煉化裝置高壓串低壓事故分析與防范

張武星

(中國石化洛陽石化公司，河南洛陽 471012)

煉化裝置具有高溫高壓、易燃易爆、有毒有害、生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)等生產(chǎn)特點(diǎn)。近年來，煉化裝置在生產(chǎn)運(yùn)行、停開工和設(shè)備檢維修過程中，因安全保護(hù)措施失效、對(duì)異常情況處置不當(dāng)?shù)仍蛞l(fā)的高壓串低壓(以下簡(jiǎn)稱串壓)事故時(shí)有發(fā)生，如2021年12月13日，某公司渣油加氫裝置因串壓導(dǎo)致高壓油氣倒流，引發(fā)原料罐撕裂導(dǎo)致泄漏著火，4人受傷。煉化裝置生產(chǎn)工藝復(fù)雜，裝置串壓風(fēng)險(xiǎn)不易辨識(shí)，從筆者多次參加國家和省危化品重點(diǎn)縣工藝專業(yè)服務(wù)的情況來看，部分煉化企業(yè)對(duì)串壓風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)識(shí)不到位、防范措施未落實(shí)、串壓風(fēng)險(xiǎn)依然存在，必須引起高度重視。

1 典型事故案例

案例1：某公司柴油加氫裝置“3·12”爆炸事故。2018年3月12日16時(shí)14分，柴油加氫裝置加氫原料緩沖罐發(fā)生爆炸事故，造成2人死亡，1人輕傷，直接經(jīng)濟(jì)損失338萬元。事故直接原因是循環(huán)氫壓縮機(jī)潤滑油系統(tǒng)壓力波動(dòng)過程中，操作人員處置不當(dāng)，導(dǎo)致循環(huán)氫壓縮機(jī)異常停機(jī)，加氫進(jìn)料泵聯(lián)鎖停泵，在處置過程中，因出口閥門未及時(shí)關(guān)閉，系統(tǒng)內(nèi)的高壓氫氣通過加氫進(jìn)料泵反竄入原料緩沖罐，導(dǎo)致其超壓撕裂，引發(fā)爆炸和火災(zāi)。

案例2：某公司常減壓裝置“8·31”火災(zāi)事故。2016年8月31日18時(shí)05分，常減壓裝置減三線冷卻器處發(fā)生火災(zāi)，裝置停工。事故直接原因是切離檢修的減三線冷卻器重污油線沒有加裝盲板，在吹掃初底油/油漿換熱器過程中，初底油經(jīng)裝置重污油總線反串至減三線冷卻器內(nèi)，從已拆開頭蓋的法蘭處泄漏，遇高溫蒸汽管線引發(fā)火災(zāi)。

案例3：某公司儲(chǔ)運(yùn)部“5·10”油罐火災(zāi)事故。2011年5月9日16時(shí)48分，1#催化裝置開工，因吸收穩(wěn)定系統(tǒng)不正常，粗汽油自分餾塔頂回流罐經(jīng)不合格線進(jìn)污油罐，18時(shí)50分，污油罐罐頂撕裂、罐底翹起；21時(shí)00分，粗汽油改進(jìn)中間原料罐。5月10日13時(shí)10分，中間原料罐附近發(fā)生閃爆、著火，造成1人死亡、6人受傷。事故直接原因是：操作人員打開了穩(wěn)定塔底泵出口至出裝置線的閥門，造成富含液態(tài)烴的穩(wěn)定塔底汽油和吸收塔頂?shù)呢殮獯胫虚g原料罐，導(dǎo)致罐內(nèi)輕組分揮發(fā)擴(kuò)散，遇防火堤外非防爆電器發(fā)生閃爆、著火。

