石油化工装置如何做到设计安全
本文针对石油化工装置中存在的危险因素，从工艺路线的选择、工程设计(包括工艺系统设计、仪表及自动控制设计、设备设计、装置布置设计、管道设计、土建设计、供排水设计、通风设计、消防设计)多方面保证石油化工装置安全的设计方法和措施，强调了安全设计的重要性。
石油化工装置多以石油、天然气，煤及其产品为原料进行加工处理，以得到社会各种产品。装置的原料和产品多属可燃、易爆、有毒物质，装置必然存在着潜在的火灾、爆炸和中毒危险。
这不只是由于石油化工装置较其它设施有过程复杂、条件苛刻、制约因素多、设备集中等特点，还有社会的、经济的、管理的原因。
产生安全隐患的原因
(1)强调经济规模，工厂(装置)日趋大型化；
(2)减少建设用地，设备布置变得拥挤，资产密度加大；
(3)为消除瓶颈、扩能增效、节能、改善环境，在现有装置内增加设备或设施；
(4)增加生产工日，长周期运转，设备得不到及时维修和更新；
(5)人员减少，操作管理人员流动性大。此外，技术、装备、培训是否及时跟进也是原因之一。
如何做到设计安全，如何对石油化工过程潜在的各种危险进行识别，如何对偏离过程条件做出估计，并在工程建设的基础环节(设计)上采取措施，防患于末然，已为人们广泛关注。国外现在较为通行的做法是，除强调本质安全设计外，在项目设计中推行(危险性和可操作性研究)(Hazard and Operability Study，缩略为HAZOP)，用一系列对过程偏离研究提示，系统地、定性地去认识过程危险和潜在的后果，并采取措施。在项目管理上，推行(安全卫生执行程序)(Health and Safety Executive 缩略为HSE)，对项目各阶段的安全、卫生和环保内容进行审查和确认。此外，还可以应业主要求，对项目进行安全评估。
我国石油化工装置设计，目前尚无一套完整的安全分析方法和管理体系。有关安全、卫生和环保要求，多分散在有关政府法规和各级标准规笵中，执行管理诸多不便，加之设计中很多关于安全、卫生和环保的要求，标准规笵没有或无法纳入。在项目管理上更是只重视“前期”审查，忽视“后期”实施，往往事倍功半。
1
装置危险因素
石油化工装置类型甚多，由于技术路线、原料、产品、工艺条件的差异，存在的危险因素不尽相同，大致归纳如下。
1.1
中毒危险
石油化工生产过程中，以原料、成品、半成品、中间体、反应副产物和杂质等形式存在的职业性接触毒物，工人在操作时，可经过口、鼻、皮肤进入人体生理功能和正常结构的病理改变，轻则扰乱人体的正常反应，降低人在生产中作出正确判断、采取恰当措施的能力，重则致人死亡。
1.2
火灾爆炸危险
可燃气体、油气、粉尘与空气形成的混合物，当其浓度达到爆炸极限时，一旦被引燃，就会发生火灾爆炸，火灾的辐射热和爆炸产生的冲击波可能对人、设备和建筑物造成杀伤和破坏。尤其大量可燃气体或油气泄漏形成的蒸汽云爆炸，往往是毁灭性的。如2001年抚顺石化公司的乙烯空分装置的爆炸、2000年北京燕山石化的高压聚乙烯装置的爆炸、1967年大庆石化公司的高压加氢装置的氢气的爆炸这样的例子还有很多，损失是十分惨重的。
1.3
反应性危险
化学反应过程分吸热和放热两类。通常，放热反应较吸热反应更具危险性，特别是使用强氧化剂的氧化反应；有机分子上引入卤原子的卤化反应。
1.4
负压操作
负压操作易使空气和湿气进入系统，或是形成爆炸性气体混合物，或是空气中的氧和水蒸汽引发对氧、水敏感物料的危险反应，如炼油的常减压装置中的减压塔系统。
1.5
高温操作
