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化工本質(zhì)安全新方法

——在華外企本質(zhì)安全理論認(rèn)識與實(shí)踐(四)

文/董小剛  北京伊埃管理咨詢有限公司  


一、事故案例啟示

1984年12月3日發(fā)生在印度博帕爾農(nóng)藥廠發(fā)生甲基異氰酸酯(MIC)儲罐泄漏,化工廠用MIC生產(chǎn)殺蟲劑的中間體,泄漏物擴(kuò)散到廠區(qū)以外,造成2000多人中毒死亡。官方的數(shù)字是2153人,但非官方估計(jì)的數(shù)字更高。此外,有約20萬人受傷。傷亡人數(shù)中的大多數(shù)是生活在廠區(qū)附近居民。

MIC是異氰酸甲酯(Methyl Isocyanate)英文名稱的縮寫,又稱甲基異氰酸酯,分子量為57。有強(qiáng)烈氣味的劇毒液體,美國職業(yè)安全健康局(OSHA)規(guī)定的8小時允許暴露極限濃度是0.047mg/m3,熔點(diǎn)達(dá)-45℃,沸點(diǎn)為39.1℃,閃點(diǎn)為-6℃。MIC的蒸氣與空氣可形成爆炸性混合物,遇明火、高熱能引起燃燒爆炸,爆炸極限為5.3%~26%。其化學(xué)反應(yīng)性強(qiáng),易聚合,易吸潮。遇水、酸類或與有機(jī)物、氧化劑接觸釋放出二氧化硫等有毒和其它易燃?xì)怏w。

MIC儲存系統(tǒng)簡要工藝流程如圖1所示。

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圖 1 博帕爾(Bhopal)甲基異氰酸酯(MIC)儲存系統(tǒng)工藝流程簡圖

MIC儲存系統(tǒng)中五種重要的安全屏障都沒有發(fā)揮作用,如圖 2所示,是導(dǎo)致事故發(fā)生的一系列原因:

1. 工廠在檢修過程中,反沖洗過濾器時沒有采取盲板隔離,沖洗新鮮水因閥門內(nèi)漏至MIC儲罐,和水發(fā)生反應(yīng),儲罐溫度和壓力升高;

2. MIC儲罐的制冷系統(tǒng)被異常關(guān)閉,系統(tǒng)溫度和壓力異常狀況無法緩解,超溫超壓導(dǎo)致安全閥動作,MIC蒸氣直接排放到大氣中;

3. 吸收有毒蒸氣的洗滌系統(tǒng)處置能力不足且未能啟動;

4. 焚燒洗滌系統(tǒng)有毒蒸氣的火炬因工廠檢修也沒有投用;

5. 備用MIC儲罐閥門關(guān)閉未能投用等一系列原因?qū)е伦罱K的事故發(fā)生并升級擴(kuò)大。

 

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圖 2 博帕爾甲基異氰酸酯(MIC)泄漏事故奶酪圖

博帕爾事故最重要的技術(shù)原因是安全閥出口排放及處置存在重大設(shè)計(jì)缺陷,按《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》TSG 21-2016第9.1.2.3條要求,易爆介質(zhì)或者有毒危害程度為極度、高度或者中度危害介質(zhì)的壓力容器在安全閥或者爆破片的排放口裝設(shè)導(dǎo)管,將排放介質(zhì)引至安全地點(diǎn),并且進(jìn)行妥善處理,毒性介質(zhì)不得直接排入大氣。

這個事故在化工過程安全中的影響力很大,事故發(fā)生后,多年來大家一直都在反思:

1. MIC那么危險,是否存在替代物?

2. MIC儲存量那么大,能否減量儲存?

3. MIC屬于劇毒物,安全閥不直接排放到空氣中?

4. MIC泄漏后,是否存在更可靠的MIC尾氣處理設(shè)施?

5. MIC是否存在更安全的儲存方式?封閉庫房存儲?

6. 如何將工廠周邊居民控制在安全距離外?

