小型LNG气化站的过程安全和事故过程安全

小型LNG气化站的过程安全和事故过程安全郭宗华;程玉排;田红梅【摘要】探讨小型LNG气化站工程建设中的质量问题、建成投产后的管理问题,以及生产过程中多发事故的原因及事故场景依据美国化工过程安全中心(CCPS)的理论，提出基于风险的过程安全的若干建议，提出基于风险演化的事故过程安全的概念及建议.【期刊名称】《煤气与热力》【年(卷)，期】2018(038)001【总页数】6页(P70-75)【关键词】小型LNG气化站;风险;过程安全;风险演化;事故过程安全【作者】郭宗华;程玉排;田红梅【作者单位】陕西省燃气设计院有限公司，陕西西安710043;陕西省燃气设计院有限公司，陕西西安710043;陕西省燃气设计院有限公司，陕西西安710043【正文语种】中文【中图分类】TU996.91小型LNG气化站引出的安全问题1.1现实、标准与安全在环保政策的压力和补贴政策的扶持下，小型LNG气化站(以下简称小型站)在全国各地迅速发展，这些小型站的建设一般利用原有燃煤锅炉堆煤场地，用地面积小，工程设计与现行标准要求的安全距离有差距，消防设施相对简单。另一个不争的现实是部分业主在采购材料或选择施工单位时一味看重价格，或多或少为工程质量留下隐患，这是工程建设中的问题。管理制度缺失和专业技能人才匮乏，是部分小型站投运后的主要问题。这些现象至今没有引起足够的重视，行业中只是寄希望于一部适合小型站的标准，而未思考有了标准后的安全管理问题。一部适时适合的标准有利于行业健康发展，目前有关部门、社会团体根据场地情况和小型站设施的特点已出台了团体标准(T/BSTAUM001-2017《小型液化天然气气化站技术规程》)或正在制订标准。标准是多年来生命伤亡、财产损失、环境损失等惨痛教训的总结，标准一般规定一些重大事项，也总有涉及不到之处，一些问题也不是标准能界定的事情，特别是我国的标准不涉及人的行为等安全管理事项。在关注标准的同时，我们有必要探讨小型站的安全管理问题。1.2关注安全就是关注风险关注安全，我们首先要了解什么是安全，如何给安全一个合适的定义，我们习惯理解为〃安全就是不发生人员伤害事故，不发生财产损失事故”。美国安全工程师学会(ASSE)将安全定义为〃安全意味着可以容忍的风险程度”[1]。比较两者，我们是将安全与风险视作截然不同、相互对立的两种事物，美国则认为两者是紧密关联、对立统一的事物，任何事物都包含着不安全因素，安全是通过危险性和允许接受的限度相比较而确定。简言之，关注风险就是关注安全，研究安全必须首先研究风险。关注风险，除关注初始事件外，更重要的是研究它的演变过程和演变机理。1.3基于风险的过程安全管理简介近年来美国化学工程师协会(AIChE)下属的美国化工过程安全中心(CCPS)提出了以风险为基础的过程安全框架理论，即〃基于风险的过程安全(RBPS)”[2],这一理论受到世界各国的普遍认可。理论的基础是人们在从事危险性物质的生产经营活动中，应首先融入风险的理念，通过辨识风险、管理风险、控制风险来实现生产经营过程中的安全，RBPS理论更多强调的是通过人力物力的有效投放，促进工厂的安全绩效。RBPS系统要素的一个特征是关注〃过程”而非〃产品”，所谓〃过程”即生产活动经过的程序，只要每一程序正确，产品必然完美。或者说每一过程安全，装置才能安全。过程安全重在生产活动中建立一个完善的〃安全生产管理体系”，在企业内部建立一种人人了解风险并懂得如何处理风险的〃过程安全文化”，这一点正是小型站管理所欠缺的。