事故率达到8%,化工厂开车期间事故率为何居高不下?

作者:唐彬 点击数:72 发布时间:2016-12-05
根据CSB的统计,开车期间的过程安全事故约占总的过程安全事故的8%,如果考虑到开车阶段的时间占工厂运行时间的比例,在单位时间内,开车期间的事故率远远高于正常生产时的事故率,而且事故的后果往往非常严重!
事故率达到8%,化工厂开车期间事故率为何居高不下?

2008年8月28号晚,在西弗吉尼亚州拜耳农作物科学工厂(Bayer CropScience,以下简称“拜耳科学”)因开车阶段化工装置反应失控发生了一场爆炸,大火持续燃烧4个小时,导致两名工人死亡。导致事故发生的原因很多,CSB对这起事故进行了调查,本文将基于CSB的调查报告,着重阐述传统HAZOP分析对于连续化生产工艺操作步骤分析不足的缺陷,并提出如何改进的建议。

从以下几个部分进行讲解:

1、拜耳废液处理器反应失控爆炸事故经过

拜耳科学美国工厂位于西弗吉尼亚州查尔斯顿市(Charleston)以西9公里远的大型工业园内,包括三个杀虫剂制造装置,2个发电厂和1个污水处理厂。发生事故的装置位于其西部区甲酰合成一体化,灭多威和拉维因单元。

2008年8月28号晚上10点35分,在拜耳科学工厂因灭多威装置废液处理器中反应失控发生了一场爆炸,并使容器炸裂。高度易燃的化学溶剂从容器中喷出,导致大火持续燃烧四个小时。两名工人在爆炸中严重受伤,经抢救无效不幸身亡,多名工人受伤。CSB对这起事故进行了调查。

2、灭多威生产工艺

灭多威是生产拉维因的中间体,灭多威生产涉及一系列复杂的化学反应。反应后的溶液中含有产品灭多威,甲基异丁基酮(MIBK),己烷。反应溶液进入到结晶器中,灭多威在结晶器中结晶,用离心机将结晶的灭多威从溶剂中分离,将滤饼从离心机取出,干燥,冷却,装桶后送动到仓库。离心机分离剩下的母液,包含有MIBK、己烷、少量灭多威和溶剂,其它杂质。

离心机分离剩下的母液通过蒸馏,在溶剂闪蒸罐中分离回收溶剂,送回到溶剂罐再循环使用。未汽化的溶剂和杂质,包括多达22%的灭多威,在闪蒸罐底部积累。

含有22%的灭多威的废液被送到废液处理器,在加热后进行分解,灭多威浓度降低到0.5%以下,废液被送到辅助燃料油罐作为燃料使用,具体流程见图1。

图1 灭多威离心分离和溶剂回收工艺流程

3、灭多威废液处理器工艺控制及联锁系统

开车时先在废液处理器中加入30%液位的溶剂,并启动循环泵达到稳定的循环,等取样确认废液处理器中的灭多威含量低于0.5%时,内操开始废液处理器中溶剂的热循环,热循环过程由DCS自动控制,温控调节再循环物料流量和加热器的加热蒸汽的流量,当废液处理器温度升高到设定温度135℃时,DCS自动把热循环切换到冷循环。操作规程还规定外操再次取样分析确保废液处理器中的灭多威含量低于0.5%。

一旦确认灭多威含量满足要求,内操把闪蒸罐至废液处理器上的控制阀投自动,闪蒸罐内的物料进入废液处理器,这些操作步骤确保了在废液处理器从闪蒸罐底部进料时对灭多威含量进行稀释,同时进行分解而不是集聚。通过控制蒸发量来带走反应热,在废液处理器顶部的冷凝器来冷凝汽化的溶剂,通过冷却器来控制废液处理器的温度,冷却器中通80℃的循环水。

