氯乙烯氣柜的工藝危害分析

王小軍，朱在洪，鄭尚濤

(1. 韓華化學(xué)(寧波)有限公司,浙江 寧波 315812; 2. 浙江中一檢測(cè)研究院股份有限公司,浙江 寧波 315040)

2018年11月28日，河北張家口盛華化工有限公司氯乙烯氣柜泄漏擴(kuò)散至廠外區(qū)域，遇火源發(fā)生爆燃，造成24人死亡、21人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失約人民幣4 148 萬(wàn)元。無(wú)獨(dú)有偶，2019年4月24日內(nèi)蒙古東興化工有限責(zé)任公司氯乙烯氣柜泄漏擴(kuò)散至電石冷卻車間，遇火源發(fā)生燃爆，造成4人死亡、3人重傷、33人輕傷，直接經(jīng)濟(jì)損失約人民幣4 154萬(wàn)元。

兩起事故都是由于氯乙烯氣柜發(fā)生泄漏引起，可見(jiàn)該設(shè)備的本質(zhì)安全性并不可靠，然而氯乙烯氣柜卻是聚氯乙烯生產(chǎn)工藝中不可或缺的關(guān)鍵設(shè)備。一般來(lái)說(shuō)，氯乙烯氣柜是一種具有儲(chǔ)存、緩沖、穩(wěn)壓、混合作用的容器，有些企業(yè)是作為轉(zhuǎn)化工段與氯乙烯(VCM)壓縮工段之間的緩沖器用于平衡VCM的壓力，有的企業(yè)是作為聚合工段VCM尾氣回收使用，有的企業(yè)是同時(shí)兼顧轉(zhuǎn)化緩沖和尾氣回收的功用。通過(guò)分析兩起事故，發(fā)現(xiàn)根本原因是工藝安全設(shè)計(jì)不充分引起，因此唯有從工藝路線設(shè)計(jì)上全面考慮，采用HAZOP分析方法，在很大程度上可以降低氯乙烯氣柜泄漏事故的發(fā)生概率。

1 氯乙烯氣柜工藝危害分析

下面以某公司氯乙烯氣柜為例，通過(guò)HAZOP分析，全面辨識(shí)潛在的工藝危害并量化評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)。

1.1 氯乙烯氣柜工藝流程簡(jiǎn)述

該氯乙烯氣柜主要用于回收聚合釜中未參與反應(yīng)的氯乙烷單體，工藝流程描述如下： 聚氯乙烯(PVC)生產(chǎn)工藝是間歇式批次反應(yīng)，原料VCM在聚合釜發(fā)生聚合反應(yīng)生成PVC，在反應(yīng)釜卸料過(guò)程中，聚合釜內(nèi)未反應(yīng)的VCM氣體會(huì)經(jīng)過(guò)漿料罐后進(jìn)入氯乙烯氣柜，繼而通過(guò)壓縮機(jī)壓縮回收，冷卻液化后回流到聚合釜中。氯乙烯氣柜是濕式單節(jié)式常壓容器，其工作原理是VCM管道穿過(guò)水槽底板和水槽中的水進(jìn)入鐘罩，當(dāng)向氯乙烯氣柜輸送氣體時(shí)鐘罩上升，抽取氣體時(shí)鐘罩下降，鐘罩依靠導(dǎo)軌和導(dǎo)輪實(shí)現(xiàn)升降平衡。因?yàn)槭抢盟鈱?shí)現(xiàn)VCM的密封，在工藝安全控制環(huán)節(jié)需特別關(guān)注氯乙烯氣柜的液位和壓力，所以在氯乙烯氣柜上設(shè)置了多個(gè)液位計(jì)及液位開(kāi)關(guān)。

1.2 氯乙烯氣柜節(jié)點(diǎn)HAZOP分析

在對(duì)氯乙烯氣柜進(jìn)行HAZOP分析時(shí)，選取該氣柜進(jìn)出相關(guān)管線作為節(jié)點(diǎn)，該氣柜的進(jìn)料管線主要來(lái)自上游漿料罐、聚合釜尾氣、汽提塔的排氣以及回收VCM儲(chǔ)罐的排氣等，通過(guò)分析結(jié)果進(jìn)行篩選，液位過(guò)高是初始高風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景，具體分析結(jié)果見(jiàn)表1所列。