1.4本文的关注点小型站的工艺流程简单，大事故少，常见的是一些小事故，故本文主要讨论常见小事故的引发原因及事故场景，以及分析这些小事故如何演变为大事故，从中吸取的教训是什么？文中提出了基于风险的过程安全以及基于风险演化的事故过程安全方面的若干建议。2小型LNG气化站的危险性2.1研究小型站危险性的思路对小型站这一流体处理工程设施，装置与物料的关系可视为包容物与被包容物的关系，包容物就是工艺流程上关联的所有设施，被包容物就是流体即天然气和液化天然气。研究这个系统的危险性可简单归纳为，包容物损坏引起危险性物质溢出。包容物损坏的原因有两种：一种是包容物本身（即装置本体）缺陷所致，如加工工艺、施工质量、操作维修等原因；另一种是系统施加于被包容物的能量超出边界条件所致，如静压能太大，系统压力超过设计压力造成包容物（储罐或管道组成件）的机械损伤直至强度失效而破裂。对小型站来说，静压能大的原因是外界热量的输入、增压时带进热量等，这些热量致使液体密度减小，温度升高，蒸发气（BOG）量增大，热能转换为静压能。综上所述，研究系统的危险性就是研究引发包容物本体损坏和被包容物能量超出边界条件的事件。LNG泄漏后的危险性2.2.1低温深冷特性关于小型站的危险性，人们对天然气的易燃易爆特性有充分的认识，但对其低温深冷特性的危害认识不足。LNG温度一般为-162~-145°C。发生泄漏后，LNG如喷溅到LNG储罐外罐或碳钢管道上，会产生冷脆裂纹，导致储罐真空失效、内罐超压，或管道发生泄漏；喷溅到奥氏体不锈钢管道上会产生冷收缩，可能会拉裂管道连接处（如焊缝、法兰），造成泄漏；泄漏的低温液体或低温蒸气云团会使人体产生冻伤、窒息，使抢险人员不能靠近，增加了抢险施救难度，延误抢险时间。LNG泄漏后的特征喷溅射流。LNG初始泄漏多呈喷溅射流形式，喷射过程中吸热产生雾化，形成带状雾化云团。2014年9月7日，北京市昌平区一辆LNG槽车被货车追尾发生泄漏，其泄漏初期的蒸气云见图1。图12014年9月7日北京市昌平区一辆LNG槽车泄漏事故蒸气云扩散。泄漏初期LNG与周围环境换热很快，但是随着泄漏量的增加，周边环境温度降低，同时由于储罐压力下降，其喷射距离越来越小，可能以雾状夹杂液滴或液流形式泄漏，泄漏点周围形成重气云团，犹如白茫茫的浓雾，致使泄漏点周围能见度极差。泄漏量大时，如在防火堤内泄漏，在集液池或防火堤内形成液池;如在防火堤外泄漏，则在低凹地带形成液池。喷射火灾、蒸气云火灾和池火。因高速喷射，泄漏处可能不断累积静电电荷，产生静电火花，静电火花或其他火源可能点燃带状雾化云团，形成喷射火焰，漂浮在空中的蒸气云遇点火源会发生火灾或爆炸，液流形成的液池如遇点火源产生池火。LNG泄漏后的特征提醒我们注意：a.储罐泄漏初期，喷射距离可能超出防火堤，在总图布置时储罐管口集中处，尽量远离锅炉房和办公室门窗；b.喷射火焰难以用小型灭火器扑灭；c.泄漏事故发生后，风险大小的分水岭在一定程度上取决于点火源的控制。2.2.3低温伤害事故案例2011年1月，成都市昭觉寺LNG加气站发生一起液氮泄漏事故，造成2人死亡，3人受伤。2013年12月，陕西榆林市上盐湾LNG加气站同样发生一起液氮泄漏事故，造成4人死亡，3人受伤。两起事故均与LNG无关，都是在预冷完毕后从储罐中急于排出液氮，打开阀门使液氮排在防火堤内。两站均为坑式防火堤，通风不畅使液氮气化难以扩散，操作人员未意识到氮气的危险性，窒息、冻伤等原因致使伤亡。两个事故案例充分说明了低温深冷介质的危险性。