上述這些問題,都涉及到本質(zhì)安全方法研究的專題。


二、本質(zhì)安全定義

設(shè)備、設(shè)施或生產(chǎn)技術(shù)過程含有的、內(nèi)在的能夠從根本上防止事故發(fā)生的功能,即為本質(zhì)安全。本質(zhì)安全一般包括兩種安全功能:

1. 失誤一安全功能:操作者即使操作失誤,也不會受到傷害或發(fā)生其他事故。

2. 故障一安全功能:設(shè)備、設(shè)施或生產(chǎn)技術(shù)過程發(fā)生故障時,能暫時維持正常工作或自動轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩珷顟B(tài)。

這兩種安全功能均是設(shè)備、設(shè)施和生產(chǎn)技術(shù)工藝本身固有的,即在它們的設(shè)計(jì)階段就被研究、分析、采納和實(shí)施的。本質(zhì)安全,主要和化學(xué)品特性、化學(xué)品儲量、設(shè)備選型、尺寸、材質(zhì)、壓力等級、焊接工藝、反應(yīng)條件控制和總平面布置(含安全距離)等等有關(guān)。

歐美一些石油化工設(shè)計(jì)院、研究機(jī)構(gòu)和業(yè)主都非常重視本質(zhì)安全方法的研究和使用。這些方法如能全面綜合應(yīng)用到化工過程設(shè)計(jì)和操作過程中,將使系統(tǒng)的安全風(fēng)險大幅降低,本質(zhì)安全水平顯著提高。


三、本質(zhì)安全方法研究

根據(jù)國內(nèi)外專家的研究,實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全的方法包括:替代、減量、緩和和簡化/容錯等四種。有關(guān)安全距離防護(hù)、防泄漏設(shè)計(jì)等本質(zhì)安全方法,國內(nèi)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)都有具體詳細(xì)要求(如GB50016/GB50160/GB51283),本文不再贅述。

在很多研究機(jī)構(gòu)和設(shè)計(jì)院,從事產(chǎn)品研發(fā)和工藝包開發(fā)過程中通常會綜合考慮和應(yīng)用這些本質(zhì)安全的策略方法,首先優(yōu)先考慮危險物替代措施,如果實(shí)在找不到低危險性的替代物,再考慮是否可以采取危險品減量措施,再考慮是否可以優(yōu)化工藝條件,使生產(chǎn)過程的危險性降低,最后考慮系統(tǒng)的簡化和容錯功能設(shè)計(jì),如下圖 3所示。

 

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圖 3 實(shí)現(xiàn)本質(zhì)安全設(shè)計(jì)方法

(一)替代(Substitution):用危險性低的物質(zhì)替代危險性高的物質(zhì),在化工原料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品以及輔助物料和化學(xué)三劑使用上都可以充分考慮,以此從根基上來消除風(fēng)險,審查評估物質(zhì)的危險有害特性包括:理化特性、燃燒爆炸危險性、毒性、對人體危害方式、急救、防護(hù)、泄漏處理和安全儲運(yùn)方式等。替代,按前文的思路,即把工廠生產(chǎn)過程中危險的“老虎”換成溫順的“貓”,這樣從根本上就消除了風(fēng)險,消除了對人員傷害的根源?;S常見的本質(zhì)安全“替代”使用措施包括:

a)改變工藝技術(shù)或路線,通過使用無危險性或低危險性的原料、中間產(chǎn)品,生產(chǎn)等同規(guī)格的終端產(chǎn)品,如新型農(nóng)藥生產(chǎn)工藝。

b)避免使用危險性高的化學(xué)溶劑和試劑,如使用無機(jī)溶劑替代雙氧水(H2O2),避免使用易燃易爆的化學(xué)清洗溶劑、消毒滅菌劑(如酒精),或在化學(xué)藥劑中添加適量的阻燃劑等。

c)避免使用低閃點(diǎn)易揮發(fā)易燃的合成導(dǎo)熱油,用不易燃高閃點(diǎn)的導(dǎo)熱礦物油,或有條件采用蒸汽、熱水或電伴熱等方式等。

d)避免使用毒性、致癌性極高的化工催化劑和其它觸媒,避免因人員更換催化劑暴露接觸致毒致癌催化劑的傷害風(fēng)險,如新型觸媒和催化劑的使用。

e)改變使用危險性較高的終端產(chǎn)品,或使用低危險性或無危險性的產(chǎn)品,降低易燃易爆性、腐蝕性、毒性等,如可降解新型環(huán)保塑料的使用。