表1 氯乙烯氣柜液位分析

1.3 SIL定級(jí)分析

經(jīng)過(guò)分析和統(tǒng)計(jì)，在一定初始事件的情況下，氯乙烯氣柜的液位過(guò)高、壓力快速升高會(huì)導(dǎo)致鐘罩快速上升，可能造成VCM泄漏，遇到火源可能引發(fā)火災(zāi)甚至爆炸，造成人員傷亡。由此可見(jiàn)后果的嚴(yán)重性，考慮到設(shè)備的失效概率，所以運(yùn)用保護(hù)層分析(LOPA)的分析方法評(píng)估緊急切斷閥XV01的液位高高報(bào)警聯(lián)鎖回路保護(hù)層是否能滿足可接受風(fēng)險(xiǎn)標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)有的保護(hù)措施為液位計(jì)LT01設(shè)有液位高報(bào)警、高高報(bào)警聯(lián)鎖切斷XV01閥，氣柜頂部設(shè)置有緊急排放管。液位高高報(bào)警聯(lián)鎖切斷XV01回路SIL定級(jí)分析見(jiàn)表2所列。

表2 氯乙烯氣柜液位高高報(bào)警聯(lián)鎖切斷XV01回路SIL定級(jí)分析

根據(jù)表2可以看出氯乙烯氣柜后段壓縮機(jī)故障的情景假設(shè)下，液位高高報(bào)警回路需要進(jìn)入安全儀表系統(tǒng)(SIS)且安全完整性等級(jí)為SIL1級(jí)，在設(shè)計(jì)中需按SIL1等級(jí)來(lái)設(shè)計(jì)。根據(jù)GB/T 50770—2013《石油化工安全儀表設(shè)計(jì)規(guī)范》，符合SIL1等級(jí)回路的檢測(cè)元件可與基本控制系統(tǒng)共用，最終是否滿足要求仍需進(jìn)行SIL驗(yàn)證。

2 自控儀表回路的SIL驗(yàn)證

結(jié)合日常的實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，為削減或控制氯乙烯氣柜的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，可以從氯乙烯氣柜運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測(cè)、工藝聯(lián)鎖、環(huán)境監(jiān)測(cè)和軟管理四方面采取安全保護(hù)措施。根據(jù)化工裝置連續(xù)運(yùn)行的特點(diǎn)，自控儀表承擔(dān)了安全運(yùn)行的重要使命，因此降低自控回路的故障率，可以有效提升氯乙烯氣柜的安全運(yùn)行水平。以下對(duì)液位高高，聯(lián)鎖切斷緊急切斷閥回路的SIL等級(jí)進(jìn)行驗(yàn)算。

2.1 方法概述

SIL等級(jí)驗(yàn)證旨在通過(guò)對(duì)安全功能回路各組成部分要求時(shí)失效概率的計(jì)算分析，驗(yàn)證企業(yè)現(xiàn)有安全儀表功能(SIF)的SIL等級(jí)，以確認(rèn)其是否滿足最低 SIL 等級(jí)要求，若未滿足則提出相關(guān)的意見(jiàn)與建議。本次SIL等級(jí)驗(yàn)證采用馬爾科夫模型分析方法。

2.2 馬爾科夫模型分析

該模型分析采用狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖形化的方式表示系統(tǒng)可靠性及可用性能。該模型的轉(zhuǎn)換是指系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)改變到另一個(gè)狀態(tài)，模型中圓圈表示系統(tǒng)的狀態(tài)，可以是正常、失效或中間狀態(tài)，設(shè)備的失效和維修過(guò)程通過(guò)一條帶箭頭的弧線來(lái)表示。隨著失效和維修，系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)狀態(tài)。馬爾科夫模型建模流程如圖1所示。

圖1 馬爾科夫模型建模流程示意

通過(guò)該模型，可實(shí)現(xiàn)多失效模式建模，使得SIS可靠性及可用性分析更具靈活性，同時(shí)反映多種失效模型，體現(xiàn)整個(gè)SIS的故障容忍能力。該模型可分析多個(gè)影響SIS可靠性及可用性因素，包括結(jié)構(gòu)冗余、共因失效、自診斷、在線或離線測(cè)試維修，非理想的維修測(cè)試、周期性功能測(cè)試等。該模型可以動(dòng)態(tài)地反映系統(tǒng)從啟動(dòng)到失效再到經(jīng)過(guò)修復(fù)恢復(fù)正常運(yùn)行的一連串的事件序列，既能反映系統(tǒng)設(shè)備之間靜態(tài)關(guān)系，又能反映動(dòng)態(tài)變化，定量化可靠性分析精度高。

