基于HAZOP-LOPA的硝基苯生產裝置風險分析

呂似蘊，蔣軍成，虞　奇，陳海嶺

(1.南京工業大學安全科學與工程學院,江蘇 南京210009；2.南京工業大學江蘇省城市與工業安全重點實驗室,江蘇 南京210009；3.江蘇國恒安全評價咨詢服務有限公司,江蘇 南京210009)

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基于HAZOP-LOPA的硝基苯生產裝置風險分析

呂似蘊1,2,3，蔣軍成1,2,3，虞奇1,2,3，陳海嶺1,2,3

(1.南京工業大學安全科學與工程學院,江蘇 南京210009；2.南京工業大學江蘇省城市與工業安全重點實驗室,江蘇 南京210009；3.江蘇國恒安全評價咨詢服務有限公司,江蘇 南京210009)

摘要：介紹了南化公司年產十萬噸苯胺裝置中苯的硝化反應，選擇硝基苯生產裝置中危險性較大的裝置硝化鍋進行了HAZOP分析。經過偏差分析發現硝化鍋物料配比不均、電機攪拌異常等非正常操作，容易導致反應失控，腐蝕性有毒物料易泄出，甚至發生火災爆炸事故。針對HAZOP篩選出的9個嚴重場景，利用LOPA做進一步的分析，定量計算其發生的頻率，根據ALARP原則做出風險決策，硝化鍋因投料量過多導致的漫料，遇火源發生火災爆炸這一高風險場景建議采取高液位聯鎖裝置，地下排污系統作為有效降低其風險的獨立保護層。

關鍵詞：硝基苯；硝化鍋；HAZOP；LOPA；風險分析

硝基苯是重要的基本有機化工原料，用于生產染料、香料、炸藥等有機合成工業，經催化加氫或鐵粉還原可得苯胺，這是硝基苯的最主要用途，由苯胺進而生產各種有機中間體，廣泛應用于合成皮革(MDI)、橡膠、醫藥、農藥、軍事及其他工業[1]。

苯的硝化反應屬于強放熱反應，原料及產品、副產品多屬強腐蝕和有毒物質，一旦發生意外，容易造成火災爆炸、燒傷或中毒事故，國內硝基苯生產裝置曾發生多次事故，主要是硝基苯精餾再沸爆炸、1#硝化鍋爆炸、廢水(酸)系統的爆炸及溢料事故、中毒事故等[2]。苯胺生產中需使用氫氣、硝基苯等易燃、易爆、有毒、有害化學品，極易發生突發性或災害性事故，如著火、爆炸、燙傷和污染等。因此，硝基苯生產裝置的風險評估對于提高硝基苯裝置區的本質安全與化工過程安全具有重大意義。

關于硝基苯生產裝置的風險評估國內已有一些研究。如生迎夏等[3]針對硝基苯精餾再沸器爆炸事故進行了研究，結果發現在硝基苯精餾再沸器停車檢修期間，設備處于較高溫度狀態，拆開裝置后，殘余的硝基苯與進入的空氣氧化升溫自燃，導致硝基苯氣化燃燒分解爆炸，分解產物及部分氣化未反應物在裝置周圍空間發生第二次空間爆炸；宋會會等[4]利用HAZOP分析苯的硝化反應，提出精餾塔再沸器內一部分蒸發能力低或者不蒸發的物質殘留在再沸器內形成焦化物，成為事故發生的最大隱患；黃文君等[5]利用蒙德法與事故樹分析對精餾塔再沸器進行了研究，提出高溫下混入空氣、法蘭密封不嚴、閥門失效是導致再沸器發生爆炸最主要的原因，因此控制再沸器溫度、防止局部累積熱量可以有效地控制此類事故的發生。目前針對硝基苯生產裝置中典型裝置硝化鍋的系統風險分析國內還較欠缺。為此，本文選取硝基苯生產裝置中的1#(a、b)硝化鍋進行了HAZOP-LOPA分析。