(二)減量(Intensification):降低危險物質(zhì)在生產(chǎn)、使用和儲運(yùn)過程中的滯留量或儲存量,從而從根本上降低風(fēng)險。在化工原料、產(chǎn)品、中間產(chǎn)品以及輔助物料和化學(xué)三劑生產(chǎn)各環(huán)節(jié)都可以充分考慮。

a)優(yōu)化工藝技術(shù)路線,以降低危險物質(zhì)在系統(tǒng)中的過程儲量。如使用工藝技術(shù)路線短,工藝單元分段隔離(緊急切斷),低液位精準(zhǔn)運(yùn)行控制等措施降低系統(tǒng)中危險物質(zhì)的量,降低異常泄漏量。

b)合理采用滿足條件的小尺寸設(shè)備或降低設(shè)備數(shù)量。在設(shè)計(jì)早期階段,選用滿足工藝條件,經(jīng)濟(jì)性好使用效率高小尺寸的設(shè)備,根據(jù)維護(hù)條件,減少使用設(shè)備數(shù)量,從而降低系統(tǒng)中危險物質(zhì)滯留量和泄漏機(jī)率,降低事故風(fēng)險。

c)改變危險物質(zhì)的供給或運(yùn)輸方式。如使用用管道供應(yīng)或輸送危險化學(xué)品,降低原料和產(chǎn)品等容器儲存量庫存量,就地生產(chǎn)和消耗物料,從而降低事故的風(fēng)險。

d)采取異地降量少量儲存的方式。如使用多個安全儲存地點(diǎn)(廠外或低風(fēng)險區(qū)域),安全隔離分地少量儲存,以避免將“所有雞蛋放在一個籃子一鍋端”出大事故的風(fēng)險。

e)優(yōu)化事故工況下的應(yīng)急處置設(shè)計(jì)和操作。在海洋石油和煉油廠中,大型工藝設(shè)備,如三相分離器、反應(yīng)器、分餾塔等關(guān)鍵設(shè)備設(shè)置了應(yīng)急放空閥(Blowdown Valve)、應(yīng)急備用罐、事故池和事故工況倒料倒罐措施,在泄漏和火災(zāi)事故工況下,能實(shí)現(xiàn)應(yīng)急泄放功能,降低系統(tǒng)中危險物質(zhì)的滯留量,降低火災(zāi)風(fēng)險。

(三)緩和(Attenuation):優(yōu)化生產(chǎn)過程的工藝參數(shù)(溫度、流量、壓力等)、反應(yīng)條件和添加化學(xué)藥劑以緩和物質(zhì)危險有害性,或采取特殊工程措施緩和降低風(fēng)險。

a)弱化。在危險化學(xué)品裝卸過程中,通常要求初始速度不得超過1m/s,正常情況下不得超過7m/s,以弱化和避免靜電的產(chǎn)生。化工廠大量緩蝕劑以適當(dāng)?shù)臐舛群托问教砑拥缴a(chǎn)過程中,可以防止或減緩材料腐蝕的化學(xué)物質(zhì)或復(fù)合物。如緩蝕劑用于中性介質(zhì)(鍋爐用水、循環(huán)冷卻水)、酸性介質(zhì)(除鍋垢的鹽酸,電鍍前鍍件除銹用的酸浸溶液)和氣體介質(zhì)(氣相緩蝕劑)緩和設(shè)備腐蝕狀況。通過機(jī)械混合方法添加阻燃劑的到聚合物中,也能起到弱化聚合物的危險性。添加型阻燃劑包括有機(jī)阻燃劑和無機(jī)阻燃劑,鹵系阻燃劑(有機(jī)氯化物和有機(jī)溴化物)和非鹵等。

