石油化工裝置如何做到設計安全？
發布時間：
2024-08-26 10:18
如何做到設計安全，如何對石油化工過程潛在的各種危險進行識別，如何對偏離過程條件做出估計，并在工程建設的基礎環節(設計)上采取措施，防患于末然，已為人們廣泛關注。國外現在較為通行的做法是，除強調本質安全設計外，在項目設計中推行(危險性和可操作性研究)(Hazard and Operability Study，縮略為HAZOP)，用一系列對過程偏離研究提示，系統地、定性地去認識過程危險和潛在的后果，并采取措施。在項目管理上，推行(安全衛生執行程序)(Health and Safety Executive 縮略為HSE)，對項目各階段的安全、衛生和環保內容進行審查和確認。此外，還可以應業主要求，對項目進行安全評估。
我國石油化工裝置設計，目前尚無一套完整的安全分析方法和管理體系。有關安全、衛生和環保要求，多分散在有關政府法規和各級標準規笵中，執行管理諸多不便，加之設計中很多關于安全、衛生和環保的要求，標準規笵沒有或無法納入。在項目管理上更是只重視“前期”審查，忽視“后期”實施，往往事倍功半。
如何保證裝置設計安全，首先要嚴格、正確地執行政府法規、標準規笵(特別是強制性標準)。設計人員還該做些什么？本人根據自已的學習和體會，供石油化工裝置設計和生產安全的同行探討。
1裝置危險因素
石油化工裝置類型甚多，由于技術路線、原料、產品、工藝條件的差異，存在的危險因素不盡相同，大致歸納如下。
1.1中毒危險
石油化工生產過程中，以原料、成品、半成品、中間體、反應副產物和雜質等形式存在的職業性接觸毒物，工人在操作時，可經過口、鼻、皮膚進入人體生理功能和正常結構的病理改變，輕則擾亂人體的正常反應，降低人在生產中作出正確判斷、采取恰當措施的能力，重則致人死亡。
1.2火災爆炸危險
可燃氣體、油氣、粉塵與空氣形成的混合物，當其濃度達到爆炸極限時，一旦被引燃，就會發生火災爆炸，火災的輻射熱和爆炸產生的沖擊波可能對人、設備和建筑物造成殺傷和破壞。尤其大量可燃氣體或油氣泄漏形成的蒸汽云爆炸，往往是毀滅性的。如2001年撫順石化公司的乙烯空分裝置的爆炸、2000年北京燕山石化的高壓聚乙烯裝置的爆炸、1967年大慶石化公司的高壓加氫裝置的氫氣的爆炸這樣的例子還有很多，損失是十分慘重的。
1.3反應性危險
化學反應過程分吸熱和放熱兩類。通常，放熱反應較吸熱反應更具危險性，特別是使用強氧化劑的氧化反應；有機分子上引入鹵原子的鹵化反應。
1.4負壓操作
負壓操作易使空氣和濕氣進入系統，或是形成爆炸性氣體混合物，或是空氣中的氧和水蒸汽引發對氧、水敏感物料的危險反應，如煉油的常減壓裝置中的減壓塔系統。
1.5高溫操作
可燃液體操作溫度超過其閃點或沸點，一旦泄漏會形成爆炸性油氣蒸汽云；可燃液體操作溫度等于或超過其自燃點，一旦泄漏即能自燃著火或成為引燃源；高溫表面也是一個引燃源，可燃液體濺落其上可能引起火災。如茂名焦化裝置2001年由于用錯管線材料，高溫渣油沖出形成大火災，發生重大人身傷亡事故。
1.6低溫操作
沒有按低溫條件設計，由于低溫介質的竄入，而引起設備和管道的低溫脆性破壞。如空分的低溫設備的損壞，大化肥渣油氣化流程的低溫甲醇洗-195℃的低溫脆性斷裂。
1.7腐蝕
腐蝕是導致設備和管道破壞引發火災的常見因素。材料的抗腐蝕性能的重要性，在材料優化性能方面，僅次于材料的機械性能，其耐蝕性多出于經驗和試驗，無標準可循(中石化加工高硫油的裝置選材有現行標準)。加之腐蝕類型的多樣性和千變萬化的環境條件影響又給腐蝕危險增加了不可預見性。如：天津石化的油鑵著火，高溫硫腐蝕、低溫硫的腐蝕等。
