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物品，且儲存量大于臨界量，故某企業(yè)儲存環(huán)戊烷的貯罐站是可燃液體貯罐重大危險源。作者主要針對該站的工藝流程、系統(tǒng)組成及系統(tǒng)功能的特點，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)對系統(tǒng)或設(shè)備影響的嚴(yán)重程度，確定故障模式的危險等級，計算出故障導(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）是一種無色透明的液體，易燃，氣態(tài)時比重大于空氣，液態(tài)時比水輕，閃點為-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)戊烷儲存量為52.5t，超過規(guī)定的臨界量20t，該貯罐站屬于可燃液體貯罐重大危險源。1996年以來，該站多次發(fā)生因貯罐內(nèi)氮氣壓力過低或過高和液位超過80%而報警停機，造成生產(chǎn)停頓檢修，引起工作人員的恐慌。然而，一旦報警系統(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)測桶內(nèi)液位的高低確定報警點。輸送系統(tǒng)主要由手控球閥、進料閥、進料管、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。手動背壓閥為防止開泵時將環(huán)戊烷輸入另一罐，一般要求兩個罐的背壓閥必須一個開一個關(guān)（包括停機狀態(tài)）。充氮系統(tǒng)主要由氮氣瓶、氮氣閥、減壓器、壓力表、氮壓開關(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、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，常用來分析機械電氣系統(tǒng)、生產(chǎn)局部工藝過程的可靠性和安全性。分析時按工藝流程、系統(tǒng)組成及功能將系統(tǒng)進行分割，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分析該貯罐站的安全更符合貯罐站系統(tǒng)的特點，更能全面系統(tǒng)地辨識出該站的危險源。根據(jù)故障模式對系統(tǒng)或子系統(tǒng)影響的嚴(yán)重程度不同而定性分級為致命的、嚴(yán)重的、臨界的、可忽略的四個危險等級。

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

（1）環(huán)戊烷罐體

存在的主要故障有：液位過低；儲量超過儲罐容積的80%；結(jié)構(gòu)損壞。

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

造成的影響分別有：液位報警停機；高液位報警停機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荷；密封不良；料中有雜質(zhì)，軸承燒死，電機過載，電機漏電，電線損壞。

造成的影響分別有：壓力急劇升高，電機超負荷燒壞；環(huán)戊烷泄漏報警停產(chǎn)；燒電機，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；接口加強密封圈；加裝過濾器，定期給軸承加油，入料過濾器檢查、進料質(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；誤開備用儲罐閥門。

故障的原因分別為：雜物阻礙或構(gòu)件缺陷；人為打開，誤動作或不知。

造成的影響有：關(guān)不住環(huán)戊烷，使回流超高報警或分流。

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

（4）小結(jié)

對系統(tǒng)影響程度最大的故障模式為：罐體環(huán)戊烷儲量超過儲罐容積的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，重點防范此類故障的發(fā)生。

環(huán)戊烷儲罐能量計算及傷害后果評估

（1）環(huán)戊烷儲罐爆炸能量的計算

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)戊烷儲罐站的環(huán)戊烷儲存量：q=35m3×750kg/m3×2=52.5×103kg（單個儲罐體積35m3，該狀態(tài)下密度750kg/m3，共2個儲罐）

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

（2）環(huán)戊烷儲罐燃燒能量的計算

當(dāng)環(huán)戊烷儲罐破裂時，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℃時的密度為750kg/m3，則儲罐內(nèi)環(huán)戊烷完全燃燒生成的氣體在t℃時體積為

t取環(huán)戊烷引燃溫度361℃，則計算得V=2.47×103m3。設(shè)這些氣體以半球形向地面擴散，高溫燃氣的擴散半徑為

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

結(jié)論

（1）由于該系統(tǒng)中閥門、儀表、控制器和管路等部件多，運行中容易導(dǎo)致各種故障。需要提供系統(tǒng)良好的運行環(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）對系統(tǒng)影響程度最大的故障模式為：罐體環(huán)戊烷儲量超過儲罐容積的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)對該類行業(yè)的企業(yè)員工進行專業(yè)性的安全教育和培訓(xùn)，提高其安全操作技能，防止發(fā)生誤操作和誤動作。

■責(zé)任編輯 鐘金花