化工園區(qū)中環(huán)氧乙烷的危險(xiǎn)性分析及防范措施

李滿熙

（上海度標(biāo)檢測(cè)技術(shù)有限公司，上海 201100）

0 引言

環(huán)氧乙烷（EO）別名“氧化乙烯”，易燃（閃點(diǎn)＜18℃）、易爆（爆炸極限3.0～100%）、易揮發(fā)（沸點(diǎn)10.7℃），常溫狀態(tài)為無(wú)色刺激性氣體。易自聚；屬?gòu)?qiáng)氧化劑；有毒，屬一類致癌物。該物質(zhì)為重要的石化產(chǎn)品，廣泛用于洗滌、制藥、印染等領(lǐng)域。

EO因其自身特點(diǎn)，不易長(zhǎng)途運(yùn)輸，具有很強(qiáng)的地域性，故多數(shù)EO企業(yè)集中在化工園區(qū)，下游的精細(xì)化工企業(yè)與上游的EO生產(chǎn)企業(yè)構(gòu)成產(chǎn)業(yè)鏈，共同形成上下游結(jié)合、產(chǎn)業(yè)互補(bǔ)、利益共享的產(chǎn)業(yè)格局。

1 化工園區(qū)EO在各環(huán)節(jié)中的危險(xiǎn)性

1.1 物質(zhì)危險(xiǎn)性

（1）易燃、易爆。EO的最小引燃能量?。?.065 mJ），并且閃點(diǎn)低，遇各種點(diǎn)火源均可燃燒，即使在水溶液中也可燃燒。其蒸汽密度比空氣重，可于低處擴(kuò)散至遠(yuǎn)方，遇火源會(huì)回燃。其化學(xué)性質(zhì)活潑，與多數(shù)的酸、堿、堿金屬、鐵的化合物等物質(zhì)接觸，均可猛烈反應(yīng)、大量放熱。無(wú)空氣環(huán)境下，其蒸汽溫度＞560℃可爆炸分解。EO的爆炸范圍廣闊，爆炸極限3～100%（V/V%），1 kg環(huán)氧乙烷＝2.7～5.0 kgTNT當(dāng)量[1]，爆炸威力大。（2）易揮發(fā)。EO沸點(diǎn)低，易揮發(fā)，溫度高于沸點(diǎn)時(shí)呈氣態(tài)。長(zhǎng)江流域及以南地區(qū)的極端最低氣溫高于-10 ℃[2]，春夏秋季各地的氣溫一般高于EO的沸點(diǎn)（10.7℃），EO需冷量以保持液態(tài)。一旦冷量不足，液態(tài)EO將迅速氣化，體積膨脹，致使容器內(nèi)壓力大增，導(dǎo)致容器爆裂或爆炸，使EO發(fā)生泄漏。（3）自聚。EO儲(chǔ)存溫度一般-5℃，低溫時(shí)其自聚速度緩慢，其聚合物可堵塞管道等設(shè)施；高溫條件下（＞100℃）EO可迅速自聚，同時(shí)產(chǎn)生大量的熱，導(dǎo)致容器破裂或爆炸。此外，酸、堿、堿金屬、金屬氧化物（如鐵銹）、高活性催化劑（如鐵、錫的無(wú)水氯化物）及一些有機(jī)物（如醛）等許多物質(zhì)，也可誘發(fā)EO的自聚，大量放熱，最終引起爆炸。（4）毒性。EO可抑制人的中樞神經(jīng)、嗅覺等系統(tǒng)，低濃度低時(shí)人員不易覺察。其對(duì)眼、呼吸道、肺等強(qiáng)烈刺激，接觸可致皮膚迅速紅腫、灼傷眼角膜，嚴(yán)重急性中毒可至昏迷。EO為致癌物，對(duì)人致癌（G1），時(shí)間加權(quán)平均容許濃度（PC-TWA）=2 mg/m3[3]。（5）其他。EO在管道輸送、車輛運(yùn)輸時(shí)易產(chǎn)生靜電。EO與水會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，溫度低于10℃反應(yīng)很慢，遇高溫水會(huì)迅速反應(yīng)，產(chǎn)物為乙二醇。液態(tài)EO泄漏時(shí)會(huì)氣化并吸熱，造成周圍急劇降溫，人員接觸將導(dǎo)致凍傷。

