某環(huán)戊烷貯罐站的故障模式和影響分析

文/ 張景飛 鄭州大學(xué)工程力學(xué)系

謝雄剛 湖南工學(xué)院安全與環(huán)境工程系

陳 娜 鄭州大學(xué)工程力學(xué)系

某環(huán)戊烷貯罐站的故障模式和影響分析

文/ 張景飛 鄭州大學(xué)工程力學(xué)系

謝雄剛 湖南工學(xué)院安全與環(huán)境工程系

陳 娜 鄭州大學(xué)工程力學(xué)系

因環(huán)戊烷是易燃易爆危險(xiǎn)物品，且儲(chǔ)存量大于臨界量，故某企業(yè)儲(chǔ)存環(huán)戊烷的貯罐站是可燃液體貯罐重大危險(xiǎn)源。作者主要針對(duì)該站的工藝流程、系統(tǒng)組成及系統(tǒng)功能的特點(diǎn)，應(yīng)用故障模式和影響分析方法，找出了該站中各主要子系統(tǒng)及部件可能發(fā)生的故障模式及故障原因。根據(jù)對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備影響的嚴(yán)重程度，確定故障模式的危險(xiǎn)等級(jí)，計(jì)算出故障導(dǎo)致環(huán)戊烷燃燒爆炸事故的能量及傷害后果，為制定有效的安全技術(shù)措施和管理制度，防止同類事故發(fā)生提供科學(xué)依據(jù)。

環(huán)戊烷（C5H10）是一種無(wú)色透明的液體，易燃，氣態(tài)時(shí)比重大于空氣，液態(tài)時(shí)比水輕，閃點(diǎn)為-25℃，其蒸汽與空氣混合物形成爆炸性氣體。

某企業(yè)環(huán)戊烷貯罐站的環(huán)戊烷儲(chǔ)存量為52.5t，超過(guò)規(guī)定的臨界量20t，該貯罐站屬于可燃液體貯罐重大危險(xiǎn)源。1996年以來(lái)，該站多次發(fā)生因貯罐內(nèi)氮?dú)鈮毫^(guò)低或過(guò)高和液位超過(guò)80%而報(bào)警停機(jī)，造成生產(chǎn)停頓檢修，引起工作人員的恐慌。然而，一旦報(bào)警系統(tǒng)失效，罐內(nèi)壓力將繼續(xù)升高，罐體將破裂，導(dǎo)致環(huán)戊烷泄漏而引起燃燒爆炸事故。因此，該貯罐站的安全問(wèn)題至關(guān)重要，應(yīng)引起足夠的警惕，并采取相應(yīng)的安全措施加以預(yù)防和控制。

環(huán)戊烷貯罐站基本情況

該環(huán)戊烷貯罐站主要由罐體、輸送系統(tǒng)、充氮系統(tǒng)、安全系統(tǒng)組成。其中，貯罐為臥式地下罐，罐體池坑為混凝土結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了防水處理，罐體四周用中性砂充填，有坑底抽水裝置。內(nèi)、外罐體有20毫米的間隔，充滿乙二醇和水的混合物，連接到控制室內(nèi)液位桶以監(jiān)測(cè)貯罐的泄漏情況。液位桶內(nèi)有電極，利用混合液的導(dǎo)電性，監(jiān)測(cè)桶內(nèi)液位的高低確定報(bào)警點(diǎn)。輸送系統(tǒng)主要由手控球閥、進(jìn)料閥、進(jìn)料管、止回閥、輸送泵、背壓閥和輸出控制球閥等部件組成。背壓閥與輸送泵出口端相通，用以調(diào)整輸出環(huán)戊烷液體的壓力。輸送泵輸送液體。手動(dòng)背壓閥為防止開(kāi)泵時(shí)將環(huán)戊烷輸入另一罐，一般要求兩個(gè)罐的背壓閥必須一個(gè)開(kāi)一個(gè)關(guān)（包括停機(jī)狀態(tài)）。充氮系統(tǒng)主要由氮?dú)馄?、氮?dú)忾y、減壓器、壓力表、氮壓開(kāi)關(guān)、泄壓閥和飽和器等部件組成。安全系統(tǒng)主要由排污泵、液位計(jì)、直排閥、液位電傳感器、環(huán)戊烷探頭、防火閥、壓縮空氣裝置、檢漏桶和壓力控制器等部件組成。各元部件在系統(tǒng)中的具體功能不再贅述。