1苯的硝化反應

苯的硝化反應方程式如下：

1#(a、b)硝化鍋中苯的硝化反應過程是：酸性苯從酸性苯罐，通過酸性苯泵輸送至苯混合器中，稀硫酸從稀硫酸高位槽底部經循環稀硫酸冷卻器分別進入苯混合器和酸性混合器中，酸性苯與稀硫酸在混合器中充分混合，進入1#(a、b)硝化鍋；混酸從混酸貯罐經混酸輸送泵輸送至酸混合器，混酸與稀硫酸在酸混合器中充分混合后進入1#(a、b)硝化鍋，在攪拌作用下，酸性苯與混酸在1#(a、b)硝化鍋中反應；反應物料從1#(a、b)硝化鍋溢流至2#硝化鍋，隨后依次溢流至3#、4#硝化鍋繼續反應。由于1#、2#、3#和4#硝化鍋的硝化反應一樣，所以本文以1#(a、b)硝化鍋為例，進行了HAZOP-LOPA分析。

2硝化鍋的HAZOP-LOPA分析

2.1硝化鍋的HAZOP分析

2.1.1HAZOP分析方法簡介

危險與可操作性分析(HazardandOperabilityAnalysis，HAZOP)是英國帝國化學工業公司(ICI)為解決除草劑制造過程中的危害于20世紀60年代發展起來的一套以引導詞為主的危害分析方法，用來檢查設計及運行階段阻礙項目安全運行的各種因素[6]。HAZOP分析主要是針對設定的單元假設其發生偏差，借助頭腦風暴法，應用引導詞技術找出全部偏差，并針對偏差找出原因、分析后果、提出對策的一種定性的、結構化的風險分析方法[7]。HAZOP分析的流程如圖1所示。

HAZOP分析中相關術語如下：

(1) 節點(Nodes)：把復雜的工藝系統分解成若干“子系統”，每個子系統作為一個“節點”。

(2) 工藝參數(Processparameters)：與工程有關的物理化學特性，由流量、溫度、壓力、液位等組成。

(3) 引導詞(Guidewords)：一個簡單的詞或者詞組，用來限定或者量化意圖，并且配合參數得到偏差。

(4) 偏差(Deviation)：各種工藝參數都有各自安全許可的操作范圍，如果超出該范圍，無論超出的程度如何，都稱為偏差。

(5) 原因(Cause)：導致偏差的條件或事件，在分析過程中，一般不深入到根原因，找到偏差產生的初始原因即可。

(6) 后果(Consequence)：偏差產生的后果，不考慮現有的安全措施。

(7) 現有安全措施(Safeguards)：當前設計、已經安裝的工程設施或管理措施。

(8) 建議措施(Recommendation)：現有的安全措施不足以控制風險，建議增加消除或控制風險的措施。

2.1.21#(a、b)硝化鍋的HAZOP分析

2009年在國家安監總局發布的《國家安全監管總局關于公布首批重點監管的危險化工工藝目錄的通知》([2009]116號)中，硝化反應被列為15種重點監管的危險化工工藝中的一種。

本文利用HAZOP分析硝基苯生產裝置中危險性較大的裝置1#(a、b)硝化鍋，把1#(a、b)硝化鍋及其進出料管線劃分為一個節點，列出節點分析要用到的引導詞與工藝參數，采用“{引導詞}+工藝參數”的偏差分析方法逐一進行HAZOP分析[8-13]。1#(a、b)硝化鍋及其進出料管線需要分析的偏差有32個，其HAZOP分析結果見表1。

