基于HAZOP的RDX氧化結晶工序風險分析*

陳明磊 秦亮 楊學斌 胡佩璇

(甘肅銀光化學工業(yè)集團有限公司 甘肅白銀 730900)

0 引言

目前，隨著我國炸藥生產(chǎn)行業(yè)的技術持續(xù)發(fā)展和管理水平的加強，我國在多數(shù)炸藥產(chǎn)品研制、產(chǎn)品性能、生產(chǎn)技術、管理水平、產(chǎn)品運輸工具等方面均取得了重大進展，但由于國內(nèi)RDX生產(chǎn)設備和生產(chǎn)技術主要來自前蘇聯(lián)援建，且近幾十年來少有改進，再加上生產(chǎn)過程中的設備管線復雜、工藝條件要求高、工房作業(yè)場所的安全隱患較多等各類因素，安全生產(chǎn)事故較為頻發(fā)，故RDX生產(chǎn)企業(yè)面臨的形勢較為嚴峻[1-2]。

我國RDX生產(chǎn)企業(yè)均采用的是直接硝解法制備RDX，此工藝過程主要包括硝化、氧化結晶、煮洗、過濾、干燥和包裝等工藝，其中氧化結晶工序是生產(chǎn)RDX的主要工序之一，此工序可以將硝酸(NA)與六次甲基四胺(HA)的硝解過程中生成的除目標產(chǎn)物RDX外的很多副產(chǎn)物去除，并直接影響下一工序的反應[3]。因此對RDX生產(chǎn)線中的氧化結晶工藝進行研究，確保RDX安全生產(chǎn)顯得尤為重要。

本研究采用HAZOP法對RDX氧化結晶工序進行危險有害因素辨識，查找RDX氧化結晶工序存在的工藝安全問題，并提出針對性的建議措施。

1 RDX氧化結晶危險性分析

RDX氧化結晶是RDX晶體析出的重要工序，主要包括析晶和副產(chǎn)物分解等，此工序在強酸和高溫的條件下進行，反應過程激烈、放熱量大。

(1)反應物料的危險性分析。在上一部硝化工序中，除了生成主產(chǎn)物RDX之外，還會生成較多副產(chǎn)物，如三硝基二氨基二甲胺、二羥甲基硝胺、三硝基三氨基三甲胺，羥甲基硝酸酯化合物及一些小分子碎片等，均進入到氧化結晶工序。這些副產(chǎn)物在廢酸中極不安定，常溫條件下易發(fā)生分解，由于分解反應放熱和自催化作用，可能會導致反應釜爆炸，造成事故，所以大部分副產(chǎn)物必須在此工序中升高溫度予以去除。

(2)氧化結晶的危險性分析。RDX的氧化結晶工序又稱高溫結晶，是指用水稀釋硝化液并結晶析出目標產(chǎn)物RDX的過程，即在上一步硝化工序中反應完全的硝化液溢流到連續(xù)罐式反應器結晶機后，經(jīng)孔板流量計連續(xù)加入一定量的水或稀硝酸稀釋并控制硝酸質(zhì)量分數(shù)在40%～45%之間，同時升溫并控制結晶機溫度在64～75 ℃之間，此時反應器同時進行RDX晶體的析出和副產(chǎn)物的氧化反應，反應結束后，RDX晶體析出并懸浮在母液中，副產(chǎn)物甲醛和硝酸銨分解生成的CO2、H2O、N2等氣體產(chǎn)物則從廢酸中排出，送入硝煙吸收工序[3]。

此工序反應劇烈，放熱量很大，達到8.0 MJ/kg RDX，存在較大的安全隱患，且此工序?qū)Ψ磻獥l件的控制要求非常嚴格，若反應釜內(nèi)的壓力過大或過小、反應的溫度過高或過低、攪拌不及時等，都有可能出現(xiàn)釜內(nèi)熱量積聚，溫度和壓力急劇升高，反應失控，導致樣品得率下降、沖料，甚至可能發(fā)生反應釜爆炸等事故。

2 RDX氧化結晶HAZOP分析

2.1 HAZOP方法概述

HAZOP(Hazard and Operability Study)，可譯為危險過程可操作性分析，最早在20世紀70年代早期由英國帝國化學工業(yè)集團(Imperial Chemical Industries)的石油化學部提出，HAZOP主要用于探明工藝過程及生產(chǎn)裝置可能存在的危險，并找出解決的方案。通過分析生產(chǎn)過程中工藝參數(shù)的變化，操作控制中可能出現(xiàn)的變動和偏差，查找對系統(tǒng)的影響和可能導致的結果，找出導致生產(chǎn)過程、反應裝置及系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)偏差的原因，明確存在的危害因素和主要危險，最終針對變動與偏差的結果得出相應的解決措施[4-6]。

HAZOP 在事故原因分析、減少事故的發(fā)生和降低災害帶來的損失等方面起到了重要的作用，被公認為是一種可極大提高安全生產(chǎn)的評價方法。近年來，我國對HAZOP分析也逐漸重視，國家安監(jiān)總局已將HAZOP分析作為危險分析方法進行重點推廣，并在2013年6月發(fā)布了《危險與可操作性分析 HAZOP 分析應用導則》(AQT 3049—2013)[7]。