環(huán)戊烷貯罐站故障模式和影響分析

故障模式和影響分析是一種演繹推理的系統(tǒng)安全分析方法，常用來(lái)分析機(jī)械電氣系統(tǒng)、生產(chǎn)局部工藝過(guò)程的可靠性和安全性。分析時(shí)按工藝流程、系統(tǒng)組成及功能將系統(tǒng)進(jìn)行分割，然后分析各自可能發(fā)生的故障模式及其產(chǎn)生的影響。選用故障模式和影響分析方法來(lái)分析該貯罐站的安全更符合貯罐站系統(tǒng)的特點(diǎn)，更能全面系統(tǒng)地辨識(shí)出該站的危險(xiǎn)源。根據(jù)故障模式對(duì)系統(tǒng)或子系統(tǒng)影響的嚴(yán)重程度不同而定性分級(jí)為致命的、嚴(yán)重的、臨界的、可忽略的四個(gè)危險(xiǎn)等級(jí)。

現(xiàn)以罐體和輸送系統(tǒng)為例進(jìn)行分析，限于篇幅所限，本次故障模式和影響分析內(nèi)容未詳細(xì)列表，僅對(duì)危險(xiǎn)等級(jí)為致命的、嚴(yán)重的故障進(jìn)行分析。

（1）環(huán)戊烷罐體

存在的主要故障有：液位過(guò)低；儲(chǔ)量超過(guò)儲(chǔ)罐容積的80%；結(jié)構(gòu)損壞。

故障的原因分別為：未及時(shí)加料；裝入過(guò)多，輸出控制球閥未關(guān)、從另一罐內(nèi)回流；安裝時(shí)殘余應(yīng)力或缺陷。

造成的影響分別有：液位報(bào)警停機(jī)；高液位報(bào)警停機(jī)溫度變化使壓力升高，破壞罐體；環(huán)戊烷泄漏（液體或氣體）。

可采取的安全措施分別有：規(guī)定環(huán)戊烷貯存量；嚴(yán)格計(jì)算裝載量，輸出控制球閥加鎖；經(jīng)常檢查檢漏桶液位變化。

（2）輸送泵

存在的主要故障有：超壓運(yùn)行；從各接口處漏環(huán)戊烷；泵卡死。

故障的原因分別為：輸出控制球閥關(guān)閉，背壓閥調(diào)太小使阻力增大超負(fù)荷；密封不良；料中有雜質(zhì)，軸承燒死，電機(jī)過(guò)載，電機(jī)漏電，電線損壞。

造成的影響分別有：壓力急劇升高，電機(jī)超負(fù)荷燒壞；環(huán)戊烷泄漏報(bào)警停產(chǎn)；燒電機(jī)，跳閘斷電。

可采取的安全措施分別有：輸出控制球閥上加鎖防誤操作；接口加強(qiáng)密封圈；加裝過(guò)濾器，定期給軸承加油，入料過(guò)濾器檢查、進(jìn)料質(zhì)量檢查。

（3）輸出球閥

存在的主要故障有：結(jié)構(gòu)損壞，不能關(guān)閉；誤開(kāi)備用儲(chǔ)罐閥門(mén)。

故障的原因分別為：雜物阻礙或構(gòu)件缺陷；人為打開(kāi)，誤動(dòng)作或不知。

造成的影響有：關(guān)不住環(huán)戊烷，使回流超高報(bào)警或分流。

可采取的安全措施分別有：每天檢查另一罐液位、超高液位報(bào)警功能是否完好；加鎖，安全教育。

（4）小結(jié)

