基于HAZOP-LOPA的硝基苯生产装置风险分析

吕似蕴，蒋军成，虞　奇，陈海岭

(1.南京工业大学安全科学与工程学院,江苏 南京210009；2.南京工业大学江苏省城市与工业安全重点实验室,江苏 南京210009；3.江苏国恒安全评价咨询服务有限公司,江苏 南京210009)



基于HAZOP-LOPA的硝基苯生产装置风险分析

吕似蕴1,2,3，蒋军成1,2,3，虞奇1,2,3，陈海岭1,2,3

(1.南京工业大学安全科学与工程学院,江苏 南京210009；2.南京工业大学江苏省城市与工业安全重点实验室,江苏 南京210009；3.江苏国恒安全评价咨询服务有限公司,江苏 南京210009)

摘要：介绍了南化公司年产十万吨苯胺装置中苯的硝化反应，选择硝基苯生产装置中危险性较大的装置硝化锅进行了HAZOP分析。经过偏差分析发现硝化锅物料配比不均、电机搅拌异常等非正常操作，容易导致反应失控，腐蚀性有毒物料易泄出，甚至发生火灾爆炸事故。针对HAZOP筛选出的9个严重场景，利用LOPA做进一步的分析，定量计算其发生的频率，根据ALARP原则做出风险决策，硝化锅因投料量过多导致的漫料，遇火源发生火灾爆炸这一高风险场景建议采取高液位联锁装置，地下排污系统作为有效降低其风险的独立保护层。

关键词：硝基苯；硝化锅；HAZOP；LOPA；风险分析

硝基苯是重要的基本有机化工原料，用于生产染料、香料、炸药等有机合成工业，经催化加氢或铁粉还原可得苯胺，这是硝基苯的最主要用途，由苯胺进而生产各种有机中间体，广泛应用于合成皮革(MDI)、橡胶、医药、农药、军事及其他工业[1]。

苯的硝化反应属于强放热反应，原料及产品、副产品多属强腐蚀和有毒物质，一旦发生意外，容易造成火灾爆炸、烧伤或中毒事故，国内硝基苯生产装置曾发生多次事故，主要是硝基苯精馏再沸爆炸、1#硝化锅爆炸、废水(酸)系统的爆炸及溢料事故、中毒事故等[2]。苯胺生产中需使用氢气、硝基苯等易燃、易爆、有毒、有害化学品，极易发生突发性或灾害性事故，如着火、爆炸、烫伤和污染等。因此，硝基苯生产装置的风险评估对于提高硝基苯装置区的本质安全与化工过程安全具有重大意义。

关于硝基苯生产装置的风险评估国内已有一些研究。如生迎夏等[3]针对硝基苯精馏再沸器爆炸事故进行了研究，结果发现在硝基苯精馏再沸器停车检修期间，设备处于较高温度状态，拆开装置后，残余的硝基苯与进入的空气氧化升温自燃，导致硝基苯气化燃烧分解爆炸，分解产物及部分气化未反应物在装置周围空间发生第二次空间爆炸；宋会会等[4]利用HAZOP分析苯的硝化反应，提出精馏塔再沸器内一部分蒸发能力低或者不蒸发的物质残留在再沸器内形成焦化物，成为事故发生的最大隐患；黄文君等[5]利用蒙德法与事故树分析对精馏塔再沸器进行了研究，提出高温下混入空气、法兰密封不严、阀门失效是导致再沸器发生爆炸最主要的原因，因此控制再沸器温度、防止局部累积热量可以有效地控制此类事故的发生。目前针对硝基苯生产装置中典型装置硝化锅的系统风险分析国内还较欠缺。为此，本文选取硝基苯生产装置中的1#(a、b)硝化锅进行了HAZOP-LOPA分析。

1苯的硝化反应

苯的硝化反应方程式如下：

1#(a、b)硝化锅中苯的硝化反应过程是：酸性苯从酸性苯罐，通过酸性苯泵输送至苯混合器中，稀硫酸从稀硫酸高位槽底部经循环稀硫酸冷却器分别进入苯混合器和酸性混合器中，酸性苯与稀硫酸在混合器中充分混合，进入1#(a、b)硝化锅；混酸从混酸贮罐经混酸输送泵输送至酸混合器，混酸与稀硫酸在酸混合器中充分混合后进入1#(a、b)硝化锅，在搅拌作用下，酸性苯与混酸在1#(a、b)硝化锅中反应；反应物料从1#(a、b)硝化锅溢流至2#硝化锅，随后依次溢流至3#、4#硝化锅继续反应。由于1#、2#、3#和4#硝化锅的硝化反应一样，所以本文以1#(a、b)硝化锅为例，进行了HAZOP-LOPA分析。