1.8泄漏
泄漏是設備管道內危險介質釋放至大氣的重要途徑。設備管道靜密封和動密封失效，尤其溫度壓力周期變化、滲透性腐蝕性介質條件更易引起密封破壞。設備管道上的薄弱環節，如波紋管膨脹節、玻璃液位計、動設備的動密封的失效等，一旦損壞會引發嚴重的事故。
鎮海煉化公司的加氫裝置的機械密封泄漏引發的重大火災。1996年加氫裂化裝置的高溫高壓螺紋鎖緊環的管線泄漏的事故等。
1.9明火源
一個0.5mm長的電弧或火花就能將氫氣引燃。裝置明火加熱設備(加熱爐)，高溫表面以及可能出現的電弧、靜電火花、撞擊磨擦火花、煙囪飛火能量都足以引燃爆炸性混合物。如鎮海煉化公司2001年的新電站開工過程中汽輪機廠房大火。
2工藝路線選擇的安全考慮
工藝方法安全是裝置設計安全的基礎，在項目立項和可行性研究階段，應充分注意工藝路線的安全考慮。
2.1盡量選用危險性小的物料
為獲得某種目的產品，其原料或輔助材料并非都是唯一的。在有條件時，應優先采用沒有危險或危險性小的物料。
2.2盡量緩和過程條件苛刻度
過程條件的苛刻度也不是不可以改變的。比如，采用催化劑或更好的催化劑，采用稀釋、采用氣相進料代替液相進料，以緩和反應的劇烈程度。
2.3刪繁就簡避開干擾及本質安全
過程事故幾率和影響因素有關，參數越多干擾越大。對一臺設備完成多種功能的情況，能否采用多臺設備，分別完成一個功能，以增加生產可靠性。提高設備、自控、電氣的可靠性及本質安全程度。
2.4盡量減少危險介質藏量
危險介質藏量越大，事故時的損失和影響范圍越大。如用膜式蒸餾代替蒸餾塔、用連續反應代替間歇反應、用閃蒸干燥代替盤式干燥塔、用離心抽提代替抽提塔等。
2.5減少生產廢料
過程用原料、助劑、溶劑、載體、催化劑等是否必要，是否可減少；是否可回收循環使用；廢料是否能綜合利用，進行無害化處理，減少生產廢料，做到物盡其用，減少對環境的污染。
3工程設計的安全
3.1工程設計的安全原則
>>>>物料危險性的描述
物料危險性通常可以用物料安全數據表進行描述，主要內容如下：一般火災危險特性：閃點、引燃溫度、爆炸極限、相對密度、沸點、熔點、水溶性。火災危險性分類(見GB50160/GBJ16)對健康的危害性：工作場所有害物質最高允許濃度(見TJ36)，急性毒性(LC50或LD50)及發病狀況、慢性中毒患病狀況及后果、致癌性。毒物危害程度分級(見GB5044)。
反應性危險：環境條件下的穩定性、與水反應的劇烈程度、對熱或機械沖擊的敏感性。
反應性危險等級(參考NPPA704) 儲運要求。事故撲救方法、應急措施。
>>>>過程條件
正常生產過程的實質是各工藝參數的相對平衡。任一參數超范圍的變化，平衡就被打破，可能導致事故。如何對過程條件進行控制和調節，一旦失控如何緊急處置以減少和避免損失。
各種反應，包括主反應、副反應，以及可能發生的有害反應、防止有害反應的發生。采用優化軟件對生產過程進行控制和調節。
>>>>組合操作單元間銜接
石油化工裝置實際是若干工藝操作單元的組合。如何實現單元間的安全銜接，避免相互干擾；某單元處理事故或故障時，如何進行隔離，其它單元如何進行維持，如何平穩停車。聯合裝置是若干原概念裝置的組合，資產密度相對加大，尤其要在工藝系統設計上處理好銜接。
>>>>密封和密封系統
連續散發可燃、有毒氣體、粉塵或酸霧的生產系統，應設計成密閉的，并設置除霧、除塵或吸收設施。低沸點可燃液體、有毒液體或能與空氣中的氧氣、水發生氧化、分解、自聚反應或變質時，應采用惰性氣體密封，應有防腐的工藝措施。
