方 枝,郭海林,李超鋒，李 偉

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(武漢) 工程學(xué)院,湖北 武漢 430074; 2.中石化江漢油田分公司安全環(huán)保處，湖北 潛江 433124)

氯氣是氯堿工業(yè)的主要產(chǎn)品,其活性強,泄漏風(fēng)險高、危害大。氯堿廠儲罐區(qū)存放了大量液氯，一旦泄漏,將會造成人員中毒、財產(chǎn)損失和火災(zāi)爆炸等重大災(zāi)難性事故，后果不堪設(shè)想。如2012年7月2日晚,某化工企業(yè)一工人私自拆卸20余天前收購的液氯金屬罐口銅角閥,導(dǎo)致罐體內(nèi)部殘液意外泄漏,造成27人受傷，事故過后整個公司停產(chǎn)；2011年10月16日,常州市波源化工有限公司發(fā)生液氯泄漏事故，造成該公司1名員工死亡、2名員工受傷，附近近百位村民接受相關(guān)部門治療。

目前針對氣體泄漏的定量風(fēng)險評價已有大量的研究，如張杰等[1]運用LEAK軟件模擬了氯堿廠液氯制取系統(tǒng)中裝置的泄漏概率；章博等[2]運用LEAK軟件和歷史氣象數(shù)據(jù),對高硫煉油裝置中硫化氫泄漏概率進(jìn)行了預(yù)測研究,使得泄漏監(jiān)測報警儀的安裝有可靠的參照；王程龍等[3]利用ANSYS軟件對管道法蘭接頭進(jìn)行模擬,計算了不同應(yīng)力條件下墊片所受的力,并對其不穩(wěn)定工作壓力下管道的可靠性進(jìn)行分析,運用Matlab軟件根據(jù)所構(gòu)建的極限方程式對不同類型的變量進(jìn)行反復(fù)隨機抽樣,從而得出螺栓法蘭的泄漏概率與壓力的關(guān)系；馮禹等[4]采用PHAST軟件對丙烯球罐泄漏進(jìn)行了模擬,定量分析了不同孔徑對丙烯泄漏擴散的影響,并通過云團(tuán)寬度和下風(fēng)向距離兩個參數(shù)分析爆炸區(qū)域,為丙烯球罐風(fēng)險管理的改善和事故概率的降低提供了理論依據(jù)；袁娜[5]采用Hugin軟件對貝葉斯網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行敏感性分析、診斷推理以及預(yù)測推理,分析出了最有可能導(dǎo)致液氨泄漏的致因要素和泄漏后果,并以液氨儲罐為工程實例,運用Matlab軟件在不同泄漏情境下對其濃度擴散范圍進(jìn)行了模擬；朱廣萍[6]對液氨鋼瓶的泄漏情況進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,開發(fā)了模擬液氨泄漏后果的系統(tǒng)；Li等[7]運用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)對石油天然氣管道的泄漏概率進(jìn)行了定量風(fēng)險分析；Shao等[8]對天然氣發(fā)電廠的泄漏事故風(fēng)險進(jìn)行了定量計算和ALOHA模擬;Huang等[9]對城鎮(zhèn)煤氣管道泄漏火災(zāi)風(fēng)險進(jìn)行了評價,為減少火災(zāi)的發(fā)生以及加強管道的安裝、維護(hù)、運營安全性提供了參考依據(jù)。

基于上述研究，本文以某氯堿廠為例,對其液氯制取系統(tǒng)進(jìn)行了研究和設(shè)計。該氯堿廠共有4臺液氯儲罐,3臺正常運行,另外1臺為事故應(yīng)急空罐,對4臺儲罐循環(huán)使用,每臺儲量60 t,容積為每次儲量50 m3,總?cè)萘繛?80 t,按照重大危險源識別原則確定為重大危險源。本次研究所模擬的液氯制取系統(tǒng)包括氯氣液化器、螺桿機組、氣液分離器、液氯儲罐、液下泵、液氯中間罐等設(shè)備，通過對液氯制取系統(tǒng)中氯氣液化裝置泄漏概率的分析，能夠很好地找到泄漏的位置或零部件,為安裝報警裝置和加強儲罐區(qū)域安全防護(hù)措施提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 氯氣液化裝置泄漏概率分析方法