2硝化锅的HAZOP-LOPA分析

2.1硝化锅的HAZOP分析

2.1.1HAZOP分析方法简介

危险与可操作性分析(HazardandOperabilityAnalysis，HAZOP)是英国帝国化学工业公司(ICI)为解决除草剂制造过程中的危害于20世纪60年代发展起来的一套以引导词为主的危害分析方法，用来检查设计及运行阶段阻碍项目安全运行的各种因素[6]。HAZOP分析主要是针对设定的单元假设其发生偏差，借助头脑风暴法，应用引导词技术找出全部偏差，并针对偏差找出原因、分析后果、提出对策的一种定性的、结构化的风险分析方法[7]。HAZOP分析的流程如图1所示。

HAZOP分析中相关术语如下：

(1) 节点(Nodes)：把复杂的工艺系统分解成若干“子系统”，每个子系统作为一个“节点”。

(2) 工艺参数(Processparameters)：与工程有关的物理化学特性，由流量、温度、压力、液位等组成。

(3) 引导词(Guidewords)：一个简单的词或者词组，用来限定或者量化意图，并且配合参数得到偏差。

(4) 偏差(Deviation)：各种工艺参数都有各自安全许可的操作范围，如果超出该范围，无论超出的程度如何，都称为偏差。

(5) 原因(Cause)：导致偏差的条件或事件，在分析过程中，一般不深入到根原因，找到偏差产生的初始原因即可。

(6) 后果(Consequence)：偏差产生的后果，不考虑现有的安全措施。

(7) 现有安全措施(Safeguards)：当前设计、已经安装的工程设施或管理措施。

(8) 建议措施(Recommendation)：现有的安全措施不足以控制风险，建议增加消除或控制风险的措施。

2.1.21#(a、b)硝化锅的HAZOP分析

2009年在国家安监总局发布的《国家安全监管总局关于公布首批重点监管的危险化工工艺目录的通知》([2009]116号)中，硝化反应被列为15种重点监管的危险化工工艺中的一种。

本文利用HAZOP分析硝基苯生产装置中危险性较大的装置1#(a、b)硝化锅，把1#(a、b)硝化锅及其进出料管线划分为一个节点，列出节点分析要用到的引导词与工艺参数，采用“{引导词}+工艺参数”的偏差分析方法逐一进行HAZOP分析[8-13]。1#(a、b)硝化锅及其进出料管线需要分析的偏差有32个，其HAZOP分析结果见表1。

具体分析过程如下：首先，在HAZOP分析组长的牵头下，HAZOP分析小组成员们采用“头脑风暴法”，对每个偏差逐一分析，分析可能导致偏差的原因，比较常见的原因包括管道堵塞、阀门故障、法兰刺漏、管线腐蚀、焊缝有砂眼、进料配比不均、投料负荷过大、冷却水失效等[14]；然后，根据原因结合偏差描述分析导致的后果，风险矩阵中将风险分为4级，其中S表示后果的严重程度，L表示事故发生的频率，R表示风险等级，S、L同分为5级，R根据分值的不同分为4级，在风险分析中有的风险很高，会达到3或者4级，有的风险只有2级甚至只有1级，对于风险很低的偏差，可以忽略不计，不需投入太多的安全措施；最后，根据风险等级的高低，列出已采用针对原因的预防措施和针对事故后果的减缓措施，HAZOP分析小组结合现场和已分析出的结果进行讨论，对于安全措施不够的偏差，提出可以明显降低风险却还未采取的建议措施。

