机理分析与系统化预防对策
作者：李子阳，男，1979年10月20日生，汉族，本科学历，国家注册安全工程师，职称：化工机械高级工程师，内蒙古赤峰市人，现任职大连珍奥生物技术股份有限公司，主要研究方向为化工机械安全管理。
Author: Li Zi-yang, male, born on October 20, 1979, Han ethnicity, bachelor’s degree, nationally registered safety engineer. Qualification: Senior Engineer in Chemical Machinery. Resident of Chifeng, Inner Mongolia. Currently employed at Da lian Zhen-Ao Biotechnology Co., Ltd. Main research area: safety management of chemical machinery.
通讯作者：李宇聪，男，2006年6月19日生，蒙古族，本科学历，辽宁省大连市人，沈阳师范大学学生，生物工程专业。
Corresponding author: Li Yu-cong, male, born on June 19, 2006, Mongolian ethnicity, holds a bachelor’s degree. He is from Dalian, Liaoning Province, and is a student at Shenyang Normal University, majoring in Biological Engineering.
地址：辽宁省大连市金普新区五一路328号 邮编：116100
邮箱：ziyang119@163.com
中文摘要：
氢气压缩机是炼油加氢装置的核心设备，其大检修期间的动火作业安全风险极高。本文以某石化企业氢气压缩机
在大修期间，因蒸汽蒸煮置换未能彻底清除多年沉积垢污，电焊作业火星引燃残留可燃物引发闪爆的事故为研究对
象，通过故障树分析（FTA）和热力学模型，揭示了硫化亚铁（FeS）燃烧与重烃蓄热的耦合致灾机理。研究了蒸汽蒸
煮工艺对高聚合度沉积垢的去除局限性，定量分析了清洗盲区的形成条件，在此基础上，提出了“量化清垢标准—物
理隔离升级—动态风险监控”三位一体的预防体系，并引入钝化清洗、内窥镜验收、在线气体监测等具体技术措施。
研究结果表明：仅依赖蒸汽蒸煮无法保证动火安全，必须将机械清洗与化学清洗纳入强制流程，将关键部件拆出作业
可从根本上消除点火源与可爆环境的耦合。本文成果可为同类设备的大修安全管理提供理论依据与技术参考。
关键词： 氢气压缩机；闪爆事故；蒸汽蒸煮；硫化亚铁自燃；动火作业；大检修；安全隔离
Mechanism Analysis and Systematic Prevention Countermeasures for Flash Explosion Accident of Hydrogen Compressor in Petrochemical Plant during Overhaul Period
Abstract:
Hydrogen compressor is the core equipment of hydrogenation unit in refineries,and the hot work
safety during its major overhaul is extremely risky. This paper
takes a flash explosion accident of a hydrogen compressor in a petrochemical plant
as the research object, which was caused by the incomplete removal of long-term
deposited fouling by steam cooking and the ignition of residual combustibles by
welding sparks. Through Fault Tree Analysis (FTA) and thermodynamic modeling, the
coupled disaster mechanism of iron sulfide (FeS) spontaneous combustion and heavy
hydrocarbon heat accumulation is revealed. The limitation of the steam cooking
process on highly polymerized deposited fouling is studied, and the formation
conditions of cleaning dead zones are quantitatively analyzed. On this basis, a
three-in-one prevention system of "quantified cleaning standards — physical
isolation upgrade — dynamic risk monitoring" is proposed, and specific technical
measures such as passivation cleaning, endoscope inspection, and online gas
monitoring are introduced. The results show that relying solely on steam cooking
cannot ensure hot work safety; mechanical cleaning and chemical cleaning must be
incorporated into the mandatory process. Removing key components from the work area
can fundamentally eliminate the coupling of ignition sources and explosive
environments. The results of this paper can provide theoretical basis and technical
reference for the safety management of similar equipment during major overhauls.