案例4：某公司催化裂化裝置“12·22”硫化氫中毒事故。2008年12月22日5時(shí)58分，分餾區(qū)油漿蒸氣發(fā)生器封頭法蘭蒸氣泄漏，在緊固法蘭時(shí)發(fā)生中毒事故，導(dǎo)致1人死亡、1人重傷。事故直接原因是裝置聯(lián)鎖停車后，停運(yùn)柴油泵時(shí)，未立即切斷再吸收塔與封油罐之間的閥門，導(dǎo)致再吸收塔內(nèi)含硫化氫干氣串入封油罐，在恢復(fù)生產(chǎn)、倒收柴油過程中，管線內(nèi)積存的含硫化氫干氣被帶入封油罐，經(jīng)封油罐放空管線排出，造成現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員中毒。

案例5：某公司循環(huán)水場(chǎng)“10·14”火災(zāi)事故。2008年8月13日，聚丙烯裝置氣分單元停工，裝置保壓待料。9月25日，發(fā)現(xiàn)丙烯塔頂冷凝器內(nèi)漏，關(guān)閉了冷凝器的物料及循環(huán)水進(jìn)出口手閥；10月14日，對(duì)冷凝器進(jìn)行退料、泄壓處理過程中，發(fā)生火災(zāi)，造成2人死亡、2人重傷、3人輕傷。事故直接原因是操作人員對(duì)冷凝器進(jìn)行退料、卸壓處理過程中，打開了冷凝器循環(huán)水管線上的回水閥和調(diào)節(jié)閥，導(dǎo)致冷凝器管程和管線中積聚的丙烯串入循環(huán)水系統(tǒng)，并從循環(huán)水場(chǎng)涼水塔泄放出來，遇施工氣焊火焰發(fā)生閃爆、著火。

2 典型事故案例分析

2.1 串壓風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生階段、部位及類型分析

串壓是指由于設(shè)備、儀表、閥門等故障或人員操作失誤等原因，使工藝介質(zhì)由高壓系統(tǒng)串入低壓系統(tǒng)，導(dǎo)致低壓系統(tǒng)的壓力超過其設(shè)計(jì)壓力，介質(zhì)發(fā)生泄漏，引發(fā)火災(zāi)、爆炸、中毒等事故[1]。只要相鄰系統(tǒng)存在壓力差就有可能發(fā)生串壓，串壓風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生于裝置生產(chǎn)運(yùn)行、開停工、檢維修等階段。串壓風(fēng)險(xiǎn)根據(jù)介質(zhì)流向分為3種類型：一種是與介質(zhì)流向相同的串壓，簡(jiǎn)稱正串壓；另一種是與介質(zhì)流向相反的串壓，簡(jiǎn)稱倒串壓；第三種是不同壓力支路間既有正串壓又有倒串壓，簡(jiǎn)稱互串壓。上述5起典型事故案例的串壓風(fēng)險(xiǎn)分類見表1。

表1 串壓風(fēng)險(xiǎn)分類

2.2 串壓風(fēng)險(xiǎn)缺乏認(rèn)知、辨識(shí)不到位

事故是由于風(fēng)險(xiǎn)管控不到位造成，風(fēng)險(xiǎn)管控到位的前提條件是風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)到位。上述事故案例中，事發(fā)單位在事發(fā)前均沒有辨識(shí)出串壓風(fēng)險(xiǎn)，也未制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控措施。

案例1中，公司工藝、設(shè)備、安全等部門應(yīng)用HAZOP等分析工具進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、評(píng)估和管控的能力不足，未辨識(shí)出加氫進(jìn)料泵出口存在的串壓風(fēng)險(xiǎn)。

案例2中，同一運(yùn)行部的兩套裝置在安排作業(yè)時(shí)，沒有系統(tǒng)地、全面地辨識(shí)出作業(yè)疊加帶來的串壓風(fēng)險(xiǎn)；常減壓裝置安排對(duì)減三線冷卻器檢修時(shí)，未辨識(shí)出減三線冷卻器重污油線不加裝盲板會(huì)被串壓的風(fēng)險(xiǎn)；催化裝置安排對(duì)初底油/油漿換熱器蒸汽吹掃時(shí)，未辨識(shí)出減三線冷卻器重污油線未加裝盲板且頭蓋已打開的串壓風(fēng)險(xiǎn)。