2.3可能引发小型站事故的原因装置的不安全状态笔者分析了一些石油化工行业的低温装置以及近年来我国LNG装置的事故原因，认为小型站的多发事故是穿孔、裂纹、裂缝、密封失效等。多发部位是法兰、焊缝、阀门、装卸软管、泵前后连接软管、管子等。其原因是管道锈蚀、焊接质量不高引起的穿孔和裂纹、裂缝，法兰垫片损坏或螺栓松动引起的密封失效，管道组成件因材质、加工引起的裂纹或开裂，软管的疲劳失效，安全阀因弹簧质量拒动或者误动以及因冰堵引起的不能回座等。卸车操作是小型LNG气化站发生事故概率最大的作业过程，其原因主要是软管容易疲劳失效以及连接处长期磨损造成的密封失效。这也是不能使用槽车直接气化的原因之一，不能使用槽车直接气化的原因之二是发生泄漏后无防火堤（集液池）围堵和收集。工程设计中应考虑到卸车过程中可能发生的泄漏事故，卸车处有条件时应设置导液及收集设施。人的不安全行为因操作人员误读液位仪表而发生超装，液位超限导致储罐气相空间变小，压力迅速升高，安全阀可能喷出液体；卸车时不断给槽车增压忘记打开储罐进液阀，致使槽车安全阀动作；卸车软管接头未与槽车可靠连接而发生泄漏；卸车时擅离职守，发生事故时未能及时处理致使事故扩大化；预冷时流速太快，骤冷对储罐、管道造成局部温度过低，使其收缩不均匀，产生裂纹。前述装置的多发事故也可归结为是人的行为造成，因为任何事故必定有一个积累和发展的过程，如果人的行为得当则事故可以避免，比如坚持定时巡检，及时发现事故隐患，及时维修处理。环境的不安全因素雷电击中储罐或正在卸车的槽车，恰遇管道组成件或槽车软管连接处微量泄漏，点燃后酿成大事故；安全阀或放散阀内漏，雷电击中放散管引起放散管管口火灾；立式储罐、空温式气化器固定不可靠，台风吹倒或倾斜后拉裂管口发生泄漏；地震引起的储罐倾覆、管道断裂泄漏等。3基于风险的过程安全3.1工程设计中的控制措施基于风险的过程安全体系是从系统组成开始就要融入风险思想。工程设计是系统安全的基础，是系统本质化安全的重要一环。设计前要进行过程危险性分析，主动地、前瞻性地预测风险，利用设计手段，从工艺流程的搭建、介质能量的约束以及释放后的控制等方面消除或降低系统的风险。小型站的工艺流程虽然简单，但下面几个关键的安全措施应该考虑。①紧急切断系统（ESD）的重要性紧急切断系统是确保系统能量不超过边界条件或者对已经发生的释放事故进行快速处理的一种安全系统。它的功能是自动切断动设备，使系统能量减小，自动关闭储罐（或槽车）根部阀，使物料保留在储罐（或槽车）内，国内夕卜危化品装置标准均要求装设。紧急切断系统装设的注意事项：紧急切断阀的安装位置离储罐越近越好，有些小型站中安装的位置太远，降低了储罐的安全性。切断时的动作程序应是先动设备再静设备，并按工艺流程中的介质流向顺序切断。有些设计切断顺序错乱，如在卸车时低温泵未停车即关闭储罐进液阀，导致泵出口安全阀超压喷射。紧急切断系统手动控制按钮应远离保护对象。现行国家标准GB50156—2012《汽车加油加气站设计与施工规范》(2014年版)第11.5.3条值得商榷，如第1款规定了紧急切断系统的启动开关距加气站卸车点5m以内，并没有规定与被保护设备的距离。此款规定是考虑了正常情况下操作的方便性，但没有考虑事故状态下的低温伤害和能见度太差的问题。美国标准NFPA59A-2013《液化天然气(LNG)生产、储存和装运》第12.3.7条规定，紧急切断系统的手动控制按钮应位于事故时能到达的区域，并应距离被保护设备15m的地方。紧急切断阀可以自动动作，也可人工操作，但不管哪一种动作后的恢复，应人工恢复。