可燃液体操作温度超过其闪点或沸点，一旦泄漏会形成爆炸性油气蒸汽云；可燃液体操作温度等于或超过其自燃点，一旦泄漏即能自燃着火或成为引燃源；高温表面也是一个引燃源，可燃液体溅落其上可能引起火灾。如茂名焦化装置2001年由于用错管线材料，高温渣油冲出形成大火灾，发生重大人身伤亡事故。
1.6
低温操作
没有按低温条件设计，由于低温介质的窜入，而引起设备和管道的低温脆性破坏。如空分的低温设备的损坏，大化肥渣油气化流程的低温甲醇洗-195℃的低温脆性断裂。
1.7
腐蚀
腐蚀是导致设备和管道破坏引发火灾的常见因素。材料的抗腐蚀性能的重要性，在材料优化性能方面，仅次于材料的机械性能，其耐蚀性多出于经验和试验，无标准可循(中石化加工高硫油的装置选材有现行标准)。加之腐蚀类型的多样性和千变万化的环境条件影响又给腐蚀危险增加了不可预见性。如：天津石化的油鑵着火，高温硫腐蚀、低温硫的腐蚀等。
1.8
泄漏
泄漏是设备管道内危险介质释放至大气的重要途径。设备管道静密封和动密封失效，尤其温度压力周期变化、渗透性腐蚀性介质条件更易引起密封破坏。设备管道上的薄弱环节，如波纹管膨胀节、玻璃液位计、动设备的动密封的失效等，一旦损坏会引发严重的事故。
镇海炼化公司的加氢装置的机械密封泄漏引发的重大火灾。1996年加氢裂化装置的高温高压螺纹锁紧环的管线泄漏的事故等。
1.9
明火源
一个0.5mm长的电弧或火花就能将氢气引燃。装置明火加热设备(加热炉)，高温表面以及可能出现的电弧、静电火花、撞击磨擦火花、烟囱飞火能量都足以引燃爆炸性混合物。如镇海炼化公司2001年的新电站开工过程中汽轮机厂房大火。
2
工艺路线选择的安全考虑
工艺方法安全是装置设计安全的基础，在项目立项和可行性研究阶段，应充分注意工艺路线的安全考虑。
2.1
尽量选用危险性小的物料
为获得某种目的产品，其原料或辅助材料并非都是唯一的。在有条件时，应优先采用没有危险或危险性小的物料。
2.2
尽量缓和过程条件苛刻度
过程条件的苛刻度也不是不可以改变的。比如，采用催化剂或更好的催化剂，采用稀释、采用气相进料代替液相进料，以缓和反应的剧烈程度。
2.3
删繁就简避开干扰及本质安全
过程事故几率和影响因素有关，参数越多干扰越大。对一台设备完成多种功能的情况，能否采用多台设备，分别完成一个功能，以增加生产可靠性。提高设备、自控、电气的可靠性及本质安全程度。
2.4
尽量减少危险介质藏量
危险介质藏量越大，事故时的损失和影响范围越大。如用膜式蒸馏代替蒸馏塔、用連续反应代替间歇反应、用闪蒸干燥代替盘式干燥塔、用离心抽提代替抽提塔等。
2.5
减少生产废料
过程用原料、助剂、溶剂、载体、催化剂等是否必要，是否可减少；是否可回收循环使用；废料是否能综合利用，进行无害化处理，减少生产废料，做到物尽其用，减少对环境的污染。
3
工程设计的安全
3.1
工程设计的安全原则
物料危险性的描述
物料危险性通常可以用物料安全数据表进行描述，主要内容如下：一般火灾危险特性：闪点、引燃温度、爆炸极限、相对密度、沸点、熔点、水溶性。火灾危险性分类(见GB50160/GBJ16)对健康的危害性：工作场所有害物质最高允许浓度(见TJ36)，急性毒性(LC50或LD50)及发病状况、慢性中毒患病状况及后果、致癌性。毒物危害程度分级(见GB5044)。
反应性危险：环境条件下的稳定性、与水反应的剧烈程度、对热或机械冲击的敏感性。
反应性危险等级(参考NPPA704) 储运要求。事故扑救方法、应急措施。
过程条件
正常生产过程的实质是各工艺参数的相对平衡。任一参数超范围的变化，平衡就被打破，可能导致事故。如何对过程条件进行控制和调节，一旦失控如何紧急处置以减少和避免损失。