案例3中，未辨識(shí)出富含液態(tài)烴的粗汽油和不合格穩(wěn)定汽油外送至常壓油罐帶來的串壓風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)粗汽油調(diào)節(jié)閥失靈、改副線閥控制時(shí)，操作人員未意識(shí)到吸收塔氣體會(huì)通過調(diào)節(jié)閥副線倒串至污油罐。

案例4中，操作人員未意識(shí)到停運(yùn)柴油泵，會(huì)造成再吸收塔內(nèi)含硫化氫干氣倒串入常壓封油罐從而放空的風(fēng)險(xiǎn)。

案例5中，未辨識(shí)出丙烯塔頂冷凝器內(nèi)漏后關(guān)閉循環(huán)水進(jìn)出口手閥會(huì)造成丙烯積聚、再次打開冷凝器循環(huán)水管線上的回水閥會(huì)導(dǎo)致積聚的丙烯串入循環(huán)水場(chǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。如果在事前均能辨識(shí)出串壓風(fēng)險(xiǎn)并做好可靠的風(fēng)險(xiǎn)管控措施，上述事故均可避免。

2.3 異常工況處置不當(dāng)、不及時(shí)

案例1中，循環(huán)氫壓縮機(jī)潤滑油壓力發(fā)生低報(bào)警，在處置過程中，外操、副班長、設(shè)備員等人一系列誤操作導(dǎo)致循環(huán)氫壓縮機(jī)停機(jī)、加氫進(jìn)料泵聯(lián)鎖停泵；在處置循環(huán)氫壓縮機(jī)停機(jī)過程中，內(nèi)操、工藝員、副部長等人未掌握循環(huán)氫壓縮機(jī)聯(lián)鎖的復(fù)位操作方法，延誤了5 min應(yīng)急處置時(shí)間；在處置加氫進(jìn)料泵聯(lián)鎖停泵過程中，未及時(shí)關(guān)閉加氫進(jìn)料泵出口的遠(yuǎn)程控制閥和現(xiàn)場(chǎng)手閥；內(nèi)操在加氫原料緩沖罐發(fā)出液位高報(bào)警后，僅通知外操將常二線來料改線，未對(duì)加氫原料緩沖罐液位及壓力變化持續(xù)關(guān)注和采取措施。

案例3中，催化裝置開工過程中，由于操作工對(duì)系統(tǒng)脫水不及時(shí)，分餾塔一中回流無法建立，吸收穩(wěn)定系統(tǒng)因缺乏熱源而無法正常運(yùn)行，粗汽油中的液態(tài)烴組分無法分離，粗汽油和穩(wěn)定汽油中積累了大量液態(tài)烴，對(duì)此異常工況，操作人員錯(cuò)誤將富含液態(tài)烴的汽油直接排入中間原料罐。

案例4中，當(dāng)天氣溫突降，氣壓機(jī)入口富氣流量儀表凍凝失靈，氣壓機(jī)反飛動(dòng)閥打開，導(dǎo)致反應(yīng)器與再生器壓力升高，裝置聯(lián)鎖停車，在裝置停車處置過程中，操作人員在停運(yùn)柴油泵時(shí)，未立即切斷再吸收塔與封油罐之間的閥門，導(dǎo)致高含硫化氫干氣倒串入封油罐并從放空管線排出；現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置的兩臺(tái)固定式硫化氫報(bào)警儀發(fā)出報(bào)警信號(hào)，但操作人員沒有發(fā)現(xiàn)。

案例5中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)冷凝器內(nèi)漏后，采取措施不當(dāng)，只關(guān)閉了冷凝器的物料閥和循環(huán)水閥門，沒有及時(shí)進(jìn)行退料、卸壓處理，致使丙烯從殼程不斷泄漏進(jìn)入管程及部分循環(huán)水管線中，并大量積聚；操作人員對(duì)冷凝器進(jìn)行退料、卸壓處理過程中，錯(cuò)誤打開了冷凝器循環(huán)水管線的回水閥和調(diào)節(jié)閥，導(dǎo)致冷凝器管程和管線中積聚的丙烯串入循環(huán)水系統(tǒng)。

