典型化學(xué)反應(yīng)熱失控事故原因及控制措施分析

王堯 鐘婷婷

1. 中海油安全技術(shù)服務(wù)有限公司 天津 300450

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在化工生產(chǎn)過程中，火災(zāi)爆炸等安全事故頻發(fā)，其中熱失控是引起這些事故的主要原因之一。本文針對(duì)熱失控事故的多發(fā)性和嚴(yán)重性，梳理了典型化學(xué)反應(yīng)熱失控風(fēng)險(xiǎn)及案例，分析了導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)熱失控事故的主要原因，提出了熱失控事故的主要預(yù)防控制措施。

1 典型化學(xué)反應(yīng)熱失控風(fēng)險(xiǎn)及案例

P.F.Nolan[1]對(duì)1962—1984年英國(guó)發(fā)生的142起熱失控事故分析，發(fā)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)熱失控主要發(fā)生在烷基化、胺化、重氮化、鹵化（氯化和溴化）、水解、硝化、氧化、聚合（包括縮合）、磺化過程。原國(guó)家安監(jiān)總局于2009年和2013年公布了重點(diǎn)監(jiān)管的18個(gè)危險(xiǎn)化工工藝[2]，其中涉及的硝化工藝、氟化工藝、加氫工藝、氧化工藝等13個(gè)工藝都存在較強(qiáng)物質(zhì)不穩(wěn)定性及反應(yīng)放熱，若得不到有效控制，則極易引起熱失控事故。原國(guó)家安全監(jiān)管總局關(guān)于加強(qiáng)精細(xì)化工反應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作的指導(dǎo)意見也提出，針對(duì)重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝新投產(chǎn)或者變更時(shí)，需要開展反應(yīng)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[3]。通過對(duì)13個(gè)存在熱失控風(fēng)險(xiǎn)的化學(xué)工藝進(jìn)行分析，化學(xué)反應(yīng)熱失控的主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)在于原料及產(chǎn)物的熱不穩(wěn)定性、反應(yīng)過程的快速放熱、冷卻能力不足等，反應(yīng)過程中需要重點(diǎn)監(jiān)控的參數(shù)也多為溫度、壓力、攪拌、冷卻等參數(shù)。通過13類典型危險(xiǎn)工藝的事故案例可以看出，一旦發(fā)生熱失控，容易引起燃燒爆炸，后果均比較嚴(yán)重[4]。

2 熱失控事故的主要原因

導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)熱失控的直接原因很多，但總體說來主要由物理和技術(shù)原因、人與組織的原因。圖1分析了中國(guó)、法國(guó)和英國(guó)熱安全事故的主要原因占比[5]。

圖1 不同國(guó)家熱安全事故原因?qū)Ρ?/p>

根據(jù)圖1可以看出，中國(guó)1984—2019年發(fā)生的熱失控事故中，55.9%的事故主要原因是人和組織原因，41.3%的事故主要原因?yàn)槲锢砗图夹g(shù)原因，2.8%的事故主要原因?yàn)樽匀辉颉６鴮?duì)法國(guó)1988年以來的43起熱失控事故原因分析表明，53.8%為人與組織原因，43.2%為物理和技術(shù)原因，3.1%為自然原因；對(duì)英國(guó)1988年以來的熱失控事故分析，61.4%為人和組織原因，38.6%為物理和技術(shù)原因。可以看出，事故原因中人與組織原因占比最高，物理和技術(shù)原因次之，自然原因很少。

對(duì)人與組織原因、物理和技術(shù)原因進(jìn)行詳細(xì)分析，如圖2所示。其中技術(shù)與物理原因主要包括攪拌及冷卻原因、物料純度、機(jī)械或電氣故障、探測(cè)器失效、溫度控制失效、停電、反應(yīng)器設(shè)計(jì)不當(dāng)或變更、滲漏或者泄漏等。人與組織原因包括人員操作失誤、風(fēng)險(xiǎn)分析不充分、加料控制不當(dāng)、培訓(xùn)不到位、反應(yīng)程序設(shè)置錯(cuò)誤、維護(hù)過程不當(dāng)、反應(yīng)釜清理不到位等原因。而自然因素包括溫度變化和雷暴等突發(fā)狀況引起熱失控事故。