b)減振。管道和設(shè)備的減振設(shè)計(jì),通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和安裝特殊減振裝備,以防止設(shè)備和管道的異常振動導(dǎo)致設(shè)備損壞。振動原因技術(shù)分析和特殊減振設(shè)備的應(yīng)用,如減振器、隔振器、減震器、金屬軟管、不銹鋼波紋補(bǔ)償器、橡膠撓性接管、避振喉、可曲撓橡膠接頭、消聲器、消音器、橡膠減振墊、阻尼彈簧減振器等在工廠的使用能夠從根本上降低設(shè)備損壞和泄漏風(fēng)險。

c)臨界值。有些化工反應(yīng)溫度和壓力超過一定臨界值,就會發(fā)生聚合、分解和異常放熱等危險現(xiàn)象,導(dǎo)致反應(yīng)失控風(fēng)險增加。如能有效對其反應(yīng)溫度或壓力等進(jìn)行臨界值控制,就能起到緩和反應(yīng)過程風(fēng)險的作用。如反應(yīng)器的加熱溫度循環(huán)水超過150℃時,就會導(dǎo)致物質(zhì)分解溫度異常升高現(xiàn)象,通過設(shè)定循環(huán)水的溫度極限,如最高溫度不超過150℃即可實(shí)現(xiàn)對反應(yīng)過程風(fēng)險的精準(zhǔn)控制。

(四)簡化/容錯(Simplification/Error Tolerance):設(shè)計(jì)中充分考慮人的因素,如疲勞失誤和意外操作的可能性,優(yōu)化設(shè)計(jì)去除多余的操作步驟或指令,讓繁瑣的操作簡單化,降低操作的難度。針對一些高風(fēng)險的作業(yè),采取機(jī)械化換人,自動化減人的措施,從根本上防止人員犯錯誤或即使操作錯誤系統(tǒng)也具備一定的容錯能力,進(jìn)而降低事故風(fēng)險。

系統(tǒng)的簡化和容錯設(shè)計(jì),涉及很多交叉專業(yè)和細(xì)節(jié)研究,尤其是人機(jī)工程學(xué)領(lǐng)域。人因工程側(cè)重于研究人、機(jī)、環(huán)境如何才能達(dá)到最佳匹配,使人-機(jī)-環(huán)境系統(tǒng)能夠適合人的生理和心理特點(diǎn),以保證人安全、健康、高效、舒適地進(jìn)行工作和生活。人因工程學(xué)包含了系統(tǒng)的思想、概念、原則、原理和方法,從工程的角度介紹人的生理、心理行為方式、工作能力、作業(yè)限制等特點(diǎn),討論通過對工具、機(jī)器、系統(tǒng)、任務(wù)和環(huán)境的合理設(shè)計(jì)來提高生產(chǎn)率、安全性、舒適性和有效性等的問題。

a)防錯設(shè)計(jì):也叫防呆設(shè)計(jì),是指通過設(shè)計(jì)一種方法或程序,通過防錯防呆技術(shù)和裝置的應(yīng)用,替代依靠工人完成的重復(fù)勞動,消除產(chǎn)生差錯的條件或使出錯的機(jī)會減到最低,進(jìn)而杜絕缺陷。防錯設(shè)計(jì)包含10大原理和應(yīng)用情形。如車子速度過高時,警告燈就亮起來。安全帶沒系好,車門沒關(guān)好,警告燈就亮起來。操作電腦時,按鍵錯誤,發(fā)出警告聲音。word文檔中的英文單詞出錯時,頁面自動紅線提醒。以各種光學(xué),電學(xué),力學(xué),機(jī)構(gòu)學(xué)、化學(xué)原理來限制某些動作的執(zhí)行或不執(zhí)行,以避免錯誤發(fā)生。工廠設(shè)計(jì)的應(yīng)急停車按鈕,考慮人誤觸碰導(dǎo)致系統(tǒng)異常停車,采取停車按鈕加裝防護(hù)罩的防錯設(shè)計(jì),如圖 4所示。這些都是非常典型的防錯設(shè)計(jì)和應(yīng)用。