在計(jì)算SIS可靠性及安全完整性等級(jí)時(shí)，該模型方法可以覆蓋最多的影響可靠性的因素，不受設(shè)備間依賴關(guān)系的影響，且能反映系統(tǒng)可靠性的動(dòng)態(tài)變化。以“1oo1”表決方式為例，其馬爾科夫模型構(gòu)建如圖2所示。

圖2 “1oo1”表決方式的馬爾科夫模型構(gòu)建示意

針對(duì)“1oo1”表決方式，該回路系統(tǒng)狀態(tài)概率可通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)化矩陣進(jìn)行求解，“1oo1”表決方式狀態(tài)轉(zhuǎn)化矩陣如式(1)所示：

(1)

式中：λSD——可檢測(cè)到的安全失效率；λSU——未檢測(cè)到的安全失效率；λDD——可檢測(cè)到的危險(xiǎn)失效率；λDU——未檢測(cè)到的危險(xiǎn)失效率。

2.3 SIL驗(yàn)算

該次SIL驗(yàn)證分析基于以下考慮及假設(shè)：

1)設(shè)計(jì)使用年限為15 a。

2)各安全功能回路平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)假設(shè)為24 h。

3)SIS各安全功能回路組件傳感器、邏輯控制器及相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)統(tǒng)一進(jìn)行檢測(cè)，檢驗(yàn)測(cè)試周期TI=8 760 h。其中，傳感器部分根據(jù)相應(yīng)的檢驗(yàn)測(cè)試周期每1年校準(zhǔn)1次，檢測(cè)內(nèi)容包括： 電氣測(cè)試，量程，零位，上行程、下行程，誤差范圍等；邏輯控制器選用通用邏輯運(yùn)算器數(shù)據(jù)，檢驗(yàn)測(cè)試周期為1年校準(zhǔn)1次，檢測(cè)內(nèi)容包括： 冗余測(cè)試、功能測(cè)試、和現(xiàn)場(chǎng)表的聯(lián)調(diào)等；閥門(mén)每1年檢測(cè)1次，檢測(cè)內(nèi)容包括： 閥門(mén)的動(dòng)作測(cè)試，功能測(cè)試等。

4)每年會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表、閥門(mén)等設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)維護(hù)，包括外觀檢測(cè)、功能測(cè)試、電氣性能測(cè)試等，檢驗(yàn)測(cè)試覆蓋率采用軟件推薦數(shù)值。

5)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，傳感部分及執(zhí)行部分多重冗余通道的共因失效因子β值取0.1；邏輯控制部分β值取0.05。

6)操作模式為低要求操作模式。

7)為了方便分析驗(yàn)證，將各安全功能回路劃分為傳感器、安全柵、邏輯控制器、執(zhí)行器、電磁閥、繼電器及電涌保護(hù)器等部分。其中傳感器、安全柵劃歸傳感單元，且傳感器包括引壓管、信號(hào)轉(zhuǎn)換和變送單元以及隔離閥等相關(guān)部分；邏輯控制器考慮了AI，AO，DI，DO，CPU及電源模塊；執(zhí)行單元包括電磁閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。

液位傳感器失效數(shù)據(jù)計(jì)算的失效概率(PFD)曲線如圖3所示。SIL驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表3所列。根據(jù)計(jì)算結(jié)果表明，該儀表回路的SIL等級(jí)滿足要求。

表3 液位高高報(bào)警聯(lián)鎖回路SIL驗(yàn)算結(jié)果

圖3 液位傳感器失效數(shù)據(jù)計(jì)算的失效概率曲線

SIS主要承擔(dān)緊急情況下運(yùn)行參數(shù)的超限保護(hù)功能，一旦保護(hù)不足可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損毀、人員傷亡、環(huán)境污染等后果。對(duì)于因其隨機(jī)失效概率限制了安全功能回路SIL等級(jí)的設(shè)備，應(yīng)根據(jù)SIL驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果縮短其功能檢驗(yàn)測(cè)試周期，或采用冗余機(jī)制，或更換為失效概率更低的高可靠性設(shè)備降低該部分失效概率，以確保回路能實(shí)現(xiàn)要求的SIL等級(jí)。

4 結(jié)束語(yǔ)

氯乙烯氣柜的整治已經(jīng)列入《危險(xiǎn)化學(xué)品安全專項(xiàng)整治三年行動(dòng)實(shí)施方案》，提升氯乙烯氣柜運(yùn)行的本質(zhì)安全水平，防止VCM泄漏造成安全事故，需要在不斷實(shí)踐的基礎(chǔ)上不斷改善。