1. 1 危險氣體泄漏易發(fā)性定量預(yù)測方法

為了實現(xiàn)液氯制取系統(tǒng)中，裝置泄漏易發(fā)性定量預(yù)測,本文結(jié)合氣體泄漏危險源辨識和泄漏易發(fā)性定量預(yù)測方法,提出了一套危險氣體泄漏的定量預(yù)測方法，該方法主要包括辨識研究裝置中氣體泄漏危險源、構(gòu)建裝置泄漏定量預(yù)測模型、修正相關(guān)系數(shù)以及裝置泄漏概率的計算等步驟,詳見圖1。

圖1 研究系統(tǒng)中裝置泄漏概率的預(yù)測模型Fig.1 Prediction model for the leakage probability of equi- pment in liquid chlorine preparation system

1. 2 辨識研究裝置中氣體泄漏危險源

該步驟主要是熟悉研究裝置,確定評價區(qū)域的邊界及裝置的位置,收集裝置的基本信息、有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)、評價區(qū)域以及裝置的布置圖等，并采用安全系統(tǒng)工程[10-11]的方法對研究裝置進(jìn)行辨識與分析,辨識出具有危險氣體泄漏風(fēng)險的設(shè)備設(shè)施。本文根據(jù)該廠區(qū)實際情況以及企業(yè)日常安全檢查表,選取液氯儲罐、氣液分離器、液下泵、螺桿機組幾個重點區(qū)域為氣體泄漏源即危險源。

目前,常使用故障樹、事件樹以及泄漏概率預(yù)測軟件等定量分析手段[12-13]來確定過程工藝裝置泄漏的失效概率。故障樹和事件樹等定量預(yù)測法主要是在對系統(tǒng)泄漏失效主要影響因素進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上構(gòu)建故障樹或事件樹,并計算得到設(shè)備的失效概率,但是計算時需要的參數(shù)較多,如各部件失效概率等，主要作為求解失效概率的近似方法推薦使用。

1. 3 基于LEAK軟件構(gòu)建裝置泄漏定量預(yù)測模型

1.3.1 單元劃分及建模

研究系統(tǒng)中可能發(fā)生泄漏的裝置可以視為一個系統(tǒng),把該系統(tǒng)解構(gòu)成區(qū)域、單元和設(shè)備等多個逐個層級子系統(tǒng),那么完整的泄漏裝置將劃分為不同的單元,繼續(xù)細(xì)分,每個單元下還能劃分為不同的工藝段,而每個工藝段則包括不同的設(shè)備,再輸入基礎(chǔ)元素(管道、閥門、法蘭、換熱器和容器等)數(shù)據(jù)建立泄漏概率定量預(yù)測分析模型[14-15]。LEAK軟件可以計算出裝置總體的失效概率,也可以計算出各個單元、各個設(shè)備對總體失效的貢獻(xiàn)率。

1.3.2 裝置泄漏事件描述

LEAK軟件對泄漏事故的描述主要采用泄漏流速分布和泄漏孔徑尺寸等參數(shù),本研究則是選取泄漏孔徑參數(shù)來描述。按照國內(nèi)外孔徑的分類規(guī)則可以把泄漏孔徑分為小、中、大和破裂4類,詳見表1[16]。

表1 常用典型泄漏孔徑分類

1. 4 修正相關(guān)系數(shù)

設(shè)備修正系數(shù)的大小主要由4個因子決定,分別為技術(shù)模塊因子、通用模塊因子、機械模塊因子和工藝模塊因子，各個因子又都由幾個單元或相關(guān)次因子組成,把偏離設(shè)備失效頻率進(jìn)行數(shù)學(xué)表示、定量化處理,得到每個單元的數(shù)值之后相加即得到相應(yīng)因子的值,最后將4個因子的值相加。設(shè)備修正系數(shù)的具體取值方法見表2[17]。

表2 設(shè)備修正系數(shù)取值參考表

管理修正系數(shù)的推薦計算方法是：以API 581文件提供的管理系統(tǒng)評估表為基礎(chǔ),評估者依據(jù)企業(yè)管理體系及制度情況進(jìn)行評分,其中評估表滿分為1 000分,共涉及13項評估主題、101個評估指標(biāo),根據(jù)最后總得分,并參照管理修正系數(shù)與管理系統(tǒng)評估分值的關(guān)系,通過橫坐標(biāo)總分?jǐn)?shù)找到曲線上對應(yīng)縱坐標(biāo)的值即為管理修正系數(shù)[17-18]。