表1　1#(a、b)硝化锅及其进出料管线HAZOP分析结果

续表1

序号偏差偏差描述原因后果SLR安全措施建议措施16泄漏混酸管线泄漏法兰刺漏,管线腐蚀,焊缝有砂眼,阀门有漏点人员灼伤,环境污染23Ⅱ人员穿戴防护用品,加强监控,定时巡检定期对焊缝进行厚度检测,对管线阀门法兰、螺栓、阀体、阀门上的螺栓进行定期检查,加强对人员穿防酸服、戴防酸面罩及防酸手套等情况进行检查,加强防护用品质量检查17压力过高硝化锅压力过高硝化废气吸收器堵塞,废酸输送泵故障硝化锅冒出硝烟污染环境,对人体造成伤害,反应失控发生火灾爆炸42Ⅲ定时巡检,加强监控,及时修理18液位高硝化锅液位偏高投料量过大,溢流管堵塞漫料对人体造成伤害,污染环境,遇火源易燃烧42Ⅲ加强巡检,开车条件确认19液位低硝化锅液位偏低初始开始检查不到位搅拌轴空转损坏11Ⅰ做好开车确认20温度过高硝化锅反应温度过高废酸进料偏小,混酸量偏多,循环水换热效果差,搅拌不均匀反应剧烈,副反应较多,温度失控,存在爆炸危险42Ⅲ温度联锁启动,流量联锁控制,切断进料,低负荷运行降低投料负荷,检查循环废酸系统,定期维护好ESD联锁系统,对循环水冷却系统进行定期检查21温度过低硝化锅温度偏低废酸进料偏大,混酸量偏少,循环水量偏大反应不完全,消耗增加21Ⅰ加强监控,及时调整22腐蚀过快冷却水管线腐蚀材质不合格,使用时间过长,管线与内构件异常磨损酸浓度降低,硝烟增高,反应异常,稀酸腐蚀性增加32Ⅱ每班分析酸浓度,及时检修对循环水冷却系统进行定期检查,定期对焊缝进行厚度检测,对管线阀门法兰、螺栓、阀体、阀门上的螺栓进行定期检查23腐蚀过快硝化锅本体腐蚀焊接质量不合格物料泄漏,人员灼伤及中毒,环境污染,遇火源易造成火灾爆炸危险42Ⅲ定期检查,人员穿戴防护用品24腐蚀过快硝化锅盖安装质量不合格,或密封垫损坏硝烟外漏造成人员伤害,环境污染23Ⅱ定期检查,人员穿戴防护用品硝化锅盖及手孔、法兰等做到密封,无硝烟泄漏,检查硝烟吸收系统是否正常25低搅拌/循环硝化锅搅拌桨转速降低搅拌桨叶脱落,电机故障转速偏低,电机与搅拌轴连接故障,搅拌桨与内构件摩擦阻力加大硝化锅温度突升,反应失控42Ⅲ对电流加强监控26反转硝化锅搅拌桨翻转电机电源线接反搅拌不均匀,效果不好,副反应增加11Ⅰ做好开车确认27反应过慢硝化反应过慢投料负荷低反应过度,副反应增加11Ⅰ中控分析28维护过少硝化锅维护频率较低职工培训不到位,责任心不强系统停车,存在安全隐患11Ⅰ加强职工培训和操作五抓29维护错误硝化锅维护错误未严格按照检修方案维护系统停车,存在安全隐患11Ⅰ加强维修人员培训,严格按照方案维护30污染、杂质原料中含有杂质供应原料中含有杂质对后续加氢反应成品质量有影响11Ⅰ31污染、杂质副产物搅拌不均匀,投料量配比异常,蛇管泄漏存在爆炸危险,增加焦油采出量42Ⅲ做好中控分析,增加焦油采出量维护好ESD联锁系统,加强成品质量和焦油采出监控,对硝化锅的投料和反应物料定期进行检查32浓度过低混酸总酸度偏低配制锅漏水,混酸中水含量偏高反应不完全,硝烟增加21Ⅰ做好总酸度的中控分析

2.2硝化锅的HAZOP-LOPA分析

保护层分析(LayerofProtectionAnalysis，LOPA)是在定性危害分析的基础上，进一步评估保护层的有效性，并进行风险决策的系统方法。其主要目的是确定是否有足够的保护层使风险满足企业的风险标准。LOPA分析是近年来国际上广泛应用且行之有效的一种安全防护措施设计与管理的系统科学方法[15]。

HAZOP分析是定性的分析方法，在本文中利用HAZOP与LOPA相结合的分析方法可以减小定性分析带来的误差，其中S表示后果的严重程度，分为5级。根据事故后果较为严重的场景利用LOPA分析的方法，对事故风险进行评估，风险决策通常采用ALARP原则，当风险处于高风险时，该风险不可接受，应采取行动降低风险；如果风险水平处于低风险时，该风险可以接受；如果风险水平处于中风险时，可考虑风险的成本与效益分析，采取降低风险的措施，使风险水平“尽可能低”。