各种反应，包括主反应、副反应，以及可能发生的有害反应、防止有害反应的发生。采用优化软件对生产过程进行控制和调节。
组合操作单元间衔接
石油化工装置实际是若干工艺操作单元的组合。如何实现单元间的安全衔接，避免相互干扰；某单元处理事故或故障时，如何进行隔离，其它单元如何进行维持，如何平稳停车。联合装置是若干原概念装置的组合，资产密度相对加大，尤其要在工艺系统设计上处理好衔接。
连续散发可燃、有毒气体、粉尘或酸雾的生产系统，应设计成密闭的，并设置除雾、除尘或吸收设施。低沸点可燃液体、有毒液体或能与空气中的氧气、水发生氧化、分解、自聚反应或变质时，应采用惰性气体密封，应有防腐的工艺措施。
减少危险介质进入火场
在滿足生产平稳前提下，尽量缩短物料在设备内的停留时间，选用存液量少的分馏设备。对大型设备底部、大排量泵、高温(≥闪点，≥自燃点)泵入口、排量大于8m3/h液化烃泵入口、液化烃鑵出口，均应考虑事故隔离阀，事故时紧急切断，以减少事故外泄量。
气体火灾的最好扑救方法是切断气源。因此，气体加工装置边界可燃气体管应设事故隔离阀。
设备的超压保护
GB150和压力容器安全技术监规程都要求压力容器设超压保护；正排量泵及有超压保护要求的设备均应有安全泄压设施。介质腐蚀、结焦、凝堵使安全阀失效时，应考虑安全阀爆破片组合使用，或设蒸气掩护、蒸汽(或电)伴热。对有突然超压的设备，受热压力急剧升高的设备，还应设自动泄压或导爆筒、爆破片组合设施。
可燃介质安全阀泄压应进入火炬系统，由于泄放物夹带液体，装置应设分液罐；放火炬总管应能处理任何单个事故最大排放量。石化装置的放空火炬排放中事故。液化烃类设备和管道放空应进入火炬系统。毒性、腐蚀性介质泄放应进行无害化处理。设备和管道排净应密闭收集。
吹扫和置换
开停工装置内设备和管道的吹扫和置换为安全开停工及检修创造条件。吹扫不净，不完善的吹扫系统，不合要求的吹扫介质会为火灾创造条件。固定吹扫系统应有防止危险介质反串的措施。
与系统的隔离
进出装置的危险物料均应在边界处设切断阀，并在装置侧装“8”字盲板，防止装置火灾或停工检修时相互影响。处理可燃、有毒介质的设备，在装置运行中需要切断进行检修清理时，应设双阀或阀加盲板。
公用工程供应
供水中断时，冷却系统应能维持正常冷却10min以上。其它象燃料、仪表用风应考虑事故供应源或事故储备量。
非常工况处理
装置开停工、事故停车极易发生火灾等事故。工艺系统不只提供正常操作程序，还应提出开、停工程序和停水、停电等情况下停车步骤，保证生产全过程都是有序的。如石化大型装置的事故预案。
3.2
仪表及自动控制设计
仪表是操作员的眼睛，自控系统是装置调节控制的中枢。
动力系统
应有事故电源和气源，以保证有较充裕的时间对事故进行处理。
仪表和控制器选型
应采用故障安全型，确保故障时生产系统趋向安全。自动停车后的仪表回路，应避免未经确认复位的情况下，自动回到正常运行状态。避免选用可能引起误判的多功能仪表。
联锁和停车系统
重要的操作环节，应设报警、联锁和紧急停车系统。(ESD)紧急停车可能给生产带来重要影响时，讯号系统应设3取2的表决系统。控制系统故障可能引起重大事故时，应设n:1甚至1：1 冗余控制系统。生产运行中，仪表及停车回路应能检测。
现场仪表
爆炸危险区内的仪表、分析仪表、控制器均选用相应防爆结构或
有害气体深度监测
散发有害气体或蒸汽的场合，应设置监测报警设施。
仪表线缆
火灾爆炸危险区内仪表线缆应采用非燃料材料型或阻燃型。
3.3
设备设计
工艺设备是实现工艺过程的主体，所有单个操作过程都通过特定设备来完成，因此，设备的可靠性对装置安全生产至关重要。设备设计的主要方面包括制造材料、机械设计、制造工艺和过程控制系统。