1.2 平面布局危險(xiǎn)性

若園區(qū)規(guī)劃時(shí)設(shè)計(jì)不合理，對(duì)EO設(shè)施的危害影響缺乏充分認(rèn)識(shí)，一旦EO設(shè)施發(fā)生BLEVE等災(zāi)害模式，事故影響半徑超出本企業(yè)，產(chǎn)生多米諾效應(yīng)，將對(duì)周邊企業(yè)及廠外道路上的行人、車輛造成影響。若企業(yè)內(nèi)部布局不合理，EO裝置、儲(chǔ)罐、管道等設(shè)備設(shè)施與內(nèi)部辦公樓、值班室、車間等其他建筑設(shè)施的防火間距不足，一旦發(fā)生事故，將對(duì)周邊的人員及設(shè)施構(gòu)成威脅。

1.3 生產(chǎn)、使用中的危險(xiǎn)性

以EO為原料進(jìn)行生產(chǎn)的企業(yè)，涉及各類化學(xué)反應(yīng)。EO化學(xué)性質(zhì)活潑，可與多種物質(zhì)反應(yīng)，且反應(yīng)需要的觸發(fā)條件少，若原料的投料次序或投料量控制失誤，EO參與的反應(yīng)失控，易引發(fā)事故。若反應(yīng)溫度失控過(guò)高，使EO發(fā)生自聚，則易導(dǎo)致反應(yīng)釜或破裂，引發(fā)泄漏、火災(zāi)等。機(jī)泵密封性能不良，軸承損壞使泵體振動(dòng)過(guò)大，機(jī)泵運(yùn)行波動(dòng)產(chǎn)生靜電等，均易引發(fā)物料泄漏、火災(zāi)爆炸等事故[4]。

1.4 儲(chǔ)存危險(xiǎn)性

EO的儲(chǔ)存方式一般以儲(chǔ)罐為主，臥式罐、球形罐居多。主要風(fēng)險(xiǎn)有：

（1）設(shè)備缺陷。若焊接缺陷、焊縫質(zhì)量不佳，設(shè)備材質(zhì)缺陷，閥門、法蘭、墊片、液位計(jì)等部件損壞，壓力表、安全閥等安全附件失效，則易造成物料泄漏，遇點(diǎn)火源引起火災(zāi)、爆炸。（2）腐蝕。沿海等潮濕、富含氯離子環(huán)境下，防腐蝕措施不到位，儲(chǔ)罐的腐蝕會(huì)加速。受腐蝕的部位不足以承受容器的壓力時(shí)，容器將破裂，使EO泄漏。（3）基礎(chǔ)缺陷。若儲(chǔ)罐地基缺陷，基礎(chǔ)發(fā)生不均勻沉降，同時(shí)EO管道未使用柔性連接，則管道因應(yīng)力集中易被拉裂；造成EO泄漏。不均勻沉降可使儲(chǔ)罐罐體發(fā)生傾斜，嚴(yán)重者可導(dǎo)致罐體傾覆。（4）輸送泵。EO輸送泵的密閉性要求極高，若泵體葉輪擦壁、空轉(zhuǎn)造成氣蝕，則會(huì)導(dǎo)致泵內(nèi)局部升溫，達(dá)到臨界值后使EO分解、爆炸[5]。（5）點(diǎn)火源。儲(chǔ)罐的防雷設(shè)施缺陷、未及時(shí)檢測(cè)，防靜電措施不足，爆炸危險(xiǎn)區(qū)域使用非防爆電氣設(shè)備，動(dòng)火作業(yè)不規(guī)范等，導(dǎo)致存在雷電、靜電、電氣火花、明火等點(diǎn)火源，均可引起火災(zāi)、爆炸。（6）管理缺陷。儲(chǔ)罐充裝系數(shù)過(guò)高導(dǎo)致罐內(nèi)EO升溫、體積膨脹[6]，作業(yè)人員培訓(xùn)不到位、違章操作，特殊作業(yè)未實(shí)行作業(yè)票、監(jiān)護(hù)不到位，設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)不到位，均可增大發(fā)生EO泄漏、火災(zāi)等事故的風(fēng)險(xiǎn)。