>>>>減少危險介質進入火場
在滿足生產平穩前提下，盡量縮短物料在設備內的停留時間，選用存液量少的分餾設備。對大型設備底部、大排量泵、高溫(≥閃點，≥自燃點)泵入口、排量大于8m3/h液化烴泵入口、液化烴鑵出口，均應考慮事故隔離閥，事故時緊急切斷，以減少事故外泄量。
氣體火災的最好撲救方法是切斷氣源。因此，氣體加工裝置邊界可燃氣體管應設事故隔離閥。
>>>>設備的超壓保護
GB150和壓力容器安全技術監規程都要求壓力容器設超壓保護；正排量泵及有超壓保護要求的設備均應有安全泄壓設施。介質腐蝕、結焦、凝堵使安全閥失效時，應考慮安全閥爆破片組合使用，或設蒸氣掩護、蒸汽(或電)伴熱。對有突然超壓的設備，受熱壓力急劇升高的設備，還應設自動泄壓或導爆筒、爆破片組合設施。
>>>>壓力泄放與放空
可燃介質安全閥泄壓應進入火炬系統，由于泄放物夾帶液體，裝置應設分液罐；放火炬總管應能處理任何單個事故最大排放量。石化裝置的放空火炬排放中事故。液化烴類設備和管道放空應進入火炬系統。毒性、腐蝕性介質泄放應進行無害化處理。設備和管道排凈應密閉收集。
>>>>吹掃和置換
開停工裝置內設備和管道的吹掃和置換為安全開停工及檢修創造條件。吹掃不凈，不完善的吹掃系統，不合要求的吹掃介質會為火災創造條件。固定吹掃系統應有防止危險介質反串的措施。
>>>>與系統的隔離
進出裝置的危險物料均應在邊界處設切斷閥，并在裝置側裝“8”字盲板，防止裝置火災或停工檢修時相互影響。處理可燃、有毒介質的設備，在裝置運行中需要切斷進行檢修清理時，應設雙閥或閥加盲板。
>>>>公用工程供應
供水中斷時，冷卻系統應能維持正常冷卻10min以上。其它象燃料、儀表用風應考慮事故供應源或事故儲備量。
>>>>非常工況處理
裝置開停工、事故停車極易發生火災等事故。工藝系統不只提供正常操作程序，還應提出開、停工程序和停水、停電等情況下停車步驟，保證生產全過程都是有序的。如石化大型裝置的事故預案。
3.2 儀表及自動控制設計
儀表是操作員的眼睛，自控系統是裝置調節控制的中樞。
>>>>動力系統
應有事故電源和氣源，以保證有較充裕的時間對事故進行處理。
>>>>儀表和控制器選型
應采用故障安全型，確保故障時生產系統趨向安全。自動停車后的儀表回路，應避免未經確認復位的情況下，自動回到正常運行狀態。避免選用可能引起誤判的多功能儀表。
>>>>聯鎖和停車系統
重要的操作環節，應設報警、聯鎖和緊急停車系統。(ESD)緊急停車可能給生產帶來重要影響時，訊號系統應設3取2的表決系統。控制系統故障可能引起重大事故時，應設n:1甚至1：1 冗余控制系統。生產運行中，儀表及停車回路應能檢測。
>>>>現場儀表
爆炸危險區內的儀表、分析儀表、控制器均選用相應防爆結構或
>>>>有害氣體深度監測
散發有害氣體或蒸汽的場合，應設置監測報警設施。
>>>>儀表線纜
火災爆炸危險區內儀表線纜應采用非燃料材料型或阻燃型。
3.3設備設計
工藝設備是實現工藝過程的主體，所有單個操作過程都通過特定設備來完成，因此，設備的可靠性對裝置安全生產至關重要。設備設計的主要方面包括制造材料、機械設計、制造工藝和過程控制系統。
>>>>材料選用
應熟知工藝過程、外部環境、故障模式、材料加工性能。腐蝕是導致設備破壞和火災的重要因素，應合理選用耐蝕材料和腐蝕裕量。
>>>>機械設計
