化工企業(yè)加氫裝置運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及安全管控措施

王 濤

1.中國(guó)石化安全工程研究院 2.國(guó)家石化項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù)中心 3.化學(xué)品安全控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

加氫工藝是指裝置在一定的溫度、壓力、氫氣條件下，原料和氫氣在反應(yīng)器內(nèi)催化劑的作用下，通過(guò)化學(xué)反應(yīng)達(dá)到產(chǎn)品性能要求的工藝技術(shù)總稱[1]。

國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局發(fā)布的《重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝目錄（2013年完整版）》中共有18種重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝，其中加氫工藝列入其中。由于該工藝過(guò)程復(fù)雜，處于高溫、高壓、臨氫操作環(huán)境，且工藝介質(zhì)存在易燃易爆性，因此，識(shí)別加氫工藝裝置運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定高效運(yùn)行，確保生產(chǎn)人員和關(guān)鍵設(shè)備的安全運(yùn)行具有十分重要的意義。

1 加氫裝置運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

1.1 物料的易燃易爆及毒性

加氫裝置的原料和產(chǎn)品多為易燃、易爆物質(zhì)，且處于高溫、高壓、臨氫的操作條件下，給裝置帶來(lái)一定的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，由于裝置處理原料所含組分和氫氣對(duì)設(shè)備材質(zhì)具有腐蝕性，因此，當(dāng)泄漏溫度超過(guò)其自燃點(diǎn)、遇靜電或熱源就可能引發(fā)火災(zāi)、爆炸事故。加氫裝置主要物料危險(xiǎn)特性，見表1。

表1 主要物料危險(xiǎn)特性

1.2 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的復(fù)雜性

加氫反應(yīng)屬?gòu)?qiáng)烈的放熱過(guò)程，在裝置運(yùn)行過(guò)程中隨著溫度、壓力不斷升高，氫氣會(huì)導(dǎo)致氫鼓泡、氫脆、表面脫碳、氫剝離及氫腐蝕，其中最重要的是氫腐蝕，這種腐蝕存在于加氫反應(yīng)器及相應(yīng)的管線等。此外，加氫反應(yīng)若加料速度過(guò)快、升溫過(guò)高或過(guò)快攪拌不及時(shí)等，都可能會(huì)使熱量積聚，溫度、壓力急劇上升，發(fā)生反應(yīng)失控,導(dǎo)致沖料,嚴(yán)重的可致反應(yīng)釜爆炸[2]。

1.3 生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行的危險(xiǎn)性

（1）加熱爐。加熱爐出口溫度較高，輻射管中介質(zhì)有氣體、輕烴、原料油、氫氣等，若加熱爐選材和焊接質(zhì)量不當(dāng)，易發(fā)生爐管腐蝕穿孔或焊口拉裂泄漏，油氣泄漏遇明火即可發(fā)生爆燃。此外，加熱爐因操作不當(dāng)，燃料氣帶液壓力升高也會(huì)造成加熱爐超溫。在開工點(diǎn)火或停爐再點(diǎn)爐時(shí)，如爐膛置換不凈，監(jiān)測(cè)不到位，當(dāng)燃料氣達(dá)到爆炸濃度時(shí)，會(huì)發(fā)生爐膛爆炸事故。

（2）反應(yīng)器。加氫反應(yīng)器屬裝置的核心設(shè)備，在生產(chǎn)過(guò)程中，隨著反應(yīng)的不斷深入，釋放的熱量逐漸增加，在裝置內(nèi)沿反應(yīng)器軸向存在催化劑床層溫升，當(dāng)反應(yīng)溫升過(guò)高而不可控制時(shí)，可能導(dǎo)致反應(yīng)物流在高溫區(qū)內(nèi)發(fā)生激烈反應(yīng)，甚至發(fā)生二次、三次裂解反應(yīng)，放出更多的反應(yīng)熱，使反應(yīng)溫度更高，如此惡性循環(huán)，可能導(dǎo)致溫度超過(guò)催化劑允許的最高使用溫度，損壞催化劑，甚至可能引起催化劑床層“飛溫”，若不及時(shí)處理或處理不當(dāng)將發(fā)生著火爆炸事故。