1.5 車輛運(yùn)輸危險(xiǎn)性

道路行駛中的EO槽罐車可視為流動(dòng)的危險(xiǎn)源，車況、路況、駕駛員狀態(tài)不佳，以及行人、其他車輛違章等因素，易引發(fā)道路交通事故，導(dǎo)致運(yùn)輸物料泄漏。一旦發(fā)生事故，將對(duì)道路周邊的園區(qū)企業(yè)造成不同程度影響，甚至產(chǎn)生多米諾效應(yīng)，造成連鎖事故。人的因素對(duì)發(fā)生事故的影響程度最大[7]，槽罐車未按規(guī)定路線行駛，或擅自停在園區(qū)道路兩側(cè)，也會(huì)產(chǎn)生重大安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.6 管道輸送危險(xiǎn)性

EO管道輸送可以降低槽罐車運(yùn)輸作為流動(dòng)危險(xiǎn)源的風(fēng)險(xiǎn)，但同時(shí)增加了EO管道這一新的危險(xiǎn)源。EO管道輸送需經(jīng)深冷器進(jìn)一步冷卻，以保證回流溫度不會(huì)引起EO氣化，對(duì)溫度、壓力等工藝要求苛刻，輸送成本很高。若制冷設(shè)備故障，回流冷量損失過(guò)大，易引起EO氣化，造成管道超壓，使EO管道破裂泄漏，導(dǎo)致大范圍事故。

作為園區(qū)公共輔助設(shè)施，化工園區(qū)管廊的管道往往同時(shí)存在壓縮空氣、氮?dú)?、氫氣、水蒸汽等其他管道。若管道維護(hù)管理不力、管道腐蝕、壁厚下降等因素造成EO管道破裂泄漏，則易對(duì)管廊內(nèi)其他管道造成威脅。公用管線相對(duì)較長(zhǎng)，管理和維護(hù)難度較大，發(fā)生事故不易及時(shí)發(fā)現(xiàn)，易延誤第一時(shí)間的應(yīng)急處置。

1.7 裝卸危險(xiǎn)性

槽車裝卸時(shí)，若操作不當(dāng)或設(shè)備不符合要求、維修保養(yǎng)不到位等，易造成快速接頭脫落、槽罐車溜車，使卸料管破損甚至拉斷；槽罐車頂部的管道接口未接牢，車輛未安裝過(guò)流保護(hù)裝置等，可導(dǎo)致槽車內(nèi)的EO發(fā)生泄漏，若遇點(diǎn)火源易引發(fā)火災(zāi)、爆炸。

2 事故模擬

2.1 參數(shù)設(shè)置

用CASST-QRA軟件對(duì)50 m3、120 m3、200 m3、400 m3等不同型號(hào)的EO臥罐或球罐的事故后果及影響進(jìn)行模擬。限于篇幅，現(xiàn)將50 m3臥罐的模擬情況做論述，其參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 50 m3儲(chǔ)罐數(shù)據(jù)信息表

2.2 模擬計(jì)算

典型事故模擬計(jì)算結(jié)果如表2所示，典型事故后果及圖例如圖1-圖3所示。

表2 50 m3儲(chǔ)罐典型災(zāi)害及事故后果匯總表

圖1 管道小孔泄漏池火后果圖

圖2 容器中孔泄漏池火后果圖

圖3 容器整體破裂BLEVE后果圖

2.3 分析小結(jié)

EO儲(chǔ)罐可產(chǎn)生池火、閃火、云爆、物理爆炸、BLEVE等災(zāi)害模式。閃火的后果最為嚴(yán)重，若在靜風(fēng)或輕微風(fēng)時(shí)出現(xiàn)閃火，事故的死亡半徑可達(dá)百米以上。若容器整體破裂發(fā)生BLEVE，爆炸造成的超壓和碎片將產(chǎn)生多米諾效應(yīng)，對(duì)企業(yè)內(nèi)部乃至廠外的人員、設(shè)施造成嚴(yán)重傷害，嚴(yán)重死亡半徑及多米諾半徑近百米；若為100 m3儲(chǔ)罐，其多米諾半徑可超百米。隨著儲(chǔ)罐容積的增大，各類災(zāi)害模式的傷害半徑同時(shí)增加。

池火的傷害半徑與圍堰面積正相關(guān)。圍堰面積100 m2時(shí)，容器中孔、大孔泄漏發(fā)生池火的死亡、重傷、輕傷半徑分別為：20 m、25 m、39 m；圍堰面積為200 m2時(shí)，發(fā)生池火的死亡、重傷、輕傷半徑分別是：29 m、37 m、55 m。