操作规程要求外操每24小时进行一次灭多威含量取样分析,当灭多威含量低于0.5%后采出废液处理器中的物料送至燃料系统。废液处理器的流程见图2。

图2 废液处理器管道系统图

在废液处理器上设有温度低低和压力高高安全联锁,在温度低低、高高、或者压力高高,以及废液处理器循环流量低低时关闭废液处理器的进料阀门。

废液处理器顶部设有安全阀,泄放量是基于特定的灭多威浓度进行设计的,在操作规程中也明确规定,不管任何原因,当废液处理器中温度低于130℃后再次加热前必须取样分析,当灭多威的浓度高于1.3%时,若对废液处理罐进行加热可能会导致失控反应。

4、事故发生过程

事故发生前,拜耳农作物科学工厂对工程进行了停产改造,在改造结束后,对此装置进行启动。由于在开车的过程中,在小于预估的时间内把库存的新鲜溶剂消耗完了,应此操作工没有把废液处理器内预装30%的新鲜溶剂,当然也就没有办法预先把溶剂升温到135℃。

大约凌晨4时,操作员手动打开废液处理器进料控制阀,并开始将闪蒸器底部物料送入几乎为空的废液处理器。以每分钟约5.7升的低流速进料,需要24小时以上填充废液处理器50%的液位,即正常的操作液位。操作人员在早上6点交接班时没有交接废液处理器的运行状态,因为他们忙于其他的开工问题。导致接班后的白班操作员没有按照开工程序里面的要求从废液处理器出口采样。

下午6点14分,外操按照内操的指示,启动了废液处理器的循环泵,废液处理器的液位在30%左右,温度在60-65℃,低于85℃开始分解的温度,压力在0.15MpaG,操作工开始对废液进行升温,在6点38分,温度开始以0.6℃/min的速度上升,在晚上10点21分,在外循环忽然降低为零时液位为51%,此时温度接近135℃,在不到3分钟内,温度上升到141℃,并且迅速达到155℃的操作极限,温度上升速度大于2℃/min。

操作人员不理解是哪个地方有问题,采取了多个措施,包括检查放空, 开启废液处理器底部冷却系统,但这些都无法阻止压力持续升高。在下午10时33分,产生爆炸导致两位外操人员,一人因钝力外伤和现场烧伤而死亡;第二个在医院接受41天治疗后死亡。在灭火过程中六个协助的志愿消防员和两个承包商工人因接触有毒化学品而治疗,火灾引燃了废液处理器内的溶剂以及从破裂的管道系统内流出的易燃液体。

5、爆炸事故原因分析

CSB研究了物证和现场,并采访证人,确定了以下引起爆炸的最直接的原因:

5.1没有使用溶剂预先把废液处理器中加注30%液位的溶剂,而是直接使用含有40%的灭多威充到废液处理器中,导致废液处理器中灭多威的浓度远远大于正常生产时的0.5%,以及开始加热前灭多威最大允许浓度1%,同时也导致废液处理器内没有足够的溶剂吸收反应热;

5.2在启动循环前,没有检测废液处理器中灭多威浓度,失去发现40%的灭多威已经进入废液处理的机会;

5.3没有预先把废液处理器中溶剂升温到135℃,而是建立循环后,直接升温,灭多威在温度85℃后,会进行分解反应,产生气体且这个反应是放热反应,但在135℃前的分解速度很慢,在135℃左右时,迅速分解,放出大量热量和气体,远超过了冷却系统的冷却能力,热分解产生的气体也远大于安全阀的泄放能力。

综合以上3个最直接的原因,可以推断出,操作工在启动灭多威废液处理器时,多出违反操作规程,导致废液处理器超压爆炸,并引起火灾。

6、爆炸事故对HAZOP分析的启示

CSB 事故调查组发现拜耳农作物可续公司在2005年对这个装置进行了HAZOP分析,但分析主要识别正常生产时工艺参数的偏离导致的场景事故,并进行风险评估,以确定现有的保护措施是否足够。但这个事故发生在开车阶段,由于操作人员犯了3个严重错误所致。这样的事故场景没有在HAZOP分析过程中加以识别,操作人员没有意识到三个错误操作背后的潜在风险。