應能滿足苛刻溫度壓力條件下對設備產生的應力要求。特別注意容器上的動力裝置產生的振動荷載和由于溫度壓力的周期性改變產生的交變荷載。高溫高壓熱壁反應器的應力分折。大型往復壓縮機的管道采用(API618。3.3)節規范壓力脈動聲學摸似計算及分折、采用故障診斷技術等。
>>>>設備制造
設計中最重要的是對設備材料質量控制程序和制造過程的質量程序作出判斷，證實制造符合設計要求。設計中應注意下列安全問題。
(1)壓力容器
應嚴格執行《壓力容器安全技術監察規程》，設置容器清洗通風設施；設置防沖蝕和防靜電設施；內件應防止積液；容器內應避免物流死區；立式容器支承結構應設置耐火保護。
(2)轉動設備
處理易燃、有毒介質的轉動設備應采用雙端密封或性能更好的密封；不得使用鑄鐵材料與能和介質(和/或潤滑劑)起反應的零配件；壓縮機各級入口應有分液設施；大型泵和壓縮機應設置抗振動設施。采用先進的干氣密封技術、浮環密封技術。
(3)明火設備
爐膛應有空氣、氮氣或水蒸氣吹掃口；燃氣爐應設常明燈；大型明火加熱設備應設置火焰監測器。
3.4電氣設計
電力是裝置生產的主要動力源，連續可靠的電力供給是裝置安全生產的重要保證。
(1)關鍵性連續生產過程，應采用雙電源供電；
(2)突然停電會引發爆炸、火災、中毒和人員傷亡的關鍵設備，必須設置保安電源。
(3)大功率電機啟動，應核算啟動電流不超過供電系統允許的峰值電流或應用軟啟動設施。(變頻技術)。
(4)爆炸危險環境電氣設備的結構、分級和分組應符合GB50058。
(5)火災危險環境架空敷設的電纜及電纜構電纜，均應采用阻燃型。
(6)建筑和設備，應有可能的防雷接地措施；可能產生靜電的設備、管道應有防止靜電積聚的措施。
(7)安全設施如火災報警、事故照明、疏散照明等應設置保安電源。
3.5裝置布置設計
裝置布置包括設備、建構筑物和通道布置，確保過程順利實施，安全間距符合規范，方便操作維修和消防作業，有利人員疏散。
>>>>設備布置
應滿足工藝對設備布置的要求(如泵灌注頭、設備間位差)；設備間及設備與建筑物間的防火間距應符合GB50160的規定；應避免連續引燃源(明火加熱設備)和危險的釋放源鄰近布置；高危險設備與一般危險設備應盡量分開布置；設備應盡量采用露天或半露天布置，盡量縮小爆炸危險區域范圍；除非工藝要求，設備多層布置時，應不超過三層；操作溫度等于或大于介質自燃點設備上方一般不布置空冷器；對人體可能造成意外傷害的介質設備附近，應設置安全噴淋洗眼器。如甲醇裝置。
>>>>建構筑物布置
可能散發火花和使用明火的建筑物(如控制室、變配電室、化驗和維修間、辦公樓)應布置在非爆炸危險區域，若在附加二區范圍內，應高出室外地坪0.6m；裝置豎向處理應有利于泄漏物和消防灑物的排放，縮短其在裝置區的滯留時間。如國外控制室的防爆設施。
>>>>通道設置
裝置四周應設環形通道；裝置的消防通道應貫通裝置區，并有不少于兩個的路口與四周道路連接；裝置用道路分隔的區塊，應能使消防作業不出現死角；設備聯合平臺和框架相鄰疏散通道之間不應超過50 m。
3.6管道設計
管道設計包括管道布置、管道器材和管道機械三部分。設計不當和錯誤都會給安全生產帶來隱患，甚至釀成災害。
>>>>管道布置
管道連接除必要的法蘭連接外，應盡量采用焊接；管道上的小口徑分支管應采用加強管接頭與主管連接；管橋上輸送液化烴、腐蝕介質的管道應布置在下層；氧氣管道應避開油品管道布置。跨越道路的危險介質管道，除凈高應滿足要求外，其上方不得安裝閥門、法蘭、波紋管；處理事故用的各種閥門，如緊急放空、事故隔離、消防蒸汽、消防豎管等，應布置在安全、明顯、易于開啟的地點。
>>>>管道器材