根據(jù)事故模擬結(jié)果，針對(duì)BLEVE模式，需保證冷量抑制EO在裝置或儲(chǔ)罐內(nèi)的氣化沸騰；針對(duì)閃火害模式，需加強(qiáng)EO防閃火措施杜絕各種點(diǎn)火源；針對(duì)云爆害模式，需做好低溫、防泄漏、防點(diǎn)火源的安全措施；針對(duì)池火害模式，除防點(diǎn)火源外，需注意圍堤的面積及地基基礎(chǔ)，防止池火蔓延；針對(duì)物理爆炸害模式，需安裝泄壓附件，且泄壓裝置要與釋放壓力相匹配。

3 防范措施

3.1 產(chǎn)業(yè)布局

EO企業(yè)布局需合理規(guī)劃，同時(shí)考慮地形、地質(zhì)、水文、風(fēng)向等自然因素。項(xiàng)目設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)先進(jìn)行事故模擬測(cè)試，考慮項(xiàng)目危險(xiǎn)性對(duì)周邊單位的影響，與高敏感、重要、一般防護(hù)目標(biāo)保持足夠距離，盡量避免BLEVE災(zāi)害和多米諾效應(yīng)對(duì)周邊設(shè)施及外部單位的影響。EO企業(yè)集中分布，下游EO使用企業(yè)盡量布置在上游生產(chǎn)企業(yè)附近，減少車輛運(yùn)輸和管道輸送的距離。儲(chǔ)罐的布置應(yīng)滿足GB50 160的要求，儲(chǔ)罐外壁與相鄰企業(yè)（圍墻或用地邊界線）保持至少120 m的防火間距，與高速公路（路邊）保持至少35 m，與其他公路（路邊）保持至少25 m，降低次生事故發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 生產(chǎn)、使用

為降低EO發(fā)生自聚等反應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)，需嚴(yán)格把控原料質(zhì)量，減少酸、堿、堿金屬、鐵的化合物等各類雜質(zhì)的混入。嚴(yán)格控制生產(chǎn)過(guò)程中的溫度、壓力、液位、投料速度等各項(xiàng)工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制與安全聯(lián)鎖，合理設(shè)定各項(xiàng)工藝參數(shù)的上下限值，一旦數(shù)據(jù)超限，系統(tǒng)立即報(bào)警或啟動(dòng)緊急措施。DCS控制系統(tǒng)與SIS安全聯(lián)鎖系統(tǒng)必須可靠，可設(shè)置UPS不間斷電源或兩路電源以保障供電。

3.3 儲(chǔ)存

(1)設(shè)備材質(zhì)、防爆。與EO儲(chǔ)罐、管道等設(shè)備優(yōu)先選用不銹鋼材質(zhì)，嚴(yán)禁用銅、銀等材質(zhì)。接觸EO的設(shè)備和管道做好密封，嚴(yán)防泄漏。EO區(qū)域?qū)俦ㄎｋU(xiǎn)區(qū)域，電氣設(shè)備應(yīng)采用防爆等級(jí)不低于IIBT2的防爆電氣。

(2)設(shè)施基礎(chǔ)。EO儲(chǔ)罐的四周應(yīng)設(shè)置防火堤。儲(chǔ)罐附近應(yīng)設(shè)置事故水池，事故池容積一般為最大儲(chǔ)量的24倍[8]。EO儲(chǔ)罐建設(shè)時(shí)做好地基防護(hù)措施，并定期進(jìn)行地基沉降監(jiān)測(cè)。

(3)控制、監(jiān)測(cè)。安裝溫度、壓力、液位的顯示儀表、變送器，實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)重要參數(shù)的近端顯示和遠(yuǎn)端控制?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)置具備聲光報(bào)警功能的可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警儀，同時(shí)信號(hào)接至值班室。儲(chǔ)罐設(shè)氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)，將EO與環(huán)境空氣隔離。設(shè)冷凍水系統(tǒng)，使EO保持低溫。儲(chǔ)罐管道設(shè)可遠(yuǎn)程控制的緊急切斷閥，異常情況下迅速切斷物料供應(yīng)。