具體分析過程如下：首先，在HAZOP分析組長的牽頭下，HAZOP分析小組成員們采用“頭腦風暴法”，對每個偏差逐一分析，分析可能導致偏差的原因，比較常見的原因包括管道堵塞、閥門故障、法蘭刺漏、管線腐蝕、焊縫有砂眼、進料配比不均、投料負荷過大、冷卻水失效等[14]；然后，根據原因結合偏差描述分析導致的后果，風險矩陣中將風險分為4級，其中S表示后果的嚴重程度，L表示事故發生的頻率，R表示風險等級，S、L同分為5級，R根據分值的不同分為4級，在風險分析中有的風險很高，會達到3或者4級，有的風險只有2級甚至只有1級，對于風險很低的偏差，可以忽略不計，不需投入太多的安全措施；最后，根據風險等級的高低，列出已采用針對原因的預防措施和針對事故后果的減緩措施，HAZOP分析小組結合現場和已分析出的結果進行討論，對于安全措施不夠的偏差，提出可以明顯降低風險卻還未采取的建議措施。

表1　1#(a、b)硝化鍋及其進出料管線HAZOP分析結果

續表1

序號偏差偏差描述原因后果SLR安全措施建議措施16泄漏混酸管線泄漏法蘭刺漏,管線腐蝕,焊縫有砂眼,閥門有漏點人員灼傷,環境污染23Ⅱ人員穿戴防護用品,加強監控,定時巡檢定期對焊縫進行厚度檢測,對管線閥門法蘭、螺栓、閥體、閥門上的螺栓進行定期檢查,加強對人員穿防酸服、戴防酸面罩及防酸手套等情況進行檢查,加強防護用品質量檢查17壓力過高硝化鍋壓力過高硝化廢氣吸收器堵塞,廢酸輸送泵故障硝化鍋冒出硝煙污染環境,對人體造成傷害,反應失控發生火災爆炸42Ⅲ定時巡檢,加強監控,及時修理18液位高硝化鍋液位偏高投料量過大,溢流管堵塞漫料對人體造成傷害,污染環境,遇火源易燃燒42Ⅲ加強巡檢,開車條件確認19液位低硝化鍋液位偏低初始開始檢查不到位攪拌軸空轉損壞11Ⅰ做好開車確認20溫度過高硝化鍋反應溫度過高廢酸進料偏小,混酸量偏多,循環水換熱效果差,攪拌不均勻反應劇烈,副反應較多,溫度失控,存在爆炸危險42Ⅲ溫度聯鎖啟動,流量聯鎖控制,切斷進料,低負荷運行降低投料負荷,檢查循環廢酸系統,定期維護好ESD聯鎖系統,對循環水冷卻系統進行定期檢查21溫度過低硝化鍋溫度偏低廢酸進料偏大,混酸量偏少,循環水量偏大反應不完全,消耗增加21Ⅰ加強監控,及時調整22腐蝕過快冷卻水管線腐蝕材質不合格,使用時間過長,管線與內構件異常磨損酸濃度降低,硝煙增高,反應異常,稀酸腐蝕性增加32Ⅱ每班分析酸濃度,及時檢修對循環水冷卻系統進行定期檢查,定期對焊縫進行厚度檢測,對管線閥門法蘭、螺栓、閥體、閥門上的螺栓進行定期檢查23腐蝕過快硝化鍋本體腐蝕焊接質量不合格物料泄漏,人員灼傷及中毒,環境污染,遇火源易造成火災爆炸危險42Ⅲ定期檢查,人員穿戴防護用品24腐蝕過快硝化鍋蓋安裝質量不合格,或密封墊損壞硝煙外漏造成人員傷害,環境污染23Ⅱ定期檢查,人員穿戴防護用品硝化鍋蓋及手孔、法蘭等做到密封,無硝煙泄漏,檢查硝煙吸收系統是否正常25低攪拌/循環硝化鍋攪拌槳轉速降低攪拌槳葉脫落,電機故障轉速偏低,電機與攪拌軸連接故障,攪拌槳與內構件摩擦阻力加大硝化鍋溫度突升,反應失控42Ⅲ對電流加強監控26反轉硝化鍋攪拌槳翻轉電機電源線接反攪拌不均勻,效果不好,副反應增加11Ⅰ做好開車確認27反應過慢硝化反應過慢投料負荷低反應過度,副反應增加11Ⅰ中控分析28維護過少硝化鍋維護頻率較低職工培訓不到位,責任心不強系統停車,存在安全隱患11Ⅰ加強職工培訓和操作五抓29維護錯誤硝化鍋維護錯誤未嚴格按照檢修方案維護系統停車,存在安全隱患11Ⅰ加強維修人員培訓,嚴格按照方案維護30污染、雜質原料中含有雜質供應原料中含有雜質對后續加氫反應成品質量有影響11Ⅰ31污染、雜質副產物攪拌不均勻,投料量配比異常,蛇管泄漏存在爆炸危險,增加焦油采出量42Ⅲ做好中控分析,增加焦油采出量維護好ESD聯鎖系統,加強成品質量和焦油采出監控,對硝化鍋的投料和反應物料定期進行檢查32濃度過低混酸總酸度偏低配制鍋漏水,混酸中水含量偏高反應不完全,硝煙增加21Ⅰ做好總酸度的中控分析