 

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圖 4 緊急停車按鈕防護(hù)罩設(shè)計(jì)改進(jìn)

b)人因安全關(guān)鍵任務(wù)分析:有人任務(wù),與重大事故危害相關(guān)的人工任務(wù)評估落后于過程和工程安全問題的分析(《人為失誤預(yù)測與控制》,Lucas著)。然而,能源行業(yè)已普遍認(rèn)識到,在執(zhí)行安全關(guān)鍵任務(wù)(SCT)時發(fā)生的人為失誤是造成重大事故的原因之一,例如Piper Alpha油氣平臺爆炸事故、切爾諾貝利核事故和德克薩斯城災(zāi)難,事故報(bào)告對這些失誤作出了詳細(xì)分析。業(yè)界正通過進(jìn)行大量的人因(HF)任務(wù)分析,以評估系統(tǒng)設(shè)計(jì)和操作上的風(fēng)險,進(jìn)而優(yōu)化本質(zhì)安全設(shè)計(jì)和操作。此外,在最近對陸上(《安全報(bào)告評估指南:人為因素》,英國健康與安全執(zhí)行局著)和海上(《海上安全狀態(tài)評估原則》,英國健康與安全執(zhí)行局著)工業(yè)的指導(dǎo)意見中,安全監(jiān)管機(jī)構(gòu)已聲明,要求提供明確的證明,表明對安全關(guān)鍵的人工任務(wù)進(jìn)行了分析和評估,以達(dá)到適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn),從而預(yù)防可預(yù)見的失誤。

c)目視化管理:目視化管理也叫可視化管理,是一種行之有效的科學(xué)管理手段,是利用形象直觀而又色彩適宜的各種視覺感知信息來組織現(xiàn)場生產(chǎn)活動,達(dá)到提高勞動生產(chǎn)率和安全性的一種管理手段,也是一種利用視覺來進(jìn)行管理的科學(xué)方法,在化工工業(yè)中應(yīng)用很普遍。目視化設(shè)計(jì)和維護(hù)得當(dāng),確保提供準(zhǔn)確完整的信息和標(biāo)識,避免人員溝通、理解和執(zhí)行錯誤,能夠從根本上消除生產(chǎn)現(xiàn)場的安全隱患,甚至消除隱患產(chǎn)生的根源或源頭。如機(jī)組A和機(jī)制B安裝在工廠通道兩側(cè),但兩個現(xiàn)場操作柱都安裝在機(jī)組A一側(cè),應(yīng)急情況下可能存在人員誤操作的問題。經(jīng)過改進(jìn)設(shè)計(jì),如下圖 5所示,將操作柱B和機(jī)組B布置在同一側(cè),操作柱A和機(jī)組A布置在另一側(cè),降低人員誤操作風(fēng)險。很多工廠在機(jī)械、電氣和工藝過程能量隔離操作過程中,通常使用了上鎖管理的措施,但常見的問題是上鎖沒有掛簽,讓人很難理解上鎖的目的等基本信息,另外,標(biāo)簽也缺乏有效的管理,導(dǎo)致使用不規(guī)范濫用的可能,改簽上鎖和標(biāo)簽管理中心改進(jìn)如圖 6所示,從根本上避免因信息缺失、錯誤或標(biāo)識不清誘導(dǎo)人犯錯誤。

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圖 5 機(jī)組操作柱布置改進(jìn)

 

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圖 6 上鎖掛簽和標(biāo)簽管理中心


四、本質(zhì)安全審查表


序號

本質(zhì)安全方法

審查內(nèi)容

審查意見

1

替代

(Substitution)

1.1 是否可改變工藝技術(shù)或路線,采用無危險性或低危險性的原料?


1.2 是否可改變工藝技術(shù)或路線,采用無危險性或低危險性的中間物料?


1.3 是否可改變使用危險性較高的終端產(chǎn)品,或使用低危險性或無危險性的產(chǎn)品,降低易燃易爆性、腐蝕性、毒性等?