(4)消除點(diǎn)火源。EO設(shè)備的外殼應(yīng)設(shè)置防靜電接地措施，防靜電接地電阻值≤100 Ω[9]。罐區(qū)出入口處設(shè)置人體靜電釋放器，法蘭連接處進(jìn)行防靜電跨接線。人員作業(yè)時(shí)穿防靜電工作服?，F(xiàn)場(chǎng)作業(yè)使用不發(fā)火花工具。

(5)減少或消除事故影響。安裝各類安全附件，如安全閥、壓力表等。罐體設(shè)置消防水噴淋系統(tǒng)，保障充足的消防水供應(yīng)，除滅火功能外，EO泄漏時(shí)可進(jìn)行降溫，并將泄漏物反應(yīng)吸收掉。

3.4 車輛運(yùn)輸、裝卸

加強(qiáng)園區(qū)綜合管理，對(duì)EO運(yùn)輸車輛進(jìn)行登記，限時(shí)、限量運(yùn)輸，合理規(guī)劃車輛行駛路線[10]。做好運(yùn)輸車輛的檢測(cè)維護(hù)。出車前做好車輛限速、制動(dòng)、輪胎、安全附件等各裝置或部位的安全檢查[11]。車輛安裝視頻監(jiān)控、GPS等定位監(jiān)測(cè)設(shè)備。車輛納入第三方監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)管，隨時(shí)監(jiān)控車輛的運(yùn)行軌跡及狀態(tài)。車輛行駛路線沿途完善危險(xiǎn)化學(xué)品各類交通警示標(biāo)志，事故多發(fā)路段設(shè)置防撞護(hù)欄等保護(hù)設(shè)施。對(duì)駕駛員、裝卸員、押運(yùn)員進(jìn)行安全培訓(xùn)教育，提高相關(guān)人員的專業(yè)技能和安全意識(shí)，避免超載、超速、疲勞駕駛等違規(guī)情況發(fā)生。裝卸區(qū)配備可燃?xì)怏w探測(cè)器、火災(zāi)報(bào)警、靜電消除器。裝卸作業(yè)前將運(yùn)輸車輛固定牢靠，防止溜車，并使用專用靜電接地夾保障車輛的有效接地。使用萬(wàn)向管道進(jìn)行EO裝卸，嚴(yán)禁用金屬軟管裝卸。

3.5 管道輸送

EO管道一般采用不銹鋼材質(zhì)，以阻燃的泡沫玻璃作為保冷材料，管道連接采用焊接或法蘭連接，禁止用絲扣。墊片可采用聚四氟乙烯或金屬纏繞材質(zhì)，禁止用天然橡膠或石棉材料。管道敷設(shè)形式宜采用架空敷設(shè)，管道布置時(shí)考慮停車時(shí)EO靠重力能從管道中自行排出，避免出現(xiàn)氣袋、液袋。

為防止流體撞擊管壁導(dǎo)致靜電積聚，EO的流速控制在1 m/s左右。為保障EO不易發(fā)生聚合，EO輸送過(guò)程中管道溫度控制在-5℃以內(nèi)。為及時(shí)檢測(cè)和發(fā)現(xiàn)物料泄漏，管道首末兩端可設(shè)高精度流量計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)安裝可燃?xì)怏w探測(cè)器。為保證管道壓力的釋放，防止管道停輸時(shí)管內(nèi)液體升溫，管道末端可設(shè)安全閥。管線檢維修作業(yè)前，先使用氮?dú)膺M(jìn)行吹掃，防止空氣或EO存留。為防止事故擴(kuò)大，可在管道主線與支線分別設(shè)隔離切斷閥，緊急情況下迅速切斷隔離[12]。

3.6 管理

企業(yè)完善安全管理制度、操作規(guī)程，作業(yè)人員培訓(xùn)取證，建立應(yīng)急預(yù)案，定期應(yīng)急演練。各企業(yè)之間信息共享、聯(lián)合預(yù)防，可有效預(yù)防化工園區(qū)EO的多米諾效應(yīng)[13]。

4 結(jié)語(yǔ)

EO作為重要的精細(xì)化工原料，在工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺，而其在化工園區(qū)中的安全風(fēng)險(xiǎn)需要充分認(rèn)識(shí)。做好平面布局、生產(chǎn)、使用、儲(chǔ)存、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的安全防范措施，可有效防止事故發(fā)生。目前關(guān)于EO產(chǎn)業(yè)布局、EO設(shè)施的多米諾效應(yīng)研究相對(duì)較少，未來(lái)可繼續(xù)深入研究。