第三讲 化工过程安全技术的应用与发展(下)

四、本专业学科发展方向及国际发展趋势

　　化工过程本质安全

　　1977年英国化工安全专家科雷兹(T.A.Kletz)向英国化工协会提交的报告中，第一次提出了“本质安全”的概念，并提出了化工生产过程本质安全设计的基本原理。其核心思想是从根源上消除或减小危险，而不是依靠附加的安全防护装置或措施控制危险。

　　本质安全设计和评价是实现化工过程安全“源头治本”的关键。从广度和深度来讲，其不仅仅是在模型中引入危险评价目标，更重要的是将学科的基础深入到分子层次，并延伸到了生态层次的变化和发展，涵盖了从分子→聚集体→界面→单元过程→多元过程→工厂→工业园直至人们赖以生存的自然生态环境的全过程。

　　20世纪90年代，作为实现可持续和生态工业的关键技术，本质安全理论和应用研究进入活跃期，受到了安全科学界的高度重视，也日益被工业界所重视。一些发达国家如美国、英国等出台相关法规，强制某些行业、设备、工艺设计中必须使用本质安全设计原理和方法。这些方法包括本质安全指数法(ISI)、i-Safe 指数法、I2SI指数法、INSET ISHE 性能指数法及EHS 方法等。但在本质安全的评价方面，目前采用的还主要是定性或半定量方法，使得经验成分多，对系统危险性的描述缺乏深度定量化。

　　化学反应安全

　　随着石油化工生产规模越来越大，许多高放热量的反应如硝化、磺化、氧化、氯化、聚合等生产装置规模也越来越大。重大灾害性化学事故频繁发生，导致的后果也日益严重，为此，国际上已把反应失控作为重要的安全课题展开研究和交流。目前，国内外在放热反应系统热失控基础研究方面的发展趋势是：重视放热反应系统热失控规律研究，建立准确描述放热反应系统发生热失控的临界判据模型，将其应用于指导具有强放热潜在性的过程设计，并为反应系统的设计和放大提供参考。但是如何系统全面地评估物质自反应性以及接触反应危险，实验室数据放大至工业装置的可靠性，反应危险性传递等基础科学问题仍然未能得到有效解决。

　　近年来发生的典型灾害性化学事故也表现出了除反应失控以外的其他特征。2007年1月9日，中国石油化工股份有限公司巴陵分公司己内酰胺部氨肟化反应装置发生爆炸，致使刚投产的反应器严重损坏，造成千余万元的经济损失，所幸没有造成人员伤亡。事故调查和分析表明，反应釜的气相部分发生了爆炸。

　　2005年11月13日，中石油吉化双苯厂T101塔进料预热器发生爆炸，几乎同时T101和T102塔又发生第二次爆炸。事故调查和分析后发现，由于T101塔进料温度严重超温，未得到有效控制，造成硝基苯预热器内物料高温爆炸，进而引发T102塔发生爆炸。原因在于对硝基苯热稳定特性认识不足，在工艺设计中没有对预热器温度的控制引起足够的重视，缺少超温连锁装置;而且在装置运行过程中，对T101预热器温度控制没有引起操作人员的足够重视，最终导致惨剧的发生。从以上事故可知，引发灾害性事故的原因是多方面的，既有反应失控，也有局部高温引发不稳定物质的剧烈分解、工艺条件变化引起气相组份进入燃爆区域等原因。

　　化工设备安全分析与设计

　　安全可靠的设备是化工过程生产顺利实施的基础和先决条件。当前国内外学者在这一领域的研究主要集中在两方面：一方面研究探讨化工装备性能衰退与失效演化的物理机制与过程，以形成安全寿命预测与设计的理论基础;另一方面则致力于发展建立安全评价的科学方法，以形成满足工业要求的标准和技术。

　　为提高化工装置和结构的安全水平，长期以来各国学者和政府机构均进行了不懈的努力。欧洲标准化委员会(CEN)早在1985年就专门建立了23个有关设备与装置安全的标准化委员会，并先后制定了600多项装置安全方面的标准。通过大量基础研究，先后形成了多个安全评价的模型与方法，如由欧洲9个国家17个研究机构经过3年多工作形成的欧洲工业结构完整性评定方法(SINTAP)，采用了失效评定图(FAD)和裂纹推动力技术(CDF)。由英国能源公司(British Energy)、英国核燃料公司(BNFL)及英国原子能管理局(AEA)联合编制的《含缺陷结构的完整性评定》(Revision 4, 2000)先后纳入了先漏后爆(LBB)评定、裂纹止裂评定、概率断裂评定和位移控制载荷下的评定，还考虑了拘束度影响的修正、强度不匹配影响的修正、局部法及加载历史的影响等，均得益于长期基础研究的成果。

　　与工业发达国家已系统性地开展了几十年的研究工作相比，我国的研究时间较短，尤其是基础研究薄弱。20世纪80年代后期经过联合攻关形成了《压力容器缺陷评定规程》(CVDA-84)，其后经过20余年的努力又完成国家标准GB /T19624-2004《在用含缺陷压力容器安全评定》。但这一标准目前只涉及了承压装备的弹塑性断裂和疲劳评定问题，不能用来处理腐蚀、应力腐蚀、高温等环境下特种设备的失效和安全评定问题;而且新版国家标准GB/T19624-2004所采用的失效评定图技术路线，也局限于西方发达国家20世纪90年代末的水平，对近期国际上在材料、断裂力学、测试技术方面的最新研究成果，则没有包括。另一方面，近年来为了从系统上把握装置的安全性，国际上进一步开展了装置风险评估和基于风险的检验等研究，美国石油协会(API)提出了石化装备基于风险的检测标准，挪威船级社等也建立风险评价和管理技术方法，国内则缺乏相关的技术和规范依据。