Keywords: Hydrogen compressor; Flash explosion accident; Steam cooking; Iron sulfide spontaneous combustion; Hot work; Major overhaul; Safety isolation
1. 引言
1.1 研究背景与意义
近年来，随着国内炼油企业加工高含硫原油比例的不断增加，加氢装置氢气压缩机的运行工况日趋苛刻，设备长周期运行（通常3-5年）后，气缸、缓冲罐、管路及转子表面会形成成分复杂的沉积垢。根据同类事故统计分析（见表1），因置换不彻底导致动火闪爆的事故占比较大，其中直接原因为FeS或重烃蒸气积聚引发燃烧。
表1 2015—2025年典型氢气压缩机检修闪爆事故统计
时间 | 企业 | 事故直接原因 | 是否经过蒸煮 | 损失等级 |
2017 | 山东某石化 | FeS自燃引燃残留气体 | 是（8h） | 设备报废 |
2019 | 辽宁某炼厂 | 焊渣进入转子腔 | 是（12h） | 转子损坏 |
2022 | 浙江某化工 | 切割火花引燃重烃蒸气 | 是（6h） | 人员轻伤 |
2025 | 本文案例 | 焊接火星+垢下残留 | 是（24h） | 压缩机受损 |
2 事故案例描述与失效机理分析
2.1 事故基本情况
某石化厂240万吨/年加氢裂化装置，在运行周期达到45个月后，对循环氢压缩机（型号：2D80-34.6/29-99，往复式）进行大修。检修前，按照《厂区动火作业安全规程》，对该压缩机进行了连续24小时蒸汽蒸煮置换，蒸煮参数为：蒸汽压力0.6MPa，温度158℃，排放口温度稳定在105℃后停止。经气体检测，可燃气体浓度0% LEL，一氧化碳(CO)浓度0 PPm,氧含量20.9%，硫化氢（H2S) 0 PPm, 符合动火作业条件后签发动火票。
作业内容：在压缩机缸体旁进行转子支架的焊接加固。焊接过程中，火星从防护盖板缝隙落入气缸与转子之间的间隙，约10秒后发生剧烈闪爆，导致气缸端盖飞出，转子弯曲变形，直接经济损失约370万元。
2.2 复合垢产生的原因及失效机理分析
2.2.1污垢的形成
（1）氢气压缩机前段加氢精制及重整装置的反应系统，如使用的原料硫含量较高，造成反应系统后部产生硫化亚铁，与其他烃类组分融合形成垢层，附着于氢气压缩机管道内壁及转子内部。
（2）在检修和停工期间，因为清空物料很多装置会打开，这样会使很多构件暴露在空气中，与空气中的氧气等接触发生反应，形成了大气腐蚀产生铁锈，铁锈由于不易彻底清除，在生产过程中就会与硫化氢作用生成硫化亚铁。
（3）电化学腐蚀反应生成硫化亚铁，原油中硫化物的结构比较复杂，在高温条件特别是在催化剂的作用下，极易分解生成硫化氢和较小分子硫醇。当有水存在时，这些硫化氢和硫醇对铁质设备 具 有 明 显 的 腐 蚀 作用。在 H2 S 的水 溶 液中，主要是不解离的分子态 H2 S 引起钢的脆化。这一过程按以下顺序进行:
H2 S + e→H2 S-
H2 S－ →HS- + H
H→H+ + e
HS－ + H→H2 S
以上反应反复进行，生成大量原子氢吸附在钢表 面，为钢 的 渗 氢 脆 化 提 供 了 必 要条 件，而H2 S 在钢腐蚀的氢电极反应中起了催化剂作用。这是一种电化学腐蚀过程:
阳极反应: Fe→Fe2+ + 2e
阴极反应: 2H+ + 2e→H2
Fe2+ 与 S2－ 及 HS－ 反应:
Fe2+ + S2－ →FeS↓
Fe2+ + HS－ →FeS↓ + H+
另外，硫与铁可直接作用生成硫化亚铁:
Fe + S→FeS↓
生成的硫化亚铁结构比较疏松，均匀地附着在设备及管道内壁。
2.2.2污垢聚合态分析
事故后对垢样进行X射线衍射(XRD)与气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析，揭示了其复杂的多相复合结构:
（1）无机物(62.3%):主要为四方硫铁矿（FeS,38.6%）晶粒尺寸（20-50nm)，磁铁矿Fe3O4（8.5%）及少量Fe203（15.2%），纳米级FeS具有高比表面积(≥30m2/g)，表面活性极高。
（2）有机物(37.7%):包括C15~C30重烃(21.3%)，含硫/含氮杂环化合物(9.8%)及高聚合度胶质/沥青质(6.6%)。这些有机物与FeS颗粒形成“无机-有机交联网络”结构，表现出高黏度(25°C下≥5000mPa·s)与高附着力，垢层厚度在气缸底部排气侧达到8~12mm，且在转子与气缸的环形间隙（设计间隙2.5~3.0mm）内形成“垢桥”，蒸汽无法穿透。
2.2.3蒸汽蒸煮的传质/传热局限性分析
蒸汽蒸煮主要通过潜热释放与冷凝水的溶解作用去除垢污。对于上述交联结构，该工艺存在根本性缺陷。
（1）热质传递模型:垢层内部的温度分布遵循一维稳态导热方程:
T(x)=Ts - 
x其中，垢层平均导热系数k≈0.18W/(m·K)(远低于碳钢的45W/(m·K)),当垢层厚度
=10mm，热流密度q=5x
W/
时，垢层内外温差△T可达:△T= 
x0.01 ≈2778°C (注:此计算为理想极端模型，旨在说明传热阻力巨大，实际垢层会因热应力产生微裂缝这表明，在常规蒸煮时间(<24h)内，垢层深处温度远低于重烃软化温度(通常>120°C)，导致形成“外软内硬、外洗内留”的现象。
（2）冷凝水渗透的毛细阻力:蒸汽冷凝水在毛细管力作用下向垢层深处渗透时，因重烃的疏水性和高粘度,渗透速率极低,采用Washburn方程估算：
当孔径R=100nm，表面张力y=70mN/m，粘度n=5000mPa·s时，渗透深度L在1小时内不足1mm。因此，水洗作用仅限于垢层表面。
2.2.4蒸汽蒸煮的局限性定量分析
蒸汽蒸煮主要通过热传导和冷凝溶解去除污垢。但对于高黏度、高聚合度的重烃-焦油混合物，其去除效率随垢层厚度增加呈指数下降。
计算模型：垢层内温度分布满足一维热传导方程：
T(x)=Ts−qkxT(x)=Ts−kqx
其中，垢层导热系数k≈0.15~0.25 W/(m·K)（远低于金属的40~50）。当垢层厚度δ=10mm时，垢层内外温差可达60~80℃，内部重烃无法达到软化温度（通常需＞120℃），导致“外软内硬”现象。
结论：即使蒸汽出口温度达标，垢层深处的重烃和FeS仍处于“活性状态”。
2.2.5 FeS氧化的化学动力学与自燃临界条件
垢层内部的FeS在蒸煮后仍处于“化学活性钝态”，其与空气接触的氧化反应为非催化气固反应:
该反应遵循缩核模型，其表观动力学方程及自燃潜伏期tig可表达为(基于Arrhenius方程与热平衡推导）
其中，Ea为反应活化能(约80kJ/mol)，Rp为垢层等效半径。当垢层厚度h>5mm(对应等效半径增大)，且局部受到焊接火星(T≈1500°C)加热时，反应速率常数k呈指数级增长，局域热量积累速率远超散热速率，导致温度失控热点形成，并在数秒内引发垢层内部“微爆炸"式的链式氧化反应。
2.2.6 故障树分析（FTA）
以“压缩机闪爆”为顶事件，建立故障树；中间事件：①可爆环境形成，②点火源存在；
底事件：
可爆环境：X1蒸煮时间不足；X2蒸煮死角存在；X3垢层覆盖重烃；X4气体检测点位错误。
点火源：X5焊接火星；X6FeS自燃；X7静电火花。
计算得到最小割集：{X2, X3, X5}（蒸煮死角+垢层重烃+焊接火星），该组合的发生概率最高，结构重要度系数达0.67，表明此组合是事故发生的最小径集，也是风险管控的核心。
故障树图形结构（文字层级描述）
压缩机闪爆（TOP)
（与门）
可爆环境形成（M1） 点火源存在（M2)
（或门） 
（或门）
X1 X2 X3 X5 X6 X7
（蒸煮时间不足）（蒸煮死角存在）（垢层履盖重烃） （焊接火星）（Fes自燃）（静电火花）
气体点 点位检测错误（作为可爆环境的误判因素）
3. 预防对策体系
3.1 清垢技术标准升级
3.1.1基于垢层厚度的分级清洗矩阵
将清垢标准量化为三级，强制纳入检修文件包。
