HAZOP分析和風(fēng)險(xiǎn)矩陣在丁二烯罐區(qū)設(shè)計(jì)的分析應(yīng)用

顏陳光

(浙江自貿(mào)區(qū)海泰石化科技有限公司,浙江舟山 316013)

0 前言

丁二烯是一種重要的有機(jī)化工原料,在橡膠、合成樹脂等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而,由于丁二烯具有易燃、易爆和有毒等特性,其儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中的安全性問題備受關(guān)注。根據(jù)統(tǒng)計(jì),2000—2021年我國(guó)發(fā)生了11起因丁二烯物料泄漏、自聚等原因產(chǎn)生的安全生產(chǎn)事故[1],如2021年1月,南京某石化順丁裝置回收單元丁二烯中間罐發(fā)生自聚反應(yīng),引發(fā)爆燃事故;2021年10月,山東某化學(xué)科技公司因丁二烯儲(chǔ)運(yùn)管道閥門泄漏,發(fā)生爆燃事故。此類事故暴露出我國(guó)化工企業(yè)對(duì)丁二烯危險(xiǎn)性認(rèn)識(shí)上的不足,以及在丁二烯儲(chǔ)存運(yùn)輸安全管控技術(shù)上的缺陷。

如何提升對(duì)丁二烯物料在化工企業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)管控,保障企業(yè)平穩(wěn)安全運(yùn)行,已有相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了研究,如王麗敏,等[2]利用道化學(xué)火災(zāi)、爆炸危險(xiǎn)指數(shù)法對(duì)丁二烯罐區(qū)單元進(jìn)行了爆炸指數(shù)的計(jì)算和影響分析,提出了采用自動(dòng)化控制和安全聯(lián)鎖的安全補(bǔ)償措施;宋琦,等[3]對(duì)丁二烯儲(chǔ)存過程中二聚物含量變化分析研究,結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn),闡明了優(yōu)化安生生產(chǎn)工藝、完善相應(yīng)安全管理制度等,確保丁二烯產(chǎn)品的安全儲(chǔ)存和運(yùn)輸。但以上文獻(xiàn)均是對(duì)丁二烯儲(chǔ)運(yùn)在項(xiàng)目建成后的安全風(fēng)險(xiǎn)管控研究,缺少在項(xiàng)目建成前的設(shè)計(jì)階段開展安全風(fēng)險(xiǎn)管控研究。

本文以丁二烯儲(chǔ)存運(yùn)輸安全風(fēng)險(xiǎn)為研究?jī)?nèi)容,將分析前移至設(shè)計(jì)階段,突出預(yù)防為主、關(guān)口前移,通過在新建丁二烯罐區(qū)設(shè)計(jì)階段對(duì)其工藝系統(tǒng)進(jìn)行危險(xiǎn)與可操作性分析,提出改進(jìn)措施建議,旨在從源頭上控制丁二烯物料在儲(chǔ)存和輸送過程中的安全風(fēng)險(xiǎn),防止或減少安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。

1 選取分析方法和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定準(zhǔn)則

1.1 危險(xiǎn)與可操作性分析

危險(xiǎn)與可操作性分析(HAZOP)是一種系統(tǒng)化、結(jié)構(gòu)化的工藝安全分析方法,已在許多化工項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用[4-6],它通過不同知識(shí)背景的專業(yè)人員發(fā)揮集體智慧,運(yùn)用引導(dǎo)詞與相關(guān)參數(shù)的結(jié)合方式,系統(tǒng)全面的識(shí)別工藝操作節(jié)點(diǎn)過程中異常工況產(chǎn)生的危害,提出預(yù)防事故發(fā)生或減緩后果的控制措施方法。這種分析方法結(jié)構(gòu)性好、針對(duì)性強(qiáng)、協(xié)作性高,尤其在新建項(xiàng)目或技術(shù)改造時(shí),能更加準(zhǔn)確地評(píng)估工藝系統(tǒng)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

HAZOP分析的主要流程是對(duì)工藝系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)劃分,明確分析目標(biāo)和范圍,使復(fù)雜的工藝流程簡(jiǎn)單化,便于更好進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。然后通過問詢工藝操作過程的參數(shù)(引導(dǎo)詞:溫度、壓力、流程等)偏離設(shè)計(jì)值時(shí)產(chǎn)生不利后果的方式,對(duì)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的每個(gè)設(shè)備、操作進(jìn)行分析,提出安全對(duì)策措施,滿足企業(yè)風(fēng)險(xiǎn)可接受程度。HAZOP分析流程,如圖1所示。