HAZOP可以分為準備分析、完成分析和編制分析結果報告等三個步驟。由自控、現(xiàn)場操作、工藝和設備操作人員等各種專業(yè)人員同時對偏離設計的工藝條件進行分析和討論。HAZOP分析與其他安全評價方法的最大不同之處是其他安全評價方法可由一個人分析完成，但HAZOP分析則必須由一個此生產(chǎn)工序中各專業(yè)技術人員和管理人員組成的小組來合作完成[8]。

圖1為HAZOP分析過程的示意圖。

圖1 HAZOP分析的基本步驟

通過HAZOP分析能夠發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中可能存在的危險，然后據(jù)此對生產(chǎn)過程進行進一步的定量風險評估，量化裝置中的風險，所以HAZOP分析又是定量風險評估的方法之一，并被國外廣泛應用在裝置工藝過程危險性分析[9-10]。

2.2 RDX氧化結晶HAZOP分析過程

RDX氧化結晶工序主要包括結晶機、冷卻機、硝煙冷凝器和硝煙噴射器等設備，為了保證氧化結晶裝置安全穩(wěn)定地運行，選擇氧化結晶工序中危險性較大的連續(xù)罐式反應器結晶機為研究對象，應用HAZOP分析方法進行分析，找出事故潛在的原因，以氧化結晶系統(tǒng)作為分析節(jié)點，確定工藝參數(shù)偏差見表1，分析步驟見表2。

表1 HAZOP分析偏差矩陣

表2 HAZOP分析步驟

在本次HAZOP分析過程中，以關鍵詞為引導，較為詳細地分析了流量、壓力、溫度、雜質(zhì)和其他影響因素等引導詞，著重對氧化結晶裝置安全運行、產(chǎn)品質(zhì)量和人身傷害等因素進行討論，得出了這些偏差可能引起的后果，并提出了建議措施。

從以上HAZOP分析的結果上可知：RDX氧化結晶工序存在的主要危險有害因素是結晶機內(nèi)流量大或小、壓力高或低、反應溫度高或低、存在雜質(zhì)和公用工程故障等主要偏差，大部分的偏差均有相應的保護措施，可以降低或消除偏差的影響，但由于氧化結晶在RDX生產(chǎn)線中的重要性，針對一些發(fā)生頻率較高或危險系數(shù)較大的偏差還需要采取更進一步的保障措施。

3 建議措施

RDX的氧化結晶反應為強烈的放熱反應，在操作過程中隨著反應壓力和溫度的升高，有較大的爆炸隱患，需要對此工藝過程進行安全控制，確保RDX氧化結晶的工藝安全。針對上述RDX氧化結晶工序的HAZOP分析，提出建議措施如下：

(1)保證RDX生產(chǎn)原材料的質(zhì)量，防止原材料中出現(xiàn)雜質(zhì)影響樣品質(zhì)量及后續(xù)工序的安全。

(2)生產(chǎn)過程中要重點留意結晶機的各個參數(shù)，尤其是溫度和壓力的變化。

(3)需嚴格控制反應溫度，反應釜應采用有效的攪拌裝置及足夠的冷卻面以保證生產(chǎn)的安全。

(4)加強工作人員現(xiàn)場巡檢，做好應急處置預案。

通過以上分析可以看出，RDX生產(chǎn)廠家組建HAZOP分析團隊對RDX安全生產(chǎn)具有重大的意義。以RDX氧化結晶工序為例，對此工序的現(xiàn)場操作、工藝技術、儀表、自控等相關的專業(yè)人員和管理人員進行系統(tǒng)的HAZOP培訓，普及HAZOP理念和方法，抽調(diào)組成HAZOP 分析團隊，深入生產(chǎn)現(xiàn)場進行調(diào)研，不斷地積累本工序的知識和經(jīng)驗，辨別現(xiàn)有設備的安全措施是否滿足安全生產(chǎn)的需求，現(xiàn)有的應急處置預案等能否足以應對緊急情況等等，提出現(xiàn)場操作、工藝技術、儀表、自控等各類符合實際情況的建議和措施，既可豐富此工序上的各類人員的專業(yè)技術水平，同時也能保證此工序的安全生產(chǎn)。

4 結論

由于以往HAZOP分析主要應用于石油化工行業(yè)，當運用于火炸藥生產(chǎn)行業(yè)時，可能會存在沒有相關的標準規(guī)定及分析經(jīng)驗等，可能會造成可選參數(shù)較少和沒有合適偏差的情況。但從此次HAZOP分析的結果來看，HAZOP技術可用于RDX氧化結晶工序的危害分析，并系統(tǒng)地辨識RDX氧化結晶工序存在的隱患。

HAZOP分析方法客觀、詳細地分析了RDX氧化結晶工序可能出現(xiàn)的危險，并提出了有效的安全控制措施，有助于提高裝置工藝安全水平，對于指導RDX安全生產(chǎn)、安全設計、安全評價等方面具有重要的參考價值。