对于连续化工艺,只分析P&ID, 而不对关键操作步序进行分析,可能会导致重大的过程安全事故。

7、类似典型案例

类似的例子还有2005年11月13日,中石油吉林石化分公司双苯厂发生爆炸事故,造成8人死亡,60人受伤,并引发松花江水污染事件。这个事故的发生是由于操作人员在硝基苯精制单元临时停车后在启动前,硝基苯预热器(E102)的蒸汽阀手动全开,导致在启动后,粗硝基苯在预热器内大量汽化,导致预热器振动,法兰松开,空气进入负压状态的硝基苯初馏塔T101,硝基苯蒸汽与空气混合在有静电的情况下,造成粗硝基苯闪爆,火源传入硝基苯精馏塔(T102),造成T102闪爆。硝基苯精制单元工艺流程简图见图3。

图3 硝基苯精制单元工艺流程简图

8、两起事故对HAZOP的启示

美国化学工程师协会工艺安全管理中心(CCPS)统计了发生在美国本土1976~1989的过程安全事故, 在其出版的《危险评估程序指南》(CCPS,2008)的第九章指出, 对于连续化的工艺流程, 大约60~75%的重大工艺安全事故不是发生在正常生产期间, 而是发生在开停车等非正常生产期间。

化工工艺设计时,根据风险级别,设计人员通常会设计多重保护对工艺参数进行纠正,这些多重保护就是我们常说的洋葱模型。但这些洋葱模型大多数是为正常生产阶段设计的。但在非正常生产阶段,洋葱模型中的保护并不完全投用,而是随着工艺的稳定逐步投用的,如何逐步投用,许多企业把这些权限下放到班长。

当前国内普遍采用HAZOP对工艺流程进行危害分析,但根据笔者调查,对于连续化生产工艺,国内的HAZOP分析以P&ID为研究对象,且主要分析正常生产阶段由于工艺参数的偏离导致的过程安全事故,对于开停车步骤,关键性人工操作几乎不做分析。个别公司虽然也使用开停车这个偏离,但由于节点划分是以P&ID为研究对象,只用开停车这么一个简单的引导词,实际上很难对开停车的具体步骤错误进行详细分析。且对于新项目,在初步设计阶段,操作规程还没有编写,很难实施关键操作步骤的HAZOP分析。

《危险评估程序指南》(CCPS,2008)一书建议对关键性的操作步骤开展专项的PHA分析,并明确指出使用HAZOP以及What-if的方法,而其他方法包括检查表,故障失效模式都不适合分析操作步骤。

目前有的国内公司在使用工作安全分析(JSA、JHA)这个工具, 这个工具也可以分析操作步骤,但主要分析操作人员按照规定的操作步骤操作时可能遇到的风险。对于操作人员没有按照操作规程的规定的风险, JSA通常不做分析。HAZOP以及What-if主要用来分析操作人员在按照操作规程进行操作时的风险,但更加注重于没有按照操作规程操作时的风险。表1为《危险评估程序指南》(CCPS,2008)推荐的同于分析操作步骤HAZOP分析的引导词以及说明。

表1 分析操作步骤的HAZOP的引导词

为了避免拜耳,吉化双苯厂这样的事故,对于高危险的操作步骤,应该开展专项的操作步骤HAZOP 分析,分析结果用来确定关键开停步骤中,联锁,自控,报警的投用要求,关键性操作步骤误操作的危险,分析结果用来对开停车步骤的补充与修改,并作为员工培训教材的一部分。

对于新项目,由于在初步设计阶段结束,只针对P&ID实施HAZOP分析,在操作规程编制结束后,开车前,针对关键性操作步骤开展操作步骤的HAZOP分析。对于现役连续化生产装置,建议实施两次HAZOP分析,一次针对P&ID, 一次针对关键操作步骤

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