一个无紧急切断阀的事故案例：2011年2月8日晚，徐州市某L-CNG加气站，低温柱塞泵前发生泄漏产生火灾，因储罐未设置紧急切断阀而不能远距离关断造成大量泄漏，大火烧毁储罐，事故持续逾20h，火灾烧毁储罐情况见图2。图2徐州某L-CNG加气站火灾烧毁储罐设置联锁装置，防止误操作操作程序中应设置联锁装置，防止误操作。例如，储罐液位超高或超低时停止卸车或出液；压力达到设定值时停止向储罐或槽车增压；气化器出口温度过低时应停止供气或对天然气进行二次加热；调压器出口压力过大时停止供气；预冷温度未达到设定值，不能给储罐和管道进液等。安全监控系统的重要性安全监控系统分为释放后的警示设施和防止非法入侵系统两部分。前者包括可燃气体报警器、低温探测器、火灾探测器、安全摄像系统等，其作用是弥补人工不到位、不及时缺陷；后者的作用是防止未经授权人员的擅自闯入以及其他非法活动。3.2小型站的材料选择和施工控制小型站最常见的事故是由管件缺陷引起，管件因量少、规格零散造成采购不能批量化，不同厂家之间存在材料成分的差异，有些管件其延展性和冲击韧性不符合国家标准，局部塑性变形厚度减薄，长期与低温介质接触脆性增大。管材与管件热胀冷缩不同步，造成连接处拉裂。管道施工中焊缝出现气孔、夹渣、未焊透等现象，造成焊缝强度不合格，从而在服役过程中受力产生裂缝。3.3日常运行中的过程安全管理基于风险的过程安全重在〃过程”，即在日常运行操作的每一过程中有效管理风险和控制风险。管理者和操作者要对系统的每一组件如设备、管道组成件及物料的危险性充分认识，要对工艺流程上关键点的每一参数变化预示着何种风险充分了解，要对操作者可能的每一不正确行为的后果充分预料，要对环境变化（如雷电、台风、地震等）引起的不安全因素充分预见，并针对上述每一危险事件（包括演化后果）提出相应对策。在过程安全体系中，人的因素第一，管理人员和操作人员不仅要意识到风险并对相应对策心中有数，更重要的是应对绩效，即操作人员都应有一定的专业素养和操作技能。基于风险的过程安全管理要落实到日常运行中，首先要有一套科学的、合理的、完善的安全管理制度、操作规程以及抢险预案，依据制度约束人的行为，规范人的行为。过程安全管理重在过程中的细节，依据RBPS观点，笔者认为日常运行中最基本的3点应做到：定时巡检作好记录。任何事故的发生都是有先兆的，日常定时巡检是发现问题的时机。荷兰和国际标准化组织（ISO）在其LNG操作标准中要求安全巡查并记录，对巡查的设施名称、检查部位、检查项目、检查方法、检查周期、异常处理等事项―明确并填表记录，如装置的机械完整性、安全仪表的参数值、维修设施的维修记录等。定时检测。定时检测也是安全运行的重要手段，如储罐、管道的真空度测量；压力容器、压力管道的定期检验；安全阀和压力表的校验；防雷、防静电接地装置接地电阻的测量。作业前的检查和作业中的刚性约束。危险装置作业前检查确认是工业发达国家的通常做法，国际标准化组织(ISO)在ISO/DTS18683《船舶燃料LNG供应系统及设施指南》中要求，在卸料和加注作业前必须进行检查确认，如卸车前操作人员资格的合法性确认、标的物的性能指标和质量确认、卸车设施的机械完整性确认、阀门状态确认，以及卸车设施的连接确认(如接头是否可靠连接，静电接地线是否可靠连接等)。荷兰危化品安全标准PGS33-1《液化天然气(LNG)车辆加注及输配装置规范》关于卸车作业有两点规定值得深思：一是在卸车前操作程序确认，操作人员叙述操作程序，确认人员认为正确无误后发布操作命令。二是〃失职按钮”的设置。此按钮是为防止操作人员擅离职守而设，卸车过程中操作人员必须每3min激活1次，不激活即刻停止卸车。