1.4 是否可避免使用危險性高的化學(xué)溶劑和試劑,避免使用易燃易爆的化學(xué)清洗溶劑?


1.5 是否可避免使用低閃點(diǎn)易揮發(fā)易燃的合成導(dǎo)熱油,用不易燃高閃點(diǎn)的導(dǎo)熱礦物油?


1.6 是否可采用蒸汽、熱水或電伴熱等方式替代導(dǎo)熱油加熱?


1.7 是否可避免使用毒性、致癌性極高的化工催化劑和其它觸媒,避免因人員更換催化劑暴露接觸致毒致癌催化劑的傷害風(fēng)險?


2

減量(Intensification)

2.1 是否可優(yōu)化工藝技術(shù)路線,以降低危險物質(zhì)在系統(tǒng)中的過程儲量。如使用工藝技術(shù)路線短,工藝單元分段隔離(緊急切斷),低液位精準(zhǔn)運(yùn)行控制等措施降低系統(tǒng)中危險物質(zhì)的量,降低異常泄漏量?


2.2 是否可采用小尺寸設(shè)備或降低設(shè)備數(shù)量。選用滿足工藝條件,經(jīng)濟(jì)性好使用效率高小尺寸的設(shè)備,減少使用設(shè)備數(shù)量?


2.3 是否可改變危險物質(zhì)的供給或運(yùn)輸方式。如使用用管道供應(yīng)或輸送危險化學(xué)品,降低原料和產(chǎn)品等容器儲存量庫存量,就地生產(chǎn)和消耗物料?


2.4 是否可采取異地降量少量儲存的方式。如使用多個安全儲存地點(diǎn)(廠外或低風(fēng)險區(qū)域),安全隔離分地少量儲存?


2.5 是否可以優(yōu)化事故工況下的應(yīng)急處置設(shè)計(jì)和操作。如考慮大型關(guān)鍵設(shè)備設(shè)置應(yīng)急放空閥(Blowdown Valve)、應(yīng)急備用罐、事故池和事故工況倒料倒罐措施?在泄漏和火災(zāi)事故工況下,能實(shí)現(xiàn)應(yīng)急泄放功能?


3

緩和(Attenuation)

3.1 是否考慮危險化學(xué)品裝卸過程,初始速度不得超過1m/s,正常情況下不得超過7m/s,以弱化和避免靜電的產(chǎn)生?


3.2 是否考慮使用緩蝕劑,添加到生產(chǎn)過程中,防止或減緩材料腐蝕的化學(xué)物質(zhì)或復(fù)合物?


3.3 是否考慮添加阻燃劑到聚合物中,以弱化聚合物的危險性?


3.4 是否考慮管道和設(shè)備的振動分析和減振設(shè)計(jì),通過優(yōu)化設(shè)計(jì)和安裝特殊減振裝備,以防止設(shè)備和管道的異常振動導(dǎo)致設(shè)備損壞?


3.5 是否開展化工反應(yīng)風(fēng)險評估?設(shè)定化工反應(yīng)溫度、流量、壓力等臨界值,以避免聚合、分解和異常放熱等危險現(xiàn)象發(fā)生


4

簡化/容錯(Simplification/Error Tolerance)

4.1 是否開展防錯設(shè)計(jì)和審查,如應(yīng)用防錯10大原理和應(yīng)用情形?


4.2 是否開展安全關(guān)鍵人工任務(wù)分析和評估,以確保人員操作行為、硬件和程序達(dá)到適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn),以預(yù)防可預(yù)見的失誤?


4.3 是否開展目視化設(shè)計(jì)和審查,以確保視覺感知信息準(zhǔn)確完整,避免人員溝通、理解和執(zhí)行錯誤?


4.4 是否可優(yōu)化設(shè)計(jì),以剔除多余的操作指令或步驟,讓繁瑣的操作簡單化,降低操作的難度?


4.5 是否可針對一些高風(fēng)險作業(yè),采取機(jī)械化換人,自動化減人的措施?