（3）高壓分離器。高壓分離器包括熱高壓分離器和冷高壓分離器，其主要是在較高壓力下將純度較高的循環(huán)氫氣從油氣水混合物中分離（氣、油、水三相分離）出來(lái)循環(huán)利用，避免循環(huán)氫帶液[3]。如果液面過(guò)高，可能會(huì)影響循環(huán)氫脫硫塔及循環(huán)氫壓縮機(jī)平穩(wěn)操作；液面過(guò)低會(huì)引起排低分油帶氣嚴(yán)重，甚至?xí)斐筛邏捍蛪菏鹿?，后果十分?yán)重。

（4）循環(huán)氫脫硫塔。循環(huán)氫脫硫塔內(nèi)工藝介質(zhì)為燃料氣、石腦油、氫氣和硫化氫等混合物，該塔頂內(nèi)部硫化氫集中，易發(fā)生硫化氫腐蝕泄漏，如遇點(diǎn)火源將會(huì)引發(fā)火災(zāi)爆炸事故。

（5）分餾塔。分餾塔區(qū)設(shè)備數(shù)量較多，且處理介質(zhì)多為易燃、易爆物料，高溫?zé)嵊捅貌课蝗舭l(fā)生泄漏，可能引發(fā)火災(zāi)事故。特別是在開工或生產(chǎn)波動(dòng)時(shí)，由于溫度、壓力變化幅度較大時(shí)，熱脹冷縮可能發(fā)生拉裂管線或拉開法蘭造成物料泄漏。

（6）壓縮機(jī)。循環(huán)氫和新氫壓縮機(jī)輸送物料為氫氣，屬于甲類可燃?xì)怏w，火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)大。由于設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)容易引起管線、設(shè)備同步振動(dòng)，增加了設(shè)備疲勞損壞故障，如焊縫開裂、管壁減薄處斷裂等造成介質(zhì)泄漏[4]。此外，高壓分離器液面過(guò)高導(dǎo)致循環(huán)氫帶液，也會(huì)使壓縮機(jī)失去平衡和產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備，造成氫氣泄漏，遇點(diǎn)火源發(fā)生燃爆。這些設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，見表2。

表2 加氫裝置主要設(shè)備區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

2 裝置運(yùn)行中可能引發(fā)的事故模式及類型

2.1 引發(fā)事故的模式

裝置運(yùn)行過(guò)程中，由于設(shè)備老化、管線損壞（破裂）或操作失誤容易引起物料泄漏，導(dǎo)致大量易燃、易爆、有毒、有害物質(zhì)釋放，引發(fā)火災(zāi)、爆炸、中毒等重大事故發(fā)生。

危險(xiǎn)性物質(zhì)的泄漏有兩種方式，即連續(xù)性泄漏和瞬時(shí)性泄漏，所謂連續(xù)性泄漏是指泄漏源是連續(xù)源或泄放時(shí)間大于或等于擴(kuò)散時(shí)間；而瞬時(shí)泄漏是指泄漏時(shí)間相對(duì)于擴(kuò)散時(shí)間比較短的泄漏[5]。泄漏事故危害后果不僅與物質(zhì)的數(shù)量、易燃性、毒性有關(guān)，而且還與泄漏物質(zhì)的相態(tài)、壓力、溫度等狀態(tài)有關(guān)[6]。

（1）可燃?xì)怏w泄漏后與空氣混合，當(dāng)混合濃度達(dá)到燃燒極限時(shí)，遇到點(diǎn)火源就容易引起火災(zāi)或爆炸。立即起火，可燃?xì)怏w從壓力容器中往外泄出時(shí)即被點(diǎn)燃，發(fā)生擴(kuò)散燃燒，產(chǎn)生噴射性火焰或形成火球，它能迅速危及泄漏現(xiàn)場(chǎng)，但很少會(huì)影響到設(shè)備所在區(qū)域的外部。滯后起火，可燃?xì)怏w泄出后與空氣充分混合，形成可燃蒸氣云團(tuán)，并隨風(fēng)飄移，遇點(diǎn)火源或高熱能，將發(fā)生爆炸或爆轟，破壞范圍較大。