2 氯氣液化裝置泄漏概率分析方法的應(yīng)用

2. 1 確定分析對象

本文主要對液氯制取系統(tǒng)中裝置液氯或氯氣泄漏的易發(fā)性進(jìn)行定量預(yù)測。通過現(xiàn)場調(diào)研、流程圖分析及設(shè)備數(shù)據(jù)分析,得出氯氣液化器、氣液分離器、液氯儲罐、液氯中間罐、液下泵、螺桿機組等為氯氣液化系統(tǒng)的裝置,選擇這些裝置為液氯制取系統(tǒng)中泄漏定量預(yù)測的研究裝置。氯氣液化流程見圖2。

圖2 氯氣液化流程圖Fig.2 Flow chart of chlorine liquefaction

設(shè)備名稱型號或規(guī)格數(shù)量/個氯氣液化器M1403螺桿機組W?JLYLGF2．0Ⅱ3螺桿機組RWFⅡ1氣液分離器Ф600mm×1900mm3液氯儲罐Ф2600mm×10124mm4液下泵LSY40?12/52液氯中間罐3

2. 2 LEAK分析模型的建立

根據(jù)氯氣液化流程和相關(guān)技術(shù)參數(shù),辨識出可能泄漏的設(shè)備設(shè)施,將其設(shè)置為幾個子系統(tǒng),并將其單元和設(shè)備逐級細(xì)化成子系統(tǒng),再輸入各基礎(chǔ)單元如法蘭、閥門等的技術(shù)參數(shù)，建立子系統(tǒng)泄漏概率定量預(yù)測分析模型即LEAK分析模型,如圖3所示為液氯儲罐泄漏概率定量預(yù)測分析模型。

圖3 液氯儲罐泄漏概率定量預(yù)測分析模型Fig.3 Quantitative prediction analysis model for leakage probability of liquid chlorine tank

2. 3 修正系數(shù)的計算

根據(jù)表2對4個模塊因子的各次模塊因子賦值相加,所得之值有正有負(fù),參照表4進(jìn)行換算,可得到液氯制取系統(tǒng)設(shè)備修正系數(shù)值，見表5。

表4 設(shè)備修正系數(shù)[17]的換算

根據(jù)管理修正系數(shù)的推薦計算方法，得到液氯制取系統(tǒng)評估總得分為890分(百分制為89分)(見表6),并按照API 581中的管理系統(tǒng)評估分值與管理修正系數(shù)的關(guān)系圖表,得出管理修正系數(shù)為0.18。

表5 液氯制取系統(tǒng)設(shè)備修正系數(shù)表

表6 液氯制取系統(tǒng)管理修正系數(shù)評分表

2.4 液氯制取系統(tǒng)中裝置泄漏概率的定量預(yù)測

本文利用LEAK軟件通過模擬計算，得出液氯制取系統(tǒng)中氯氣液化裝置的可能泄漏位置和泄漏源概率，詳見表7。

表7 液氯制取系統(tǒng)中氯氣液化裝置的可能泄漏 位置和泄漏概率

由表6可見,氯氣液化裝置中液氯中間罐的泄漏概率最大,分別為小孔徑,泄漏概率為5.673×10-2a-1(推薦孔徑為3.775 mm),中孔徑,泄漏概率為1.291×10-2a-1(推薦孔徑為24.396 mm),大孔徑,泄漏概率為4.010×10-3a-1(推薦孔徑為90.388 mm),可能泄漏的位置均為閥或儀表連接處；液氯儲罐在附件閥、法蘭或閥門處也存在概率為1.746×10-3a-1(推薦孔徑為3.7 mm)的小孔徑泄漏風(fēng)險；氣液分離器也存在概率為3.210×10-3a-1(推薦孔徑為3.4 mm)的小孔徑泄漏風(fēng)險；而液下泵的泄漏位置為泵體本身,其泄漏概率為4.064×10-3a-1,這些都是企業(yè)在日常管理中需要重點關(guān)注并加強防護(hù)和安全監(jiān)測的泄漏源位置。

3 結(jié) 論

本文以某氯堿廠液氯制取系統(tǒng)中裝置為研究對

象，基于LEAK軟件定量模擬計算了氯氣液化裝置的泄漏概率，結(jié)果表明：辨識研究裝置中氣體泄漏危險源、構(gòu)建裝置泄漏定量預(yù)測模型、修正相關(guān)系數(shù)等都對裝置最終泄漏概率的模擬結(jié)果有著重要影響，因此在模擬過程中應(yīng)盡可能多地掌握生產(chǎn)裝置實際技術(shù)參數(shù)如壓強、溫度等,模擬單元也應(yīng)劃分得更加詳細(xì)和精確,這樣模擬的結(jié)果將更接近于實際情況,才可為化工企業(yè)安全管理提供指導(dǎo),從而減少企業(yè)的損失和人身傷害。

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