圖2 熱失控主要原因分析

3 熱失控事故的預(yù)防及控制措施

熱失控事故的后果一般較為嚴(yán)重，需要采取安全措施，保證反應(yīng)過程的熱安全。Westerterp提出可以通過正確的操作條件、預(yù)警檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)、合適的應(yīng)急系統(tǒng)避免60%以上的事故。針對(duì)熱失控事故防控，重點(diǎn)在于引發(fā)事故的物理和技術(shù)因素、人與組織因素的有效控制。主要可以分為以下8個(gè)方面。

本質(zhì)安全設(shè)計(jì)：本質(zhì)安全旨在通過最小化、替代、緩和和簡(jiǎn)化的方式，防止人為錯(cuò)誤和設(shè)施失效，以降低過程的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于危險(xiǎn)的化學(xué)反應(yīng)，可以設(shè)計(jì)更為安全的反應(yīng)器，如設(shè)計(jì)壓力能夠抵抗失控反應(yīng)過程中產(chǎn)生的最大壓力，由間歇反應(yīng)器設(shè)計(jì)為半間歇反應(yīng)器，由半間歇反應(yīng)器設(shè)計(jì)成微反應(yīng)器等；此外，應(yīng)強(qiáng)化換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)和溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)計(jì)，加強(qiáng)安全系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)。

強(qiáng)化過程控制：在實(shí)際生產(chǎn)過程中，應(yīng)強(qiáng)化反應(yīng)過程控制，包括反應(yīng)物料的純度、加料速率、冷卻水的溫度和流量、加熱速率，強(qiáng)化設(shè)備維護(hù)過程中的風(fēng)險(xiǎn)管控，按照設(shè)計(jì)要求對(duì)設(shè)備進(jìn)行清理和養(yǎng)護(hù)。

加強(qiáng)設(shè)備設(shè)施完整性管理：根據(jù)Zhang[3]等人研究，在物理和技術(shù)因素引發(fā)的熱失控事故中，設(shè)備缺陷導(dǎo)致的事故占比最大。應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)設(shè)備設(shè)施的完整性管理，包括關(guān)鍵設(shè)備的識(shí)別和分類、設(shè)備檢查、預(yù)防性維護(hù)、設(shè)備異常管理、質(zhì)量保證等。應(yīng)強(qiáng)制對(duì)關(guān)鍵設(shè)施開展定期檢查和維修，消除由于設(shè)備設(shè)施故障（如攪拌失效、冷卻失效）帶來的事故隱患。

安全聯(lián)鎖裝置：包括使用傳感器、警報(bào)等控制系統(tǒng)，這些控制系統(tǒng)可以自動(dòng)操作或允許人工干預(yù)，以防止發(fā)生失控的反應(yīng)。將反應(yīng)過程的溫度、壓力與攪拌、物料添加、冷卻水流量等形成聯(lián)鎖關(guān)系，一旦發(fā)生溫度、壓力異常，能夠通過聯(lián)鎖有效控制物料添加、冷卻系統(tǒng)或者應(yīng)急系統(tǒng)，避免反應(yīng)過程失控。

有效的應(yīng)急措施：盡管通過本質(zhì)安全設(shè)計(jì)，也不可能完全消除熱風(fēng)險(xiǎn)。因此需要建立有效的應(yīng)急措施，包括緊急泄放系統(tǒng)，壓力泄放裝置通常安裝在化學(xué)反應(yīng)器上，綜合考慮失控條件下的溫度、壓力參數(shù)確定泄放尺寸，同時(shí)在緊急泄放時(shí)需要做好有毒有害氣體控制；此外，可以考慮將淬滅手段控制熱失控風(fēng)險(xiǎn)，淬滅是將冷的惰性稀釋劑插入反應(yīng)混合物中，通過冷卻來停止反應(yīng)。此外應(yīng)做好熱失控事故的應(yīng)急預(yù)案，準(zhǔn)備充足的應(yīng)急物質(zhì)，并定期開展應(yīng)急演練。