（2）有毒氣體泄漏后形成云團(tuán)，在空氣中擴(kuò)散，有毒氣體的濃密云團(tuán)籠罩空間越大，危害范圍越大。

（3）一般情況下，泄漏的液體首先在空氣中蒸發(fā)而形成蒸氣，泄漏擴(kuò)散危害后果常與液體的性質(zhì)和貯存條件(溫度、壓力)有關(guān)。常溫常壓下液體泄漏，液體泄漏后聚集在防液堤內(nèi)或地勢(shì)低洼處形成液池，由于池表面風(fēng)的對(duì)流池內(nèi)液體開始緩慢蒸發(fā)、擴(kuò)散，當(dāng)遇到點(diǎn)火源將發(fā)生池火災(zāi)[7]；加壓液化氣體泄漏，液體泄漏時(shí)一部分瞬時(shí)蒸發(fā)，剩余液體將形成一個(gè)液池；低溫液體泄漏，液體泄漏時(shí)將形成液池吸收周圍熱量蒸發(fā)，蒸發(fā)量低于加壓液化氣體的泄漏量, 高于常溫常壓下液體的泄漏量。

2.2 發(fā)生事故的類型

（1）壓力容器和壓力管道超壓破裂。生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中使用的壓力容器、壓力管道因強(qiáng)度降低，或安全閥失效，或高壓串低壓等原因引起的超壓破裂或爆炸，從而引起物料的泄漏、跑料。

（2）設(shè)備腐蝕。包括設(shè)備內(nèi)腐蝕和外腐蝕兩種。內(nèi)腐蝕是設(shè)備、管線內(nèi)介質(zhì)對(duì)設(shè)備、管線的化學(xué)腐蝕，加氫裝置設(shè)備腐蝕主要包括臨氫系統(tǒng)的氫腐蝕、含硫化氫介質(zhì)的硫化氫腐蝕等；外腐蝕是大氣中存在的腐蝕性物質(zhì)對(duì)設(shè)備、管線外表面的腐蝕，設(shè)備、管線一旦被腐蝕穿孔破裂，介質(zhì)就會(huì)泄漏、擴(kuò)散。

（3）設(shè)備磨損、沖蝕。物料介質(zhì)在設(shè)備、管線以汽液二相狀態(tài)流動(dòng)（特別在管線彎頭部位）[8]，如果操作不平穩(wěn)，波動(dòng)頻繁，或設(shè)備材質(zhì)選擇不當(dāng)，或介質(zhì)中含固體顆粒等雜質(zhì)，線速高等，易引起設(shè)備管線的磨損和沖蝕，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致物料泄漏、擴(kuò)散。

（4）應(yīng)力損壞。設(shè)備、管線在使用過(guò)程中或因溫度和壓力周期性的變化，或因設(shè)備與管線的連接部位振動(dòng)頻繁等產(chǎn)生疲勞斷裂，導(dǎo)致物料泄漏。

（5）遭受外力破壞。設(shè)備管線等遭受外力的破壞，使設(shè)備管線發(fā)生破裂，導(dǎo)致物料泄漏。

（6）密封失效。生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備設(shè)施的密封和靜密封因密封材質(zhì)選擇不當(dāng)、高低溫變化頻繁、封油中斷、端封損壞、冷卻水中斷等原因造成的密封失效而造成物料泄漏、跑料、串料。

（7）誤操作或操作不當(dāng)。如冒頂、切水閥未及時(shí)關(guān)閉、流程錯(cuò)誤等造成的跑料、泄漏、竄料。

（8）隔斷設(shè)備失效。閥門、盲板、水封等設(shè)施失效所造成的泄漏、跑料、串料或高壓串低壓事故。

3 安全風(fēng)險(xiǎn)管控措施

加氫裝置生產(chǎn)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)源于操作條件、處理物料自身具有的危險(xiǎn)性，因此，裝置運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)對(duì)危險(xiǎn)物料和設(shè)備進(jìn)行安全監(jiān)控，對(duì)操作人員進(jìn)行安全教育和技能培訓(xùn)。

3.1 工藝技術(shù)本質(zhì)安全措施

（1）針對(duì)加氫裝置運(yùn)行過(guò)程中處理物料的特性及潛在風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，結(jié)合國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局頒布的《重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝（2013年完整版）》中關(guān)于加氫工藝的重點(diǎn)監(jiān)控工藝參數(shù)、安全控制要求，設(shè)置相應(yīng)的報(bào)警設(shè)施及安全聯(lián)鎖系統(tǒng)。

（2）裝置應(yīng)采用先進(jìn)可靠的DCS控制系統(tǒng)，對(duì)操作中變化較大、較重要的工藝參數(shù)應(yīng)設(shè)置越限報(bào)警等自動(dòng)控制和聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，確保在誤操作或非正常工況下對(duì)危險(xiǎn)物料的安全控制。