　　化工过程安全控制设计

　　长期以来，生产过程的工艺过程设计注重工艺过程本身，对动态过程操作性能考虑较少，对两者之间的相互影响考虑较少，而控制系统的设计对工艺特性知识没有充分了解和利用。近20年来，由于先进控制技术突破了常规的单参数PID控制模式，着重于生产过程的整体控制，即以整个生产过程为对象，把主要被控量和控制量全部纳入控制系统，因而具有良好的控制性能，整体控制既保证了整个装置的稳定运行，又达到卡边优化生产的目标。先进控制技术是一种比较适合于全过程安全控制的控制思想，但目前主要用于提高生产过程的高价值产品收率、增加处理能力、节能降耗方面，在化工过程安全控制方面的应用研究还基本上没有涉及。

　　化工过程运行异常工况预测预警

　　当生产过程处于正常状态时，现场操作人员通常依靠控制系统即可维持平稳操作。但是，化工过程运行还存在其他多种状态，如正常状态、过渡状态、异常状态、事故状态、灾难状态等。一旦生产出现了异常状态，甚至是事故状态，常规的控制系统可能就无能为力了，必须由现场操作人员根据从控制系统采集到的数据、对过程的了解和经验，作出判断并采取合理的措施，使生产过程重新回到正常状态。对于一个简单的化工过程，操作人员不难做到这一点，但对于复杂的过程，除非极富经验的操作人员，要及时作出正确操作决策就非常难了，甚至有可能被各种冗杂的数据和信号误导，作出错误的决策。据统计，在发生的事故中，其中约70%是操作失误引起的。

　　随着生产过程自动化技术的发展，国外对重大化工装置安全运行的监控与预警技术的研究不断加强。广泛应用现代系统安全工程原理与方法，使监控预警的功能不断丰富，常集数据采集、状态监测、故障识别、智能诊断决策、危害范围预测、应急控制、维修决策、网络通讯等功能于一体。在监测预警系统设计方面，目前更倾向于采用独立、开放的系统，注重与现有PLC和DCS系统硬件的兼容性，采用神经元检测器智能节点，具有较强的容错性和更强的诊断功能。

　　国外在石油化工装置故障检测与诊断方面进行了大量的研究与开发，包括现场数据的远程采集、诊断规则的修改与完善等。试用结果表明，所提出的异常工况预警模型适用范围不够宽泛，仅适用于正常生产运行过程，不适用于开车、停车等过渡过程，亦不适用于由于原料性质变化、设备老化或设备改造等因素导致过程特性变化的情况。充分利用现代系统工程理论和技术、信息技术和智能控制的先进成果，建立化工过程自适应性强的全周期异常工况下的决策与指导系统，防止误操作系统应是一个研究重点。近年来，国内化工相关生产领域通过积极推进HSE管理体系，整体安全生产技术水平有了明显的提高，但与世界发达国家相比依然存在较大差距。从事故预防角度，应从行政管理手段为主逐渐过渡到以科学防范为主。

　　20世纪90年代初，国内开始重视开展重大化工事故预防方面的研究工作，取得了一系列成果。在“八五”国家重点科技攻关课题《重大危险源评价和宏观控制技术研究》中，实现了数据检测、采集、趋势显示、报警及远程传输等功能，取得了良好的效果，为监测预警系统的研究开发打下了良好的基础。“九五”期间，开展了国家重点科技攻关课题《重大工业火灾、爆炸、毒物泄漏事故分析模拟技术》研究，为在预警过程中进行事故后果计算、模拟仿真提供良好的支撑。以上研究成果都是基于事故后果的模拟仿真，重在事故发生之后的应急疏散，对事前的预警考虑得较少。

　　化工安全理论和技术的新进展

　　设备故障诊断技术和安全评价技术迅速发展。随着化学工业的发展，高压技术的应用，对压力容器的安全监测变得极为重要。无损探伤技术得到迅速发展，声发射技术和红外热像技术在探测容器的裂纹方面，断裂力学在评价压力容器寿命方而都得到了重要应用。

　　危险性具有潜在的性质，在一定条件下可以发展成事故，也可采取措施抑制其发展。所以危险性辨识成为重要问题。目前国内外积极推行的安全评价技术，就是在危险性辨识的基础上，对危险性进行定性和定量评价，并根据评价结果采取优化的安全措施。

　　监测危险状况、消除危险因素的新技术不断出现。危险状况测试、监视和报警的新仪器不断投入应用，不少国家广泛采用了烟雾报警器、火焰监视器、感光报警器、可燃性气体检测报警仪、有毒气体浓度测定仪、噪声测定仪、电荷密度测定仪和嗅敏仪等仪器。

　　消除危险因素的新技术、新材料和新装置的研究不断深入。橡胶和纺织行业已有效地采用了放射性同位素静电中和剂，在烃类燃料和聚合物溶液中，抗静电添加剂已投入使用。压力、温度、流速、液位等工艺参数自动控制与超限保护装置被许多化工企业所采用。

　　救人灭火技术有了很大进展。许多国家在研制高效能灭火剂、灭火机和自动灭火系统等方面取得了很大进展。如法国研制的含有玻璃纤维的弹性软管，能耐800℃的高温，当人在软管中迅速滑落时不会被灼伤，手和脸部的皮肤也不会擦伤。

　　预防职业危害的安全技术有了很大进步。在防尘、防毒、通风采暖、照明采光、噪声治理、振动消除、高频和射频辐射防护、放射性防护、现场急救等方面都取得了很大进展。

　　化工生产和化学品贮运工艺安全技术、设施和器具等的操作规程及岗位操作法，化工设备设计、制造和安装的安全技术规范不断趋于完善，管理水平也有了很大提高。

　　编辑 边 安