HAZOP分析得到的危险场景，经过筛选得到重大危险场景，是LOPA分析的基础；HAZOP偏差分析得到的非正常原因，为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严重程度，为LOPA分析影响事件及事件严重程度提供直接信息；HAZOP分析识别出的现有安全措施，为LOPA分析IPL及其PFD提供直接信息；HAZOP分析得出的安全措施建议，是LOPA进行保护层设计的备选方案。HAZOP分析的信息与LOPA分析信息的关系见图2[16-20]。

图2　HAZOP信息与LOPA信息的关系Fig.2　Relationship of HAZOP information and LOPA　　　information

表1的1#(a、b)硝化锅HAZOP分析结果中，事故后果严重性等级为4级的有6条、3级的有5条、2级的有12条、1级的有9条，本文选取事故后果严重性为4级的作为事故场景进行LOPA分析，1#(a、b)硝化锅LOPA分析结果见表2。

针对硝化锅及其进出料管线这个节点选取符合要求的所有偏差，采用“{引导词}+工艺参数”的偏差方法逐一进行HAZOP分析，并根据偏差产生后果的严重程度、场景发生的概率对其进行风险等级划分。HAZOP分析中硝化锅及其进出料管线被划分成32个偏差，其中风险等级为1级的偏差有15条、2级的有7条、3级的有10条，事故后果严重性等级为4级的有6条、3级的有5条、2级的有12条、1级的有9条，LOPA分析选取事故后果严重性为4级的6条偏差作为LOPA分析的依据，LOPA分析的每个场景必须有唯一的初始事件及其对应的后果，HAZOP分析中一条偏差可能有多条导致偏差的原因，产生的后果也可能不止一种，所以根据初始事件与事故后果一一对应的原则，这6条偏差可以分为9个场景，LOPA分析发现其中3个场景是因为物料泄漏遇点火源导致的火灾爆炸事故，剩下的6个场景是因为反应失控导致的火灾爆炸事故。可见，火灾爆炸作为严重的事故后果，是HAZOP与LOPA分析的重点。

根据风险矩阵的判断，在未采取独立保护层时，风险为高等级的事故场景有2个，风险为中等级的事故场景有5个，风险为低等级的事故场景有2个，在LOPA进一步的分析中发现，一部分风险为中高等级的场景未采取足够降低风险的独立保护层，其中硝化锅因投料量过多导致的漫料，遇火源发生火灾爆炸这一场景并没有采取独立保护层，导致剩余风险仍然为高风险。LOPA这种简化的定量风险分析可以帮助我们判断出单元的薄弱环节在哪，哪些独立保护层需要投入更多的精力去维护，最后可根据ALARP原则对于剩余风险仍为中高等级的场景，采取相应有效的独立保护层。

表2　1#(a、b)硝化锅LOPA分析结果

3结论

(1) 依据HAZOP编制的硝基苯装置评价报告，无法定量直观地反映偏差发生的可能性与后果的严重程度到底有多大，单元内哪些安全措施是有效的，以及作为预防性与减缓性的安全措施，对于降低事故的可能性与严重程度是否足够。LOPA分析作为半定量的风险分析方法可以为HAZOP达到技术上的突破。

(2)LOPA分析方法需要建立在定性评价方法的基础上，本文基于HAZOP-LOPA的分析方法，首先通过HAZOP分析硝基苯装置可能产生的偏差，为LOPA分析提供了大量的基础性数据，LOPA分析通过这些数据筛选出需要分析的事故场景，然后定量分析出初始事件与场景发生的频率，最后判断出哪些安全措施是独立保护层，独立保护层的失效概率是多少，场景中所采取的独立保护层是否足够。

LOPA分析方法中初始事件的频率、独立保护层失效概率的准确性以及风险判断标准的统一，是今后HAZOP-LOPA分析技术改进的方向。

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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

文章编号：1671-1556(2016)03-0129-06

收稿日期：2015-09-17修回日期：2016-01-27

作者简介：吕似蕴(1988—)，男，硕士研究生，主要研究方向为工业装置区及化工园区风险评估。E-mail:a9908994@qq.com

中图分类号：X937;TQ246.1

文献标识码：A

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

通讯作者：蒋军成(1967—)，男，博士，教授，主要从事城市公共安全、工业过程及装备安全等方面的研究。E-mail:j_c_jiang@163.com