（3）為提高裝置生產(chǎn)的安全性，應(yīng)設(shè)置獨(dú)立于DCS系統(tǒng)的安全儀表系統(tǒng)（SIS）和緊急停車系統(tǒng)（ESD），在緊急情況下自動(dòng)關(guān)停威脅裝置安全的泵或閥門。

（4）壓縮機(jī)組應(yīng)單獨(dú)設(shè)置自動(dòng)報(bào)警和自動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生誤操作或意外事故時(shí)可自動(dòng)關(guān)停危及安全的操作。

（5）裝置應(yīng)設(shè)置緊急切斷系統(tǒng)和緊急泄壓火炬系統(tǒng)，保證非正常工況下危險(xiǎn)物料能夠安全排出并安全處置。

（6）為避免反應(yīng)器床層飛溫，工藝技術(shù)應(yīng)有確保進(jìn)反應(yīng)器冷氫管線暢通的安全措施，適當(dāng)降低爐入口溫度，提高循環(huán)氫壓縮機(jī)排量。

（7）原料油混氫、反應(yīng)器進(jìn)冷氫、空冷器注水、離心式壓縮機(jī)出口等處均應(yīng)設(shè)置可靠的單向閥。

（8）選用的設(shè)備材料在使用中可能發(fā)生濕H2S應(yīng)力腐蝕開裂的部位，在制造完畢后必須進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安全管控措施

（1）加熱爐燃料分液罐除設(shè)玻璃板液位計(jì)外，還應(yīng)設(shè)置遠(yuǎn)傳外浮球液位報(bào)警器，并在DCS顯示報(bào)警，避免燃料氣帶液，引起爐膛大火，燒壞爐管。

（2）加熱爐長(zhǎng)明燈和燃料氣火嘴供氣管道應(yīng)分別設(shè)立自力閥和控制閥，并在各路設(shè)置快速切斷閥，設(shè)定先后關(guān)閉順序，防止瓦斯串入，發(fā)生爐膛爆炸事故。

（3）生產(chǎn)過(guò)程中所有物料均應(yīng)處在密閉狀態(tài)下，各類危險(xiǎn)化學(xué)品在裝置區(qū)邊緣與公用工程管線連接部位根部應(yīng)設(shè)置切斷閥。進(jìn)出裝置管線包括燃料氣、汽油、H2、柴油等管線以及脫硫劑、氮?dú)?、H2、工業(yè)風(fēng)等管線應(yīng)安裝三閥組、止回閥或“8”字盲板。

（4）裝置內(nèi)設(shè)備、建（構(gòu)）筑物的布置、防火間距應(yīng)符合《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50160-2008）的規(guī)定，滿足安全生產(chǎn)、防火、防爆和施工、檢修、操作要求。

（5）裝置在停電、停汽或操作不正常情況下，可能發(fā)生物料倒流，因此相應(yīng)設(shè)備、管道應(yīng)設(shè)置自動(dòng)切斷閥、止回閥等安全設(shè)施。

（6）循環(huán)氫壓縮機(jī)入口處應(yīng)設(shè)緊急排泄系統(tǒng)，以防系統(tǒng)超壓發(fā)生事故。

（7）企業(yè)應(yīng)根據(jù)裝置特點(diǎn)，選擇先進(jìn)的工藝技術(shù)和符合工藝要求的設(shè)備，保證裝置所用的設(shè)備和管線的材質(zhì)符合工藝要求。按照《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50493-2009)要求，設(shè)置可燃?xì)怏w和有毒氣體（H2S）檢測(cè)報(bào)警儀并處于完好狀態(tài)。

4 結(jié)論與建議

加氫工藝具有高溫高壓、易燃易爆等危險(xiǎn)特性，發(fā)生重大事故的幾率較高，作為重點(diǎn)監(jiān)管危險(xiǎn)化工工藝，企業(yè)必須采取有效的安全防范措施進(jìn)行安全控制。本文通過(guò)對(duì)加氫裝置生產(chǎn)過(guò)程潛在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了識(shí)別，并提出了相應(yīng)的安全防范措施。建議涉及加氫工藝的化工企業(yè)應(yīng)高度重視，新建裝置應(yīng)采用HAZOP和LOPA相結(jié)合的分析方法進(jìn)行方案審查，在役裝置應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家規(guī)定的危險(xiǎn)化工工藝安全控制要求，加強(qiáng)工藝管理、設(shè)備維護(hù)和監(jiān)測(cè)，控制和消除各種危險(xiǎn)因素，做到防患于未然。

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