2.2硝化鍋的HAZOP-LOPA分析

保護層分析(LayerofProtectionAnalysis，LOPA)是在定性危害分析的基礎上，進一步評估保護層的有效性，并進行風險決策的系統方法。其主要目的是確定是否有足夠的保護層使風險滿足企業的風險標準。LOPA分析是近年來國際上廣泛應用且行之有效的一種安全防護措施設計與管理的系統科學方法[15]。

HAZOP分析是定性的分析方法，在本文中利用HAZOP與LOPA相結合的分析方法可以減小定性分析帶來的誤差，其中S表示后果的嚴重程度，分為5級。根據事故后果較為嚴重的場景利用LOPA分析的方法，對事故風險進行評估，風險決策通常采用ALARP原則，當風險處于高風險時，該風險不可接受，應采取行動降低風險；如果風險水平處于低風險時，該風險可以接受；如果風險水平處于中風險時，可考慮風險的成本與效益分析，采取降低風險的措施，使風險水平“盡可能低”。

HAZOP分析得到的危險場景，經過篩選得到重大危險場景，是LOPA分析的基礎；HAZOP偏差分析得到的非正常原因，為LOPA分析初始事件提供直接信息；HAZOP分析得到的不利后果及后果嚴重程度，為LOPA分析影響事件及事件嚴重程度提供直接信息；HAZOP分析識別出的現有安全措施，為LOPA分析IPL及其PFD提供直接信息；HAZOP分析得出的安全措施建議，是LOPA進行保護層設計的備選方案。HAZOP分析的信息與LOPA分析信息的關系見圖2[16-20]。

圖2　HAZOP信息與LOPA信息的關系Fig.2　Relationship of HAZOP information and LOPA　　　information

表1的1#(a、b)硝化鍋HAZOP分析結果中，事故后果嚴重性等級為4級的有6條、3級的有5條、2級的有12條、1級的有9條，本文選取事故后果嚴重性為4級的作為事故場景進行LOPA分析，1#(a、b)硝化鍋LOPA分析結果見表2。

針對硝化鍋及其進出料管線這個節點選取符合要求的所有偏差，采用“{引導詞}+工藝參數”的偏差方法逐一進行HAZOP分析，并根據偏差產生后果的嚴重程度、場景發生的概率對其進行風險等級劃分。HAZOP分析中硝化鍋及其進出料管線被劃分成32個偏差，其中風險等級為1級的偏差有15條、2級的有7條、3級的有10條，事故后果嚴重性等級為4級的有6條、3級的有5條、2級的有12條、1級的有9條，LOPA分析選取事故后果嚴重性為4級的6條偏差作為LOPA分析的依據，LOPA分析的每個場景必須有唯一的初始事件及其對應的后果，HAZOP分析中一條偏差可能有多條導致偏差的原因，產生的后果也可能不止一種，所以根據初始事件與事故后果一一對應的原則，這6條偏差可以分為9個場景，LOPA分析發現其中3個場景是因為物料泄漏遇點火源導致的火災爆炸事故，剩下的6個場景是因為反應失控導致的火災爆炸事故。可見，火災爆炸作為嚴重的事故后果，是HAZOP與LOPA分析的重點。