材料选用
应熟知工艺过程、外部环境、故障模式、材料加工性能。腐蚀是导致设备破坏和火灾的重要因素，应合理选用耐蚀材料和腐蚀裕量。
机械设计
应能满足苛刻温度压力条件下对设备产生的应力要求。特别注意容器上的动力装置产生的振动荷载和由于温度压力的周期性改变产生的交变荷载。高温高压热壁反应器的应力分折。大型往复压缩机的管道采用(API618。3.3)节规范压力脉动声学摸似计算及分折、采用故障诊断技术等。
设备制造
设计中最重要的是对设备材料质量控制程序和制造过程的质量程序作出判断，证实制造符合设计要求。设计中应注意下列安全问题。
(1)压力容器
应严格执行《压力容器安全技术监察规程》，设置容器清洗通风设施；设置防冲蚀和防静电设施；内件应防止积液；容器内应避免物流死区；立式容器支承结构应设置耐火保护。
(2)转动设备
处理易燃、有毒介质的转动设备应采用双端密封或性能更好的密封；不得使用铸铁材料与能和介质(和/或润滑剂)起反应的零配件；压缩机各级入口应有分液设施；大型泵和压缩机应设置抗振动设施。采用先进的干气密封技术、浮环密封技术。
(3)明火设备
炉膛应有空气、氮气或水蒸气吹扫口；燃气炉应设常明灯；大型明火加热设备应设置火焰监测器。
3.4
电气设计
电力是装置生产的主要动力源，连续可靠的电力供给是装置安全生产的重要保证。
(1)关键性连续生产过程，应采用双电源供电；
(2)突然停电会引发爆炸、火灾、中毒和人员伤亡的关键设备，必须设置保安电源。
(3)大功率电机启动，应核算启动电流不超过供电系统允许的峰值电流或应用软启动设施。(变频技术)。
(4)爆炸危险环境电气设备的结构、分级和分组应符合GB50058。
(5)火灾危险环境架空敷设的电缆及电缆构电缆，均应采用阻燃型。
(6)建筑和设备，应有可能的防雷接地措施；可能产生静电的设备、管道应有防止静电积聚的措施。
(7)安全设施如火灾报警、事故照明、疏散照明等应设置保安电源。
3.5
装置布置设计
装置布置包括设备、建构筑物和通道布置，确保过程顺利实施，安全间距符合规范，方便操作维修和消防作业，有利人员疏散。
设备布置
应满足工艺对设备布置的要求(如泵灌注头、设备间位差)；设备间及设备与建筑物间的防火间距应符合GB50160的规定；应避免连续引燃源(明火加热设备)和危险的释放源邻近布置；高危险设备与一般危险设备应尽量分开布置；设备应尽量采用露天或半露天布置，尽量缩小爆炸危险区域范围；除非工艺要求，设备多层布置时，应不超过三层；操作温度等于或大于介质自燃点设备上方一般不布置空冷器；对人体可能造成意外伤害的介质设备附近，应设置安全喷淋洗眼器。如甲醇装置。
建构筑物布置
可能散发火花和使用明火的建筑物(如控制室、变配电室、化验和维修间、办公楼)应布置在非爆炸危险区域，若在附加二区范围内，应高出室外地坪0.6m；装置竖向处理应有利于泄漏物和消防洒物的排放，缩短其在装置区的滞留时间。如国外控制室的防爆设施。
通道设置
装置四周应设环形通道；装置的消防通道应贯通装置区，并有不少于两个的路口与四周道路连接；装置用道路分隔的区块，应能使消防作业不出现死角；设备联合平台和框架相邻疏散通道之间不应超过50 m。
3.6
管道设计
管道设计包括管道布置、管道器材和管道机械三部分。设计不当和错误都会给安全生产带来隐患，甚至酿成灾害。
管道布置
管道连接除必要的法兰连接外，应尽量采用焊接；管道上的小口径分支管应采用加强管接头与主管连接；管桥上输送液化烃、腐蚀介质的管道应布置在下层；氧气管道应避开油品管道布置。跨越道路的危险介质管道，除净高应满足要求外，其上方不得安装阀门、法兰、波纹管；处理事故用的各种阀门，如紧急放空、事故隔离、消防蒸汽、消防竖管等，应布置在安全、明显、易于开启的地点。