加強(qiáng)熱失控風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估：為了防止熱失控事件的發(fā)生，首先必須對(duì)反應(yīng)介質(zhì)的熱行為有深刻的認(rèn)識(shí)，如熱力學(xué)常數(shù)和動(dòng)力學(xué)常數(shù)。在有熱失控風(fēng)險(xiǎn)的新工藝研發(fā)或者放大過程中，必須對(duì)反應(yīng)過程的熱安全進(jìn)行評(píng)估，例如采用反應(yīng)量熱儀（RC1e）、差示掃描量熱儀（DSC）等儀器設(shè)備對(duì)反應(yīng)放熱情況、物質(zhì)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估，對(duì)工藝的熱失控風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級(jí)，指導(dǎo)工藝設(shè)計(jì)或工藝改進(jìn)。在此基礎(chǔ)上，采用HAZOP、QRA等方法探討事故發(fā)生的原因和后果，也是非常重要的過程。

人員培訓(xùn)：管理人員、技術(shù)人員和操作人員均應(yīng)對(duì)工藝過程及熱安全有全面的了解，確保在設(shè)計(jì)階段的傳熱設(shè)計(jì)滿足要求，同時(shí)按照風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)設(shè)置溫度控制系統(tǒng)，通過培訓(xùn)提升人員的風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)能力和應(yīng)急處置能力。同時(shí)管理人員要重視安全風(fēng)險(xiǎn)，做好三級(jí)安全教育，不得隨意減少操作人員數(shù)量或隨意崗位調(diào)整，從而降低事故發(fā)生的可能性。

加強(qiáng)智能化管控：要綜合運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，促進(jìn)化工產(chǎn)業(yè)安全發(fā)展。這些新興技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、遠(yuǎn)程控制、智能監(jiān)測(cè)和預(yù)警處理功能有望成為預(yù)防熱失控事故的有效措施。

4 結(jié)束語

通過對(duì)典型危險(xiǎn)工藝的熱失控風(fēng)險(xiǎn)分析，結(jié)合事故類型，分析了引發(fā)熱失控事故的主要原因，并提出了預(yù)防和控制熱失控事故的主要措施，得到結(jié)論如下：

1）國(guó)家重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝中，絕大多數(shù)工藝有熱失控風(fēng)險(xiǎn)，主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)在于原料及產(chǎn)物的熱不穩(wěn)定性、反應(yīng)過程的快速放熱、冷卻能力不足等，一旦出現(xiàn)熱失控事故，后果均比較嚴(yán)重。

2）通過對(duì)中國(guó)、英國(guó)和法國(guó)熱失控事故的主要原因分析，人與組織原因是占比最高，物理和技術(shù)原因次之，對(duì)兩類事故因素的具體原因分析，物理和技術(shù)原因共9項(xiàng)、人與組織原因7項(xiàng)，為工藝安全改進(jìn)重點(diǎn)。

3）針對(duì)熱失控事故，提出了多項(xiàng)預(yù)防和控制措施，管理人員和技術(shù)人員均應(yīng)重視反應(yīng)熱失控的危害，在設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)過程中加強(qiáng)管理，從技術(shù)、設(shè)備、人員方面消除風(fēng)險(xiǎn)。其中工藝安全設(shè)計(jì)應(yīng)高置于安全措施的層面，即當(dāng)所有設(shè)計(jì)方面的努力都已嘗試后，再考慮應(yīng)用評(píng)估、控制和應(yīng)急手段等。

化學(xué)反應(yīng)熱安全評(píng)估是避免熱失控事故的有效手段，技術(shù)人員應(yīng)重視熱安全評(píng)估過程，未來應(yīng)加強(qiáng)這方面的研究，將評(píng)估結(jié)果作為工藝改進(jìn)、過程管理的可靠依據(jù)。