化工工藝設計中安全風險的識別與控制

齊樹文，陳達(亞德(上海)環保系統有限公司，上海 200233)

0 引言

化工工藝為依托化學技術實現生產原料轉變的方法、過程，由原料處理、化學反應和產品精制等環節構成，需要在特定設備、條件下完成，確保生產出的產品符合要求。相較于普通工業生產過程，化工生產存在的危險源更多，因此在工藝設計環節應加強安全風險的識別，提出有效的控制措施，通過消除安全隱患保證生產活動安全、可靠開展。

1 化工工藝設計中安全風險識別

1.1 工藝路線風險識別

不同工藝路線將發揮不同作用，同時擁有各自特性，未能進行安全論證將遺留安全隱患。設計實踐中，未能加強危險工藝線路管理，對反應原料質量管控不嚴，從一開始引入安全風險，造成線路頻繁發生安全問題。對路線中危險場景進行識別，從失效頻率、后果等方面進行考量，實施預防性保護，才能達到路線安全設計要求。但目前許多化工企業將安全責任歸結于工藝質量不達標，卻未能考慮線路流程的合理性，將難以實現生產過程的有效管控。

1.2 化工物料風險識別

在化工工藝設計中，涉及的物料種類較多、數量不一，其中不乏有易燃易爆帶腐蝕性、有毒甚至帶有放射性的物料，未能科學管控將引發安全風險。各種物料擁有不同的物理和化學性質，未能合理存儲，將給化工生產遺留安全隱患。而未能科學檢測，導致物料質量不合格，也可能引發安全事故。在化工反應過程中，物料狀態將發生改變，也對工藝設計提出了較高要求，應確保不會出現跑、冒、漏等問題，以免給人員的生命財產安全帶來威脅。

1.3 工藝裝置(設備)風險識別

在化工生產實踐中，需要根據使用場合、工作特點、工作性能、操作工況、原材料特性、經濟合理性等綜合因素選擇工藝裝置，所以生產不同化工產品的裝置性能、結構形式、容量等都存在差異。選用反應裝置，需要結合反應工況確定是否需要承受高溫、高壓等條件，確保設備結構、材質等符合要求[1]。考量的因素不全面，直接進行裝置設計、制造和安裝，可能導致裝置出現密封不足、反應溫度超反應器承受最大限值等問題，引發泄漏、爆炸等安全事故。在工藝設計中，未能配備專業的檢驗設備，選用的反應類、控制類設備等無法滿足生產或操作準確性需求，將增加化學反應危險性，給相關工序帶來不良影響。

1.4 工藝管道風險識別

按照工藝流程進行管道布置，需要認識到管道設計不合理將引發泄漏、物料傳輸不及時等各種情況，造成原本設計的化學反應未能正常進行，或因為危險化學品泄漏造成安全事故。管道用于輸送物料，應結合工藝實際進行科學設計，缺乏對不同物料性能差異的考量，選擇的管道質量不佳或管道搭接不合理等問題的發生，就可能造成管道受到腐蝕，出現泄漏問題。此外，在管道設計時未考慮振動、水錘、失穩、腐蝕破裂、高溫蠕變等因素的影響，尺寸或輸送壓力等無法達到物料流動要求，也將給化工生產帶來安全威脅。

1.5 工藝過程風險識別

在化工反應工藝過程中，控制系統失效、人員誤操作、環境變化和機械失效等都可能引發風險，要求在設計階段全面考量，做好危險分類和危險區劃分，對重點工序和危險因素存在的主要作業場所進行監管。而操作危險與人員對工藝、裝置、物料、控制系統技術要點的掌握程度等相關，在設計時需要提出具體要求和標準。缺少相關技術標準，未為人員作業提供科學指導，容易引發安全事故。部分操作工序對環境條件也提出了較高要求，如粉塵、雜物過多可能給裝置或管道運行帶來影響，引發爆炸等安全事故，需要做好提前防控。

2 化工工藝設計中安全風險控制

2.1 優化工藝路線

鑒于生產化工產品的工藝路線多種多樣，不同的工藝路線存在不同的潛在風險，理想的化學反應應該具備以下特點：操作簡單、安全、高收益和高選擇性、節能、使用可再生或可循環利用的試劑與原料。實踐中，化工過程難以同時滿足所有的目標，按照多目標尋求優化與平衡化工過程為導向，運用軟件和經驗進行定量和定性進行分析。如廢氣廢液焚燒處理工藝中，物料經過廢氣輸送、廢液輸送、焚燒系統、余熱回收系統、激冷降溫、煙氣凈化(脫硝、脫硫及除塵)系統，最后尾氣達標通過煙囪排放。對存在安全風險的環節進行重點分析，通過分段細化篩選出重點監控工藝參數，采取有效控制策略。根據分析結果調整部分裝置、工藝等，并定期進行工藝完整性分析，保證生產過程的順暢性和安全性。