對(duì)系統(tǒng)影響程度最大的故障模式為：罐體環(huán)戊烷儲(chǔ)量超過(guò)儲(chǔ)罐容積的80%，以及輸出控制球閥結(jié)構(gòu)損壞不能關(guān)閉等故障，企業(yè)應(yīng)該制定相應(yīng)的預(yù)防和控制措施，重點(diǎn)防范此類故障的發(fā)生。

環(huán)戊烷儲(chǔ)罐能量計(jì)算及傷害后果評(píng)估

（1）環(huán)戊烷儲(chǔ)罐爆炸能量的計(jì)算

1 kgTNT爆炸所放出的平均爆破能量為：QTNT=4500kJ/kg

環(huán)戊烷熱值：Q1=3293kJ/mol =47043kJ/kg

1kg環(huán)戊烷燃燒值：Q1/QTNT=10.45

該環(huán)戊烷儲(chǔ)罐站的環(huán)戊烷儲(chǔ)存量：q=35m3×750kg/m3×2=52.5×103kg（單個(gè)儲(chǔ)罐體積35m3，該狀態(tài)下密度750kg/m3，共2個(gè)儲(chǔ)罐）

環(huán)戊烷儲(chǔ)罐爆炸的T N T當(dāng)量WTNT=5 2.5×1 03kg×10.45=549×103kg。

（2）環(huán)戊烷儲(chǔ)罐燃燒能量的計(jì)算

當(dāng)環(huán)戊烷儲(chǔ)罐破裂時(shí)，一部分液體環(huán)戊烷被蒸發(fā)成氣體，并發(fā)生燃燒爆炸；另一部分以霧狀的液滴散落在空氣中。若燃燒完全，按燃燒化學(xué)反應(yīng)式2C5H10+15O2=10CO2+10H2O，每千克環(huán)戊烷完全燃燒所需氧氣量為3.43kg，需要空氣量為3.43/0.21=16.3kg，該站環(huán)戊烷完全燃燒需要空氣量為52.5×103×16.3kg =855.75×103kg，環(huán)戊烷在20℃時(shí)的密度為750kg/m3，則儲(chǔ)罐內(nèi)環(huán)戊烷完全燃燒生成的氣體在t℃時(shí)體積為

t取環(huán)戊烷引燃溫度361℃，則計(jì)算得V=2.47×103m3。設(shè)這些氣體以半球形向地面擴(kuò)散，高溫燃?xì)獾臄U(kuò)散半徑為

計(jì)算得R=10.6m，在此范圍的人員和設(shè)備會(huì)受到嚴(yán)重?zé)彷椛洹?/p>

結(jié)論

（1）由于該系統(tǒng)中閥門(mén)、儀表、控制器和管路等部件多，運(yùn)行中容易導(dǎo)致各種故障。需要提供系統(tǒng)良好的運(yùn)行環(huán)境和工作參數(shù)，提高設(shè)備部件使用壽命和可靠性。

（2）能夠?qū)е颅h(huán)戊烷泄露的部件及故障模式很多，系統(tǒng)很容易發(fā)生環(huán)戊烷燃燒爆炸事故。應(yīng)該建立嚴(yán)格的設(shè)備檢修制度，及時(shí)更換有安全隱患的設(shè)備，避免發(fā)生環(huán)戊烷燃燒爆炸事故。

（3）對(duì)系統(tǒng)影響程度最大的故障模式為：罐體環(huán)戊烷儲(chǔ)量超過(guò)儲(chǔ)罐容積的80%和輸出控制球閥結(jié)構(gòu)損壞不能關(guān)閉。應(yīng)該立即制定預(yù)防措施，防止此類故障的發(fā)生。

（4）應(yīng)對(duì)該類行業(yè)的企業(yè)員工進(jìn)行專業(yè)性的安全教育和培訓(xùn)，提高其安全操作技能，防止發(fā)生誤操作和誤動(dòng)作。

■責(zé)任編輯 鐘金花