選用的管道器材，應能承受操作過程最苛刻溫度壓力組合時產生的作用力；管道器材的使用不應超過規范允許范圍，不得使用規范不允許使用的材料；腐蝕性介質管道應慎重選用耐腐蝕材料和腐蝕裕量；不同等級管道的連接，應盡量用法蘭連接，避免異種鋼焊接；危險介質管道應盡量避免使用波紋膨脹節去解決管道柔性；劇毒和液化烴管道閥門，不得采用螺紋閥蓋的閥門，高壓閥門應選用壓力密封結構或更好的密封結構。事故隔離閥采用軟密封時應是防火型；管道密封(法蘭溫度壓力等級、接管型式、密封面型式、墊片材料及結構型式、螺栓螺母材料)應合理選用；新器材的采用應有國家或和行業權威技術部門的鑒定。
>>>>管道機械
必須保證管道在設計條件下具有足夠的柔性。尤其對高溫、厚壁、大口徑管道與敏感設備(如泵、壓縮機、透平、空冷器等)連接的管道，作用在設備嘴子上的力和力矩應滿足設備制造商的要求；往復式壓縮機的接管除考慮柔性外，還應進行脈沖振動分析；兩臺或多臺設備互為備用或切換操作時應考慮不同工況對應力分析、振動分析的影響；冷緊可降低操作時管道對設備固定點的作用力，但連接轉動設備的管道不得冷緊；管道支承結構應可靠、合理。振動管道支架不應在廠房、設備上生根。兩相流管道及其它有沖擊荷載的管道其支架應考慮沖擊力的影響；管道開孔應予補強。
3.7土建設計
控制室、配電室及生產廠房的耐火等級應符合GBJ16的要求。控制室朝向危險介質設備側應是無門窗洞口的非燃燒材料實體墻；有爆炸危險的甲、乙類廠房，應采用輕型結構，泄壓面積應符合GBJ16的要求；建筑物和框架安全疏散通道應符合規范；多層建筑物布置有可燃液體設備時應有防止可燃液體漏至下層的設施；大型動力基礎，考慮對廠房的影響應采取隔振措施；火災危險區內承重鋼結構和預應力鋼筋混凝土結構應施行耐火保護，且耐火極限不應小于1.5h；**設防地區，建筑物設計還應符合抗震規范要求；低溫冷儲罐基礎與土壤接觸時應有防止0℃溫度線穿過土層的措施。
3.8供排水設計
污水系統生產裝置特別易引發火災。全廠性生產污水不得穿越工藝裝置界區；裝置設備區內生產污水的可燃液體分離池，必須設非燃材料蓋板；甲、乙類裝置生產污水下水井蓋應密封。
3.9通風設計
散發有害氣體或蒸汽的廠房，應有通風設施，換氣次數應滿足TJ36車間空氣中有害物質最高容許深度要求；機械通風的取風口應確保送出空氣中有害氣體或粉塵不得超過車間空氣中有害物質最高容許深度值的30%；可能突然產生大量有害氣體或蒸汽的廠房應設事故通風系統。
3.10消防設計
裝置消防設計的主要是一些固定設施，但裝置四周道路和消防通道及路邊消防栓，將為消防車輛進出和取水提供便利；裝置消防水管道應環狀布置，進水管不應少于兩條，環狀管道還應用閥門分成若干**管道段。裝置高大設備群應設高壓水炮保護。甲、乙類設備框架平臺高于15cm時，要設消防給水豎管。著火后不能及時得到冷卻保護會造成重大事故的設備應設水噴淋或水噴霧系統。可燃液體泵房和甲類氣體壓縮機房，其容積小于500立方米時，應設固定式篩孔管蒸汽滅火設施。加熱爐爐膛及帶堵頭的回彎頭箱，應設固定式蒸汽滅火設施。操作溫度等于或大于介質自燃點的設備接管法蘭要設環狀蒸汽篩孔管保護。裝置生產區內應配置干粉型或泡沫型滅火器，控制室應配置氣體滅火器。甲、乙類裝置區四周應設置火災報警按鈕。感溫、感煙、火焰等報警信號盤設置在控制室內，控制室還應設火災報警專用電話；裝置控制室與其它建筑物合建時，應設單獨的防火分區，并設火災自動報警系統。
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