危化品的装卸车过程是事故多发和易发生最严重事故的过程，操作前的程序确认和防止失职的硬件刚性约束是避免操作人员发生重大失误的有效措施。4基于风险演化的事故过程安全4.1事故过程安全的目标是防止风险演化危化装置常见泄漏事故的演变过程是液体蒸发为气体，气体随风扩散，遇点火源发生火灾或爆炸。因此在事故抢险过程中，任何时候都要有一个清醒认识：蒸气云扩散范围越来越大，发生火灾或爆炸的可能性也越来越大。灾难性后果的发生是分秒之间的事情，这是危险化学品发生泄漏后的共性问题。但人们似乎对这个常识性问题认识不足，甚至有的抢险人员对自身的安全毫无思想准备，对风险演化的后果更是始料不及。笔者在此提出〃基于风险演化的事故过程安全”的概念，有感于我国发生的两起事故。一起事故（简称西安事故）是1998年3月5日，西安液化石油气储配站一台400m3LPG球罐根部阀与储罐连接法兰处泄漏产生爆炸，造成13人（消防战士7人，职工6人）死亡，35人烧伤的重大事故，伤亡人员都是当时围在罐区周围的抢险人员，从发生泄漏到爆炸历时逾2h。其事故火源的说法有两种：一种是两台消防车辆未熄火停在事故点下风向的50m处；另一种是长时间泄漏，液体或气体沿电缆沟窜入配电室。另一起事故是2013年11月22日，中石化东黄石油管道泄漏，造成62人死亡，156人受伤，从发现泄漏到爆炸历时8h。其事故火源认为是抢险时采用液压破碎锤进行打孔破碎作业时，产生撞击火花而发生爆炸。两起事故的教训是：①在事故发生后都曾实施了长时间的抢险，但均未奏效，说明了应对策略存在问题；②西安事故疏散了周边群众，而中石化事故未疏散管道沿途群众，故中石化事故造成群众伤亡多；③两起事故均抢险人员伤亡多，且不论之前的处置方案是否妥当，仅从抢险人员连自身安全都不能保证这一点去思考，身处风险之中却对风险的演化反应迟钝，控制点火源却未曾想到抢险工具也会成为点火源。发生任何险情，生命第一是安全底线，这是人类共识。救人者必须先自救，抢险者自身先要安全。根据灾情疏散站内无关人员，根据灾情及演变情况，果断疏散站外周边人员，在保障生命安全方面，宁可反应过度，切勿心存侥幸。处理泄漏事故首要任务是堵漏，堵漏要视裂缝大小、泄漏部位、施救能力等实际情况灵活掌握，同时在施救过程中防止点火源产生。4.2水在小型站事故处置中的作用水的作用应正确认识。水不能扑灭LNG火灾，水有可能加速LNG气化，这些观点虽有道理但带有一定的片面性。现行团体标准T/BSTAUM001—2017《小型液化天然气气化站技术规程》对消防给水系统的设置要求适当宽松，如第6.2.1条规定二级以下（含二级）可不设，第6.2.2条规定要求设置消防给水系统的二级以上站也可利用社会消防水源。标准的宽松是基于小型站的装置特点、周边环境特点和社会消防力量是可借用资源的事实，从业者不能据此得出水对LNG事故可有可无的结论。水的作用是泄漏但未着火时，可以用雾状水枪驱赶，使之朝较为安全的方向扩散；用雾化水喷洒，加速气化以利扩散；用水稀释甲烷在空气中的浓度，防止蒸气云扩散爆炸；利用水的温度防止冻坏设备和混凝土基础；用水喷向泄漏口可以导走静电；用水给着火储罐或相邻储罐喷淋，喷淋的水帘隔绝火焰，水流带走热量降低热辐射强度，使传导到内罐的热量尽量少。2012年9月，某小型LNG工厂，一辆槽车装车后准备出发时，槽车液相根部紧急切断阀突然打开，因低温深冷原因人员无法接近，一整车LNG全部泄漏。事故未引起火灾和人员伤亡。笔者曾观看过抢险过程录像，并与该厂有关人员进行