圖1 HAZOP分析流程[7]

1.2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定準(zhǔn)則

風(fēng)險(xiǎn)矩陣是HAZOP分析中重要的評(píng)價(jià)工具[8],它用來幫助分析人員評(píng)估工藝系統(tǒng)中的安全風(fēng)險(xiǎn)程度,據(jù)此制定對(duì)應(yīng)的降低或消除風(fēng)險(xiǎn)措施。在風(fēng)險(xiǎn)矩陣中,事故場(chǎng)景后果的嚴(yán)重程度可以從人員傷亡、財(cái)產(chǎn)受損、環(huán)境和聲譽(yù)影響等方面進(jìn)行考量,按照嚴(yán)重性的不同,將后果劃分為5個(gè)等級(jí),按照事故發(fā)生的頻率大小,劃分為7個(gè)等級(jí),采用定性與半定量的結(jié)合的方式,將事故等級(jí)劃分為低、中、高、很高4個(gè)等級(jí),風(fēng)險(xiǎn)矩陣如表1所示。

表1 風(fēng)險(xiǎn)矩陣

其中,風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為低,不需采取行動(dòng);中,可選擇性地采取行動(dòng);高,選擇合適的時(shí)機(jī)采取行動(dòng);很高,立即采取行動(dòng)。

2 實(shí)例應(yīng)用

2.1 項(xiàng)目概況

2.1.1項(xiàng)目平面布置

在某化工園區(qū)內(nèi)新建丁二烯公共罐區(qū)項(xiàng)目,用地面積28 614 m2,為下游精細(xì)化工企業(yè)提供丁二烯原料保障。罐區(qū)設(shè)計(jì)有5個(gè)丁二烯球罐及2臺(tái)丁二烯輸送泵,每臺(tái)球罐的容積為4 000 m3,每臺(tái)丁二烯球罐配置1臺(tái)丁二烯冷卻器和丁二烯循環(huán)泵,配套空分裝置、泄壓系統(tǒng)、切水系統(tǒng)[9]及注水系統(tǒng)[10]。經(jīng)重大危險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)本項(xiàng)目構(gòu)成一級(jí)重大危險(xiǎn)源,設(shè)置有SIS系統(tǒng)、緊急停車系統(tǒng)、消防噴淋系統(tǒng)等,項(xiàng)目平面布置示意如圖2所示。

圖2 項(xiàng)目平面布置示意

2.1.2工藝流程

來自碼頭的丁二烯,經(jīng)由管道輸送至罐區(qū)中丁二烯球罐儲(chǔ)存,當(dāng)園區(qū)下游企業(yè)有使用需求時(shí),再從罐區(qū)泵輸送至下游企業(yè)。當(dāng)無來料和出料輸送時(shí),采用內(nèi)部循環(huán)冷卻儲(chǔ)罐內(nèi)丁二烯物料,防止丁二烯自聚或超壓。儲(chǔ)罐設(shè)有高低液位報(bào)警、高高及低低液位聯(lián)鎖,同時(shí)在進(jìn)出料管線上設(shè)置緊急切斷閥。為了安全儲(chǔ)存,丁二烯球罐通常采取低溫、加壓液化、氮封儲(chǔ)存,為了防止丁二烯自聚發(fā)生安全事故,球罐儲(chǔ)存壓力控制在不大于0.5 MPa[11],儲(chǔ)存溫度不大于27 ℃,氧含量控制在0.2%以下,阻聚劑TBC濃度控制在0.05～0.15 mg/L[12]。

2.1.3工藝物料參數(shù)

丁二烯屬于液化烴種類之一,常溫常壓下通常為無色、有毒、具有芳香的氣體,在儲(chǔ)運(yùn)過程中存在易燃、易爆、易自聚等風(fēng)險(xiǎn),工藝物料參數(shù),如表2所示。

表2 工藝物料參數(shù)[13]