等级 | 垢厚/mm | 推荐工艺组合 | 关键化学参数 |
I级 | <2 | 高温蒸汽(150°C)+热水冲洗 | 冲洗水pH≥9 |
II级 | 2~5 | 高压水射流(80~100MPa)+碱性化学清洗 | 清洗液配方:NaOH 1.5%, Na2CO3 0.5%,表面活性剂0.2%,温度70-80°C，循环时间4-6h |
III级 | >5 | 化学浸泡+高压水射流组合清洗 | 两步法: |
3.1.2 FeS化学钝化处理规程
清洗后，在设备内表面强制性实施钝化成膜工序:
钝化液配方:高锰酸钾(KMnO4,强氧化剂)0.3-0.5%，碳酸钠(Na2CO3,pH缓冲剂)1.0-1.5%，非离子表面活性剂(润湿剂)0.1%。
工艺条件:pH值严格控制在9-10，处理温度60-80°C，循环或浸泡时间≥45分钟。反应机理:将垢下残留及新生FeS表面氧化，形成致密的Fe(OH)或Fe2O3钝化膜。
被络合
验收指标:钝化后用铁氰化钾溶液滴测试样表面，不出现蓝色沉淀(普鲁士蓝反应阴性)，视为FeS去除合格。
3.2基于动态风险的气体监测与管控
3.2.1多点位在线组份监测
摒弃单点、单次检测，“作业前30分钟检测一次”的做法，采用在线多通道气体检测仪及用气相色谱或电化学传感器阵列进行连续监测。
布点策略:在气缸底部最低点(重烃易积聚)、顶部排空口、缓冲罐底部转子两端密封处、缓冲罐排凝口布置多点采样器。
监测指标与工艺阈值
可燃气体（0~100%LEL）、H₂S（0~100ppm）、O₂（0~25%）CO（0~100ppm）；
监测指标：报警阈值：根据国家标准 GB 30871-2022 的规定，动火分析的合格判定标准基于被测气体的爆炸下限 (LEL) ：
当爆炸下限 ≥ 4%时：被测浓度应 ≤ 0.5% (体积分数)。
当爆炸下限 < 4%时：被测浓度应 ≤ 0.2% (体积分数)。
3.3 物理隔离升级与作业票审批
3.3.1 关键部件拆出作业
对于涉及转子、缸体内壁、缓冲罐内部的动火作业，必须执行“拆出原则”，将转子吊出至专用检修区（距离工艺系统≥15m，下风向），缸体法兰口用盲板封堵，并用氮气保持微正压（50~100Pa），检修区地面铺设防火毯，配备灭火器及消防水带。
3.3.2 动火区域预处理
若无法拆卸，必须采取以下措施：
（1）双层隔离：石棉布（厚3mm）+镀锌铁皮（厚0.5mm）覆盖所有孔洞，缝隙处用防火泥封堵；
（2）湿化处理：在动火点周围2m内喷水润湿，保持湿度≥60%；
（3）接火装置：设置可移动式焊渣收集斗，材质为不锈钢，内衬耐火棉。
（4）消防保障：动火作业现场利用消火栓拉设DN65管径的消防水枪一支，8公斤灭火器2具。
（5）监护保障：动火作业现场由具备监护作业资质的监护人员2人，从不同角度动态进行监护管理。
3.3.3 “红黄绿”分级动火与联锁逻辑
引入信息化作业票与气体报警联锁。
（1）绿色动火:允许在远低于报警阈值的洁净区动火。
（2）黄色动火:在氢气压缩机本体进行动火，必须执行"拆出方案”，且气体检测系统与动火电焊机形成硬联锁--任一监测点可燃气体浓度超标，动火回路自动切断。
（3）红色动火:设备本体带压动火，原则上禁止。必须执行时，需经总工程师审批，并采用情性气体保护下的可控动火工艺(如局部充氮)。
3.4 引入化学工程单元操作的管理再造
3.4.1 “5+3”验收法
在蒸煮、清洗、隔离、检测、动火五个环节中，每个环节均设置强制停检点：
停检点A（生产进行退料后）：利用蒸汽连续24小时蒸汽蒸煮置换，蒸煮参数为：蒸汽压力0.6MPa，温度158℃，排放口温度稳定在105℃后停止；
停检点B（隔离后）：内窥镜检查+垢样分析，由第三方检测机构出具报告；
停检点C（动火前30min）：盲板位置拍照+气密性试验（压力0.2MPa保压10min无压降）；
停检点D：连续两次气体检测（间隔15min），数据一致方可作业。