如果對(duì)以上異常情況處置及時(shí)、得當(dāng)，上述事故均可避免。

2.4 獨(dú)立保護(hù)層缺失或失效

事故是起作用的獨(dú)立保護(hù)層全部失效的結(jié)果。案例1中，至少有3個(gè)獨(dú)立保護(hù)層缺失或失效：一是加氫進(jìn)料泵出口未設(shè)置自動(dòng)切斷閥，當(dāng)加氫進(jìn)料泵聯(lián)鎖停泵時(shí)無法自動(dòng)聯(lián)鎖切斷加氫進(jìn)料泵出口管道；二是加氫進(jìn)料泵出口單向閥已使用15年且從未檢修，因積碳導(dǎo)致閥門不能完全閉合，造成該保護(hù)層失效；三是加氫原料緩沖罐雖然在DCS接入了壓力顯示，但未設(shè)置壓力報(bào)警，當(dāng)串壓事故發(fā)生時(shí)無法自動(dòng)報(bào)警，無法引起操作人員關(guān)注。

案例2中，對(duì)切離檢修的減三線冷卻器沒有做到完全隔離，其重污油線漏加盲板，為串壓事故埋下了隱患。

案例3中，改造設(shè)計(jì)存在缺陷，粗汽油至吸收塔管線與不合格粗汽油外送管線間沒有設(shè)計(jì)隔斷閥，但改造前，粗汽油至吸收塔管線設(shè)置有塔壁閥門，改造時(shí)取消，但沒有設(shè)計(jì)替代措施，無法隔斷吸收塔內(nèi)氣體倒竄至粗汽油不合格線。

案例4中，原設(shè)計(jì)存在缺陷，進(jìn)再吸收塔吸收油管線上的閥門設(shè)計(jì)為普通閥門，無法避免非正常工況下干氣倒竄入常壓封油罐的風(fēng)險(xiǎn)。

在上述事故場(chǎng)景中，如果有任何一個(gè)獨(dú)立保護(hù)層起作用，事故就不會(huì)發(fā)生。

3 對(duì)策措施

3.1 系統(tǒng)全面地辨識(shí)串壓風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)排查和治理串壓隱患

系統(tǒng)全面地辨識(shí)串壓風(fēng)險(xiǎn)需要由不同專業(yè)人員組成分析小組，采取合適的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)方法才能完成。HALOPA分析(HAZOP+LOPA+風(fēng)險(xiǎn)矩陣)是辨識(shí)裝置生產(chǎn)運(yùn)行和開停工過程中串壓風(fēng)險(xiǎn)最有效的方法之一，該方法通過對(duì)各節(jié)點(diǎn)中的“流量逆流”、“壓力高”、“液位低/無”等偏差逐一分析，分析造成偏差的原因和偏差造成的后果，能夠系統(tǒng)全面地辨識(shí)出串壓事故場(chǎng)景[2]，以及該場(chǎng)景中有哪些獨(dú)立保護(hù)層，獨(dú)立保護(hù)層是否足夠，事故場(chǎng)景風(fēng)險(xiǎn)是否可以接受，對(duì)不可接受的風(fēng)險(xiǎn)，按照最低合理可行(ALARP)的原則，采取增加獨(dú)立保護(hù)層等措施把風(fēng)險(xiǎn)降至可接受區(qū)域[3]。利用HALOPA分析報(bào)告中形成的串壓事故場(chǎng)景以及獨(dú)立保護(hù)層清單，進(jìn)行串壓風(fēng)險(xiǎn)排查和隱患治理。

對(duì)于設(shè)備檢維修、清堵、吹掃、試壓、泄壓等作業(yè)過程中引發(fā)的串壓風(fēng)險(xiǎn)可采用JSA方法進(jìn)行辨識(shí)，重點(diǎn)辨識(shí)作業(yè)步驟中能引起串壓的部位、類型和風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)串壓部位做好能量隔離、上鎖和掛牌等防護(hù)措施。