2.2 分析過程及結(jié)果

2.2.1分析范圍

根據(jù)AQ/T 3049—2013《危險(xiǎn)與可操作性分析(HAZOP分析)應(yīng)用導(dǎo)則》風(fēng)險(xiǎn)分析方法和程序[14],本次HAZOP分析選取范圍為罐區(qū)界面,不包括碼頭及下游使用企業(yè)。

2.2.2節(jié)點(diǎn)劃分

節(jié)點(diǎn)劃分根據(jù)罐區(qū)儲(chǔ)運(yùn)工藝特點(diǎn),以1個(gè)球罐及配套工藝管線和設(shè)施為1個(gè)節(jié)點(diǎn)的劃分原則。工藝物料管線起點(diǎn)從進(jìn)防火堤外1 m,終點(diǎn)至出防火堤外1 m,配套設(shè)施包括冷卻設(shè)施、惰氣保護(hù)設(shè)施、安全泄壓設(shè)施。

罐區(qū)共設(shè)有5個(gè)球罐,因此劃分為5個(gè)節(jié)點(diǎn),因每個(gè)球罐的工藝流程操作類似,本次以T-501球罐為例進(jìn)行節(jié)點(diǎn)危險(xiǎn)和可操作性分析,如圖3所示。

圖3 罐區(qū)T-501球罐工藝流程

2.2.3節(jié)點(diǎn)偏差

分析采用引導(dǎo)詞優(yōu)先的順序流程,對(duì)比每個(gè)節(jié)點(diǎn)的正常操作時(shí)的工藝參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值,通過引導(dǎo)詞應(yīng)用于分析部分的各個(gè)要素,分析偏差的可信度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),采用6個(gè)要素+引導(dǎo)詞相結(jié)合的方式,形成11類偏差,如表3所示。

表3 節(jié)點(diǎn)偏差

2.2.4分析結(jié)果

通過分析小組采用會(huì)議討論形式,對(duì)丁二烯罐區(qū)設(shè)計(jì)的工藝系統(tǒng)進(jìn)行全面的梳理,識(shí)別危險(xiǎn)的操作意圖偏差,形成原因、后果、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和安全措施。從識(shí)別的危險(xiǎn)和可操作分析偏差中,根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判定準(zhǔn)則,對(duì)后果得出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),其中高風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)7個(gè),中風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)4個(gè),低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)10個(gè)。本文對(duì)7個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)、4個(gè)中風(fēng)險(xiǎn)后果,在現(xiàn)有安全措施基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn),提出進(jìn)一步預(yù)防事故發(fā)生的建議措施。

a) 流量高/壓力高偏差。原因:①丁二烯進(jìn)料過高;②出料調(diào)節(jié)回路故障,閥門開度過大。后果:①儲(chǔ)罐液位升高,設(shè)備超壓損壞,丁二烯泄漏至環(huán)境,可能導(dǎo)致VCE爆炸(高風(fēng)險(xiǎn));②儲(chǔ)罐液位降低,導(dǎo)致輸送泵汽蝕損壞(中風(fēng)險(xiǎn))?，F(xiàn)有安全措施:液位101A聯(lián)鎖高高關(guān)二次閥,液位103A聯(lián)鎖高高關(guān)一次閥,壓力高高聯(lián)鎖泄壓,爆破片加安全閥,溫度高高聯(lián)鎖泄壓;采用屏蔽泵。建議措施:爆破片處設(shè)置反沖設(shè)施設(shè)計(jì),防止此處丁二烯聚合;循環(huán)泵采用能保證低汽蝕余量的泵避免在低流量輸送時(shí)產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象。

b) 流量低/壓力低偏差。原因:①丁二烯循環(huán)泵故障;②氮?dú)夤?yīng)不足或無氮?dú)?③氮?dú)庹{(diào)節(jié)回路故障,導(dǎo)致氮?dú)忾y門開度過小或關(guān)閉。后果:①丁二烯聚合、超壓損壞,丁二烯泄漏至環(huán)境(高風(fēng)險(xiǎn)),可能導(dǎo)致VCE爆炸(中風(fēng)險(xiǎn));②儲(chǔ)罐內(nèi)失壓,丁二烯汽化,導(dǎo)致丁二烯循環(huán)泵及輸送泵汽蝕損壞(中風(fēng)險(xiǎn))?，F(xiàn)有安全措施:壓力高高聯(lián)鎖泄壓,溫度高高聯(lián)鎖泄壓,爆破片加安全閥,儲(chǔ)罐外壁設(shè)置保冷;壓力低低聯(lián)鎖停丁二烯輸送泵及丁二烯循環(huán)泵,壓力低低聯(lián)鎖停丁二烯輸送泵及丁二烯循環(huán)泵,采用屏蔽泵。建議措施:泄壓接管方式改為從上部接入,建議設(shè)定主泵、備用泵自動(dòng)定期切換,爆破片處設(shè)置反沖設(shè)施設(shè)計(jì);循環(huán)泵采用能保證低汽蝕余量的泵避免在低流量輸送時(shí)產(chǎn)生汽蝕現(xiàn)象,出料閥位為關(guān)閉時(shí)同儲(chǔ)罐的回流閥禁止開啟的。