管道器材
选用的管道器材，应能承受操作过程最苛刻温度压力组合时产生的作用力；管道器材的使用不应超过规范允许范围，不得使用规范不允许使用的材料；腐蚀性介质管道应慎重选用耐腐蚀材料和腐蚀裕量；不同等级管道的连接，应尽量用法兰连接，避免异种钢焊接；危险介质管道应尽量避免使用波纹膨胀节去解决管道柔性；剧毒和液化烃管道阀门，不得采用螺纹阀盖的阀门，高压阀门应选用压力密封结构或更好的密封结构。事故隔离阀采用软密封时应是防火型；管道密封(法兰温度压力等级、接管型式、密封面型式、垫片材料及结构型式、螺栓螺母材料)应合理选用；新器材的采用应有国家或和行业权威技术部门的鉴定。
管道机械
必须保证管道在设计条件下具有足够的柔性。尤其对高温、厚壁、大口径管道与敏感设备(如泵、压缩机、透平、空冷器等)连接的管道，作用在设备嘴子上的力和力矩应满足设备制造商的要求；往复式压缩机的接管除考虑柔性外，还应进行脉冲振动分析；两台或多台设备互为备用或切换操作时应考虑不同工况对应力分析、振动分析的影响；冷紧可降低操作时管道对设备固定点的作用力，但连接转动设备的管道不得冷紧；管道支承结构应可靠、合理。振动管道支架不应在厂房、设备上生根。两相流管道及其它有冲击荷载的管道其支架应考虑冲击力的影响；管道开孔应予补强。
3.7
土建设计
控制室、配电室及生产厂房的耐火等级应符合GBJ16的要求。控制室朝向危险介质设备侧应是无门窗洞口的非燃烧材料实体墙；有爆炸危险的甲、乙类厂房，应采用轻型结构，泄压面积应符合GBJ16的要求；建筑物和框架安全疏散通道应符合规范；多层建筑物布置有可燃液体设备时应有防止可燃液体漏至下层的设施；大型动力基础，考虑对厂房的影响应采取隔振措施；火灾危险区内承重钢结构和预应力钢筋混凝土结构应施行耐火保护，且耐火极限不应小于1.5h；**设防地区，建筑物设计还应符合抗震规范要求；低温冷储罐基础与土壤接触时应有防止0℃温度线穿过土层的措施。
3.8
供排水设计
污水系统生产装置特别易引发火灾。全厂性生产污水不得穿越工艺装置界区；装置设备区内生产污水的可燃液体分离池，必须设非燃材料盖板；甲、乙类装置生产污水下水井盖应密封。
3.9
通风设计
散发有害气体或蒸汽的厂房，应有通风设施，换气次数应满足TJ36车间空气中有害物质最高容许深度要求；机械通风的取风口应确保送出空气中有害气体或粉尘不得超过车间空气中有害物质最高容许深度值的30%；可能突然产生大量有害气体或蒸汽的厂房应设事故通风系统。
3.10
消防设计
装置消防设计的主要是一些固定设施，但装置四周道路和消防通道及路边消防栓，将为消防车辆进出和取水提供便利；装置消防水管道应环状布置，进水管不应少于两条，环状管道还应用阀门分成若干**管道段。装置高大设备群应设高压水炮保护。甲、乙类设备框架平台高于15cm时，要设消防给水竖管。着火后不能及时得到冷却保护会造成重大事故的设备应设水喷淋或水喷雾系统。可燃液体泵房和甲类气体压缩机房，其容积小于500立方米时，应设固定式筛孔管蒸汽灭火设施。加热炉炉膛及带堵头的回弯头箱，应设固定式蒸汽灭火设施。操作温度等于或大于介质自燃点的设备接管法兰要设环状蒸汽筛孔管保护。装置生产区内应配置干粉型或泡沫型灭火器，控制室应配置气体灭火器。甲、乙类装置区四周应设置火灾报警按钮。感温、感烟、火焰等报警信号盘设置在控制室内，控制室还应设火灾报警专用电话；装置控制室与其它建筑物合建时，应设单独的防火分区，并设火灾自动报警系统。