生產(chǎn)裝置串壓風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)的重點(diǎn)是高壓和低壓的連接部位，特別是壓差較大的部位。如：①高壓進(jìn)料泵、注水泵、貧胺液泵等高壓泵的出口管道，壓縮機(jī)的出口管道。串壓機(jī)理是當(dāng)高壓泵或壓縮機(jī)突然停運(yùn)后，下游高壓介質(zhì)會(huì)通過高壓泵的泵體或最小流量線，壓縮機(jī)的出、入口返回線倒串至上游的低壓原料緩沖罐或壓縮機(jī)分液罐從而造成其超壓。②高壓容器(塔器)與低壓容器(塔器)連接管道。串壓機(jī)理是當(dāng)高壓容器(塔器)內(nèi)的液位降低至無時(shí)，高壓介質(zhì)通過高壓容器(塔器)底部管道串入下游低壓容器(塔器)從而造成其超壓。③上下游裝置之間的高/低壓進(jìn)出料管道。串壓機(jī)理是當(dāng)高壓與低壓連接的管道上的閥門故障或誤操作打開時(shí)，造成高壓側(cè)介質(zhì)串入低壓側(cè)系統(tǒng)從而造成其超壓。④冷換設(shè)備發(fā)生內(nèi)漏后的串壓。串壓機(jī)理是當(dāng)冷換設(shè)備內(nèi)漏時(shí)，高壓側(cè)介質(zhì)串入低壓側(cè)系統(tǒng)從而造成其超壓。⑤與高/低壓設(shè)備或管道相連接的氮?dú)狻⒄羝?、循環(huán)水、儀表風(fēng)等公用工程管道。串壓機(jī)理是當(dāng)連接的公用工程管道上的閥門故障或誤操作打開時(shí)，造成高壓側(cè)介質(zhì)串入低壓側(cè)系統(tǒng)從而造成其超壓。

串壓隱患排查和治理的重點(diǎn)是串壓事故場(chǎng)景中的獨(dú)立保護(hù)層是否完好、是否足夠，對(duì)失效的或缺少的獨(dú)立保護(hù)層要及時(shí)進(jìn)行隱患治理，在隱患得到治理前應(yīng)采取可靠的防范措施。

3.2 加強(qiáng)對(duì)獨(dú)立保護(hù)層的管理，確保獨(dú)立保護(hù)層完好有效

煉化裝置設(shè)計(jì)有各種類型的保護(hù)層，如本質(zhì)安全設(shè)計(jì)、基本過程控制系統(tǒng)(BPCS)、報(bào)警和人員響應(yīng)、安全儀表功能(SIF)、物理保護(hù)、釋放后保護(hù)設(shè)施等。防止串壓事故常用的獨(dú)立保護(hù)層有防超壓設(shè)計(jì)、BPCS、報(bào)警和人員響應(yīng)、SIF、安全閥、爆破片、單向閥、盲板、火氣系統(tǒng)等，作為獨(dú)立保護(hù)層應(yīng)滿足獨(dú)立性、有效性、安全性和可審查性等要求[3]。

對(duì)串壓事故場(chǎng)景考慮獨(dú)立保護(hù)層時(shí)應(yīng)注意：對(duì)易發(fā)生串壓設(shè)備上的安全閥要按照事故最大泄放量來核算[4]，否則安全閥不能作為防串壓獨(dú)立保護(hù)層；對(duì)高壓泵、壓縮機(jī)出口應(yīng)采用兩個(gè)不同類型或不同廠家的單向閥，以免發(fā)生共因失效；對(duì)于聯(lián)鎖關(guān)閉調(diào)節(jié)閥的保護(hù)層，因調(diào)節(jié)閥關(guān)閉不嚴(yán)，不能作為獨(dú)立保護(hù)層，應(yīng)增加聯(lián)鎖切斷閥[5]。