c) 溫度高偏差。原因:①冷凍水溫度高;②循環(huán)調(diào)節(jié)回路故障導(dǎo)致開度過小或關(guān)閉;③環(huán)境高溫。后果:丁二烯聚合、超壓損壞(高風(fēng)險(xiǎn)),丁二烯泄漏至環(huán)境(高風(fēng)險(xiǎn)),可能導(dǎo)致蒸氣云爆炸(高風(fēng)險(xiǎn))?，F(xiàn)有安全措施:壓力高高聯(lián)鎖泄壓,溫度高高聯(lián)鎖泄壓,爆破片加安全閥;丁二烯冷卻器,采用循環(huán)丁二烯進(jìn)行降溫,儲(chǔ)罐管道設(shè)置保溫保冷層。建議措施:泄壓接管方式改為從上部接入,爆破片處設(shè)置反沖設(shè)施設(shè)計(jì);設(shè)置備用循環(huán)泵,防止循環(huán)泵故障時(shí)儲(chǔ)罐溫度過高、建議設(shè)定主泵、備用泵自動(dòng)定期切換,避免備用泵長(zhǎng)期不用導(dǎo)致物料聚合。

d) 溫度低偏差。原因:環(huán)境低溫。后果:緊急注水管線在冬季可能結(jié)冰(中風(fēng)險(xiǎn))。現(xiàn)有安全措施:外壁保溫保冷。建議措施:制度中要求緊急注水管線保持防空狀態(tài)。

e) 濃度高偏差。原因:球罐中含氧氣高。后果:可能導(dǎo)致球罐內(nèi)丁二烯聚合放熱,導(dǎo)致球罐溫度、壓力高,設(shè)備超壓損壞,丁二烯泄漏至環(huán)境,可能導(dǎo)致VCE爆炸(高風(fēng)險(xiǎn))。現(xiàn)有安全措施:壓力高高聯(lián)鎖泄壓,溫度高高聯(lián)鎖泄壓,爆破片加安全閥,氧含量檢測(cè)高報(bào)。建議措施:采用密閉禁氧系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

f) 操作失誤偏差。原因:丁二烯進(jìn)料及出料管線兩端手閥同時(shí)關(guān)閉。后果:丁二烯由于熱膨脹導(dǎo)致丁二烯管道超壓損壞,丁二烯泄漏至環(huán)境,遇點(diǎn)火源發(fā)生火災(zāi)爆炸事故(高風(fēng)險(xiǎn))?，F(xiàn)有安全措施:進(jìn)料及出料管線均設(shè)置安全閥。建議措施:安全閥帶爆破片,爆破片處設(shè)置反沖設(shè)施設(shè)計(jì)。

3 結(jié)語

本文分析結(jié)果可以理清新建丁二烯罐區(qū)工藝裝置儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)的運(yùn)行要素和各個(gè)節(jié)點(diǎn)可能出現(xiàn)的嚴(yán)重事件,掌握工藝參數(shù)偏離時(shí)的應(yīng)對(duì)措施,解決設(shè)計(jì)階段的缺陷,完善安全保護(hù)措施。同時(shí),本文提出的建議性措施,主要以各專業(yè)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)為導(dǎo)向,更多的是對(duì)工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)完整性的一種優(yōu)化。后續(xù)根據(jù)罐區(qū)建成后實(shí)際運(yùn)行情況,還可以增加如定期開閥門排物料、管線配管盡量避免死角防止丁二烯物料聚合堵塞,設(shè)置可燃?xì)怏w探測(cè)器等安全措施以減少事故發(fā)生。