停检点E：（进行动火作业前）：依据化学品生产单位特殊作业安全规范: GB 30871-2022，以及厂内动火作业安全管理制度规定对需要进行动火作业的现场环境，工艺处理情况、作业前的安全准备工作进行综合评估，由本单位各级相关管理及作业人员按要求签发作业许可审批手续，落实安全保障措施，符合要求后方可进行动火作业。
3.4.2 安全保障措施
（1）组织管理与风险辨识
组织机构：成立检修指挥部，明确指挥、执行、监护职责。作业人员须持证上岗，熟悉氢气火灾特性及应急处置。
风险辨识：作业前组织JSA分析，核心风险包括：
爆炸风险：隔离不彻底导致氢气窜入动火区，或死角残留气体。
着火风险：油污遇高温明火，或使用非防爆工具产生火花。
窒息风险：氮气置换区域防护不当。
安全培训：对参与检修的焊工、监护人员、安全员进行专项安全培训。
（2）工艺安全措施
系统隔离盲板管理的工程化:将"加盲板”视为一个化工单元操作，盲板图应与管道及仪表图(P&ID)严格对应，所有盲板加装位置、规格、责任人必须在图上一一标定，并执行“盲板司令“签字验收制。
必须用盲板彻底切断压缩机与上下游工艺系统的连接，严禁仅依赖阀门关闭。在氢气进出口法兰、冷却水进出、排空阀、放净阀等所有连接处加装盲板。盲板须挂牌标识，厚度经计算满足压力要求。
改造“气密性试验”验收:隔离后，对检修单元进行0.2 MPa氮气保压试验，压力降率≤1%/小时方可视为系统隔离合格，这从根本上杜绝了阀门内漏的风险。
置换与清洗
氮气置换：通入纯度≥99.5%的氮气进行置换，采用“加压-泄压-取样”循环法，排出气体放空至安全高处。
合格标准：系统内任何死角（如下部排尽口）取样检测，氢气体积分数＜0.4%，含氧量≤0.5%。
清洗脱脂：打开气缸盖后，清除转子及缸体内壁的积碳和油泥，避免高温下发生燃烧或爆炸。
工艺管线部分管段或在其分支处存在盲点或死节，如存在易燃易爆介质，很难将其置换清洗彻底，工艺系统置换交检修前要进行详细验收确认，要做到系统本质安全。
化学清洗废液处理:所有清洗废液必须作为危险废物进行单独收集、暂存，并交由有资质的单位处理，严禁直排污水系统，以防产生次生环境事故。
（3）气体检测与实时监控
初始检测：动火前30分钟内，在压缩机缸体开口处、法兰密封面、地沟、厂房顶部等氢气易聚集处进行检测，合格方可开具动火票。
连续监测：作业中必须配备便携式四合一气体探测器和固定式氢气探测报警仪，连续监测作业区。一旦报警立即停止作业、撤离人员，查找漏点。
（4）应急准备与清理
消防措施：现场配备足量干粉灭火器、二氧化碳灭火器。若需电焊，须配备专职监火人及消防水带，对焊渣实施湿淋降温。
人员防护：作业人员须穿防静电工作服（严禁化纤），禁止穿带钉鞋。进入现场前触摸静电消除球。
完工验收：作业结束后，清理焊渣等火种，确认无残留火星。监护人留守观察30分钟以上方可离开。
4. 结论
在氢气压缩机检修过程中，对含有硫化亚铁的重烃复合垢形成的因素有油品含硫状况、设备材质等级、防腐技术水平、与空气接触机会、温度和湿度条件等。防范硫化亚铁等复合垢造成闪爆必须制定防范措施，需要从工艺操作过程、设备运行维护、检修过程管理等方面全面防控，确保实现安全平稳生产。
（1）机理层面：氢气压缩机长周期运行后形成的垢污，尤其是厚度＞5mm的FeS-重烃复合垢，无法通过常规蒸汽蒸煮彻底清除。垢层内部的FeS在焊接火星触发下可在数秒至数分钟内发生自燃，是闪爆事故的主要致因。
（2）技术层面：仅靠气体检测合格不能作为动火安全的充分依据。必须建立“分级清洗—内窥验收—钝化处理”的清垢技术标准，并强制要求关键部件拆出作业区进行动火。
（3）管理层面：引入“5+3”验收法和三色动火票制度，通过强制停检点和多层级审批，消除“经验主义”带来的侥幸风险。在线多通道气体监测应成为动火期间的标配。
（4）实践价值：本文提出的对策体系已在某石化企业两套加氢装置及重整装置的大修中得到应用，实施后近2年内未发生因置换不彻底导致的闪爆事件，验证了其有效性和可操作性。
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