對(duì)辨識(shí)出的獨(dú)立保護(hù)層要加強(qiáng)管理，通過檢驗(yàn)、測(cè)試與預(yù)防性維修等有效措施，確保獨(dú)立保護(hù)層有效。重視對(duì)單向閥的管理，建立單向閥臺(tái)賬，嚴(yán)格控制單向閥檢修周期、檢修質(zhì)量，單向閥在檢修時(shí)必須進(jìn)行反向氣密泄漏測(cè)試合格[6]。嚴(yán)格盲板管理，裝置開停工和檢維修過程中，對(duì)需要加、拆盲板進(jìn)行隔離的，要制定完善的工藝隔離方案，加、拆盲板作業(yè)時(shí)要按規(guī)定辦理作業(yè)許可證，并按方案中規(guī)定的順序加、拆盲板。

加強(qiáng)變更管理，對(duì)任何涉及獨(dú)立保護(hù)層的變更事項(xiàng)要嚴(yán)格執(zhí)行變更管理程序，評(píng)估變更風(fēng)險(xiǎn)，采取措施，確保變更后獨(dú)立保護(hù)層的有效性。

3.3 加強(qiáng)異常工況管理，做好初期應(yīng)急處置工作

生產(chǎn)裝置異常工況包括超溫、超壓、超液位、水電汽風(fēng)等公用工程異常、機(jī)泵或大機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)異常，或停運(yùn)、聯(lián)鎖動(dòng)作、裝置停工、介質(zhì)泄漏等。生產(chǎn)裝置異常工況往往通過工藝、設(shè)備的參數(shù)報(bào)警或GDS系統(tǒng)的報(bào)警首先表現(xiàn)出來，對(duì)報(bào)警的應(yīng)急處置是否及時(shí)、正確、有效，直接關(guān)系到異常工況是否能夠得到有效控制，因此要加強(qiáng)報(bào)警管理和應(yīng)急處置工作。

對(duì)工藝報(bào)警進(jìn)行分級(jí)管理，根據(jù)HALOPA分析結(jié)果，將報(bào)警設(shè)置數(shù)量減至最少，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)報(bào)警事件后果嚴(yán)重性，對(duì)報(bào)警按照緊急、重要、一般進(jìn)行分級(jí)排序，對(duì)緊急、重要報(bào)警要明確應(yīng)急處置措施。對(duì)GDS系統(tǒng)報(bào)警要制定應(yīng)急處置程序，并優(yōu)先給予應(yīng)急處置。

修訂完善操作規(guī)程，嚴(yán)格執(zhí)行工藝紀(jì)律和操作紀(jì)律，減少異常工況發(fā)生。對(duì)改變工藝流程、聯(lián)鎖復(fù)位、切換泵等重要操作要“手指口述”、分級(jí)確認(rèn)，避免產(chǎn)生誤操作。

加強(qiáng)對(duì)生產(chǎn)裝置異常工況的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與評(píng)估，按照“135”原則(1 min內(nèi)采取能量隔離、切斷進(jìn)料等關(guān)鍵操作，確保事態(tài)不擴(kuò)大；3 min內(nèi)實(shí)施退守穩(wěn)態(tài)操作；5 min內(nèi)配合消氣防聯(lián)動(dòng)應(yīng)急)[7]，科學(xué)編制現(xiàn)場(chǎng)處置方案和應(yīng)急外置卡，強(qiáng)化基層班組初期應(yīng)急處置演練，提高應(yīng)急處置能力，避免事故發(fā)生。

4 結(jié)語

煉化裝置生產(chǎn)工藝復(fù)雜，串壓事故風(fēng)險(xiǎn)較大，為了有效防止串壓事故的發(fā)生，設(shè)計(jì)層面要提高本質(zhì)安全設(shè)計(jì)，從根本上消除或減少工藝系統(tǒng)串壓風(fēng)險(xiǎn)。企業(yè)層面要加強(qiáng)串壓風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)和管控，及時(shí)排查和治理串壓隱患，保持設(shè)備完整性，確保獨(dú)立保護(hù)層有效，強(qiáng)化異常工況管理，提高應(yīng)急處置能力。