2.2 掌握物料特性

針對物料因素引發的安全風險，從化工物料不同危險特性角度分析揭示其不同特征結構影響因素，明確特征結構因素對危險特性的影響程度及規律，建立物料檔案記錄，為物料的快速鑒別與篩選提供指導。根據工藝需求，應采購合格的化工原材料，在進廠前加強質量檢驗，嚴格執行工藝標準。在物料存儲階段，應按照危險化學品儲存要求做到單獨存儲易燃易爆、有毒等危險物料，并加強存儲數量控制，適當降低密度[2]。在存儲時，禁止物料與禁忌物處于同一空間，并結合物料特性做好建構物的設計，確保可以滿足防漏、防爆等要求。在工藝實踐中，需要根據物料特性合理設計反應過程，如在硝化工藝中，使用的硝化劑多帶有強氧化性、腐蝕性等，與有機化合物等接觸將發生燃燒、爆炸，在工藝設計上應確保硝化劑在反應前不會與這些物質接觸，有效預防安全事故發生。在工藝生產過程中，針對儲存區、生產區等各個區域，應安排專人進行巡檢，確保物料的規范管理，個人防護符合要求，消防設施齊全，全面保障物料存儲和使用安全。

2.3 加強裝置(設備)分析

在裝置選型方面，應結合工藝特點完成安全與風險因素分析，考慮每個裝置(設備)對其他過程的影響，達到整個工藝過程的安全化。進行裝置設計時，考慮以下原則：采用新設備、新技術，縮小設備尺寸，減少向外釋放的危險物料量和設備儲存的能量，通過本質安全設計(最小化、替代、弱化、簡化等)的策略消除或減少過程中的風險。裝置(設備)的設計既要符合工藝設計溫度、壓力等要求，也要考慮物料本身對設備材質的腐蝕等造成的影響。通常情況下，裝置應有針對工藝要求設計合理的控制方案；針對偏離正常工藝要求的工藝過程有預警和干預措施；對超出工藝要求的異常工況有緊急安全保護系統。如在焚燒工藝中，選擇焚燒爐、鍋爐裝置等，應結合以往工藝流程加強安全事故總結，一方面增加關鍵點的在線測量儀表、泄壓閥等；另一方面引入SIS系統預防出現不可控工況。

2.4 管道系統的合理設計

管道設計應符合有關的法規、標準及規程，以及系統流程的要求，同時滿足施工、操作和維修等方面的要求。管道的安全設計要考慮以下要點：第一，管徑阻力降滿足工藝流率、控制要求、泵入口必須汽蝕余量以及避免雙相流和噪聲污染等要求；第二，對輸送腐蝕、易燃易爆、有毒介質的管路，要考慮材質、連接形式和限制流速等要求；第三，管道布置、敷設方式、應力分析、安全距離、管道支架形式及距離等要符合規范要求；第四，其他特殊要求，綜合考慮保證安全，例如對于可燃氣體、液化烴和可燃氣體管道的接地應符合《化工企業靜電接地設計規程》；對于可能泄漏危險化學品的泄漏點，設置有毒、可燃有毒氣體檢測儀，并將檢測數據引入火災和氣體報警系統。要對管道安全設計進行全方位的考量，采取多方面的措施來切實保障管道系統的安全。

2.5 儀表系統的合理設計

工藝的監視和控制離不開儀表系統的安全可靠的運行，為此儀表類型的合理設計、選型、安裝和維護也是工藝安全的重要組成部分。首先，在工藝設計中儀表的設置要合理有效的檢測工藝過程；其次，儀表選型要符合工藝要求、適用環境等；再次，基本過程控制系統和安全系統的獨立性，避免因環境溫度、壓力等共因失效引起的系統失效；然后，設計簡潔明了的人機接口畫面，對操作人員的操作任務要符合職業要求，并且安排有效的培訓。

2.6 開展安全設計審查

在工藝設計工作中，加強設計程序管理，明確各專業條件和責任要求，提升專業素質。開展內部自查、專業審查、多專業會議評審，以及外部的審查、安全監督管理機構審查、預開車安全審查。不同階段安全設計審查內容不同，前期工作，主要審查工藝設計文件、項目選址和總平面布置方案；在基礎設計階段，安全審查包括總平面布置圖、裝置設備布置圖、危險區域劃分圖、工藝管道和儀表流程圖(P&ID)、公用工程管道和儀表流程圖(U&ID)、火炬和安全泄放系統設計、消防系統設計、《建設項目安全設施設計專篇》等對安全設計影響重大的設計文件的審查，以及HAZOP審查、安全儀表系統(SIS)審查；在詳細設計階段，安全審查主要包括修改或新增部分的安全審查、操作手冊審查以及HAZOP審查。對設計變更進行評審、驗證和確認，如有重大安全設計方案變更時，應進行重新審查。在役化工裝置，要按期進行安全設計診斷和審查。不斷在實踐中總結，以滿足最新安全法規、標準和規范，形成符合工藝安全設計要求的適用參考資料。

3 結語

化工工藝安全設計直接決定著化工企業的未來，化工工藝設計要達到最佳流程與設備單元及其間的最佳組合，并創造最佳操作條件，在此條件下使產品成本降低。所有這些目標的實現，離不開化工工藝的安全設計。深入認識化工生產過程中存在的風險、有害因素及危險源、并對潛在的風險進行分析，才能科學、合理性地采取管控措施，消除隱患、降低風險，保證企業與社會人員生命與財產安全。