根據風險矩陣的判斷，在未采取獨立保護層時，風險為高等級的事故場景有2個，風險為中等級的事故場景有5個，風險為低等級的事故場景有2個，在LOPA進一步的分析中發現，一部分風險為中高等級的場景未采取足夠降低風險的獨立保護層，其中硝化鍋因投料量過多導致的漫料，遇火源發生火災爆炸這一場景并沒有采取獨立保護層，導致剩余風險仍然為高風險。LOPA這種簡化的定量風險分析可以幫助我們判斷出單元的薄弱環節在哪，哪些獨立保護層需要投入更多的精力去維護，最后可根據ALARP原則對于剩余風險仍為中高等級的場景，采取相應有效的獨立保護層。

表2　1#(a、b)硝化鍋LOPA分析結果

3結論

(1) 依據HAZOP編制的硝基苯裝置評價報告，無法定量直觀地反映偏差發生的可能性與后果的嚴重程度到底有多大，單元內哪些安全措施是有效的，以及作為預防性與減緩性的安全措施，對于降低事故的可能性與嚴重程度是否足夠。LOPA分析作為半定量的風險分析方法可以為HAZOP達到技術上的突破。

(2)LOPA分析方法需要建立在定性評價方法的基礎上，本文基于HAZOP-LOPA的分析方法，首先通過HAZOP分析硝基苯裝置可能產生的偏差，為LOPA分析提供了大量的基礎性數據，LOPA分析通過這些數據篩選出需要分析的事故場景，然后定量分析出初始事件與場景發生的頻率，最后判斷出哪些安全措施是獨立保護層，獨立保護層的失效概率是多少，場景中所采取的獨立保護層是否足夠。

LOPA分析方法中初始事件的頻率、獨立保護層失效概率的準確性以及風險判斷標準的統一，是今后HAZOP-LOPA分析技術改進的方向。

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Risk Analysis of Nitrobenzene Production Unit Based onHAZOP-LOPA

LYUSiyun1,2,3,JIANGJuncheng1,2,3,YUQi,CHENHailing1,2,3

(1.College of Safety Science and Engineering,Nanjing Tech University,Nanjing 210009,China;2.Jiangsu Key Laboratory of Urban and Industrial Safety,Nanjing Tech University,Nanjing 210009,China;3.Jiangsu Guoheng Safety Evaluation & Consultation Service Co.,Ltd.,Nanjing 210009,China)

Abstract:This paper presents the nitration reaction of benzene in aniline production unit of 100,000t capacity per year of Nanjing CHEMICAL,and conducts HAZOP analysis on the nitrification pot which is a high-risk device in the nitrobenzene production unit.After deviation analysis,the paper concludes that improper operations,like inhomogeneous mixing of material ratio and stirring abnormality of motor,are easy to cause reaction runaway,escaping of corrosive toxic materials and even fire and explosion accidents.In the view of the 9 severe scenarios selected by HAZOP,the paper applies LOPA to further analysis of calculating the occurrence frequency of these scenarios.Then,based on the ALARP principle,the paper makes the risk decision for the high-risk scenario that fire and explosion occurs when the overflow materials from nitrification pot due to excessive feeding capacity are exposed to an ignition source.It is suggested that interlocking control on liquid level and underground sewer system should be introduced to reduce the risk as an independent protection layer.

Key words:nitrobenzene;nitrification pot;HAZOP;LOPA;risk analysis

文章編號：1671-1556(2016)03-0129-06

收稿日期：2015-09-17修回日期：2016-01-27

作者簡介：呂似蘊(1988—)，男，碩士研究生，主要研究方向為工業裝置區及化工園區風險評估。E-mail:a9908994@qq.com

中圖分類號：X937;TQ246.1

文獻標識碼：A

DOI：10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2016.03.022

通訊作者：蔣軍成(1967—)，男，博士，教授，主要從事城市公共安全、工業過程及裝備安全等方面的研究。E-mail:j_c_jiang@163.com