炼化装置高压串低压事故分析与防范

张武星

(中国石化洛阳石化公司，河南洛阳 471012)

炼化装置具有高温高压、易燃易爆、有毒有害、生产连续性强等生产特点。近年来，炼化装置在生产运行、停开工和设备检维修过程中，因安全保护措施失效、对异常情况处置不当等原因引发的高压串低压(以下简称串压)事故时有发生，如2021年12月13日，某公司渣油加氢装置因串压导致高压油气倒流，引发原料罐撕裂导致泄漏着火，4人受伤。炼化装置生产工艺复杂，装置串压风险不易辨识，从笔者多次参加国家和省危化品重点县工艺专业服务的情况来看，部分炼化企业对串压风险的认识不到位、防范措施未落实、串压风险依然存在，必须引起高度重视。

1 典型事故案例

案例1：某公司柴油加氢装置“3·12”爆炸事故。2018年3月12日16时14分，柴油加氢装置加氢原料缓冲罐发生爆炸事故，造成2人死亡，1人轻伤，直接经济损失338万元。事故直接原因是循环氢压缩机润滑油系统压力波动过程中，操作人员处置不当，导致循环氢压缩机异常停机，加氢进料泵联锁停泵，在处置过程中，因出口阀门未及时关闭，系统内的高压氢气通过加氢进料泵反窜入原料缓冲罐，导致其超压撕裂，引发爆炸和火灾。

案例2：某公司常减压装置“8·31”火灾事故。2016年8月31日18时05分，常减压装置减三线冷却器处发生火灾，装置停工。事故直接原因是切离检修的减三线冷却器重污油线没有加装盲板，在吹扫初底油/油浆换热器过程中，初底油经装置重污油总线反串至减三线冷却器内，从已拆开头盖的法兰处泄漏，遇高温蒸汽管线引发火灾。

案例3：某公司储运部“5·10”油罐火灾事故。2011年5月9日16时48分，1#催化装置开工，因吸收稳定系统不正常，粗汽油自分馏塔顶回流罐经不合格线进污油罐，18时50分，污油罐罐顶撕裂、罐底翘起；21时00分，粗汽油改进中间原料罐。5月10日13时10分，中间原料罐附近发生闪爆、着火，造成1人死亡、6人受伤。事故直接原因是：操作人员打开了稳定塔底泵出口至出装置线的阀门，造成富含液态烃的稳定塔底汽油和吸收塔顶的贫气串入中间原料罐，导致罐内轻组分挥发扩散，遇防火堤外非防爆电器发生闪爆、着火。

案例4：某公司催化裂化装置“12·22”硫化氢中毒事故。2008年12月22日5时58分，分馏区油浆蒸气发生器封头法兰蒸气泄漏，在紧固法兰时发生中毒事故，导致1人死亡、1人重伤。事故直接原因是装置联锁停车后，停运柴油泵时，未立即切断再吸收塔与封油罐之间的阀门，导致再吸收塔内含硫化氢干气串入封油罐，在恢复生产、倒收柴油过程中，管线内积存的含硫化氢干气被带入封油罐，经封油罐放空管线排出，造成现场作业人员中毒。

案例5：某公司循环水场“10·14”火灾事故。2008年8月13日，聚丙烯装置气分单元停工，装置保压待料。9月25日，发现丙烯塔顶冷凝器内漏，关闭了冷凝器的物料及循环水进出口手阀；10月14日，对冷凝器进行退料、泄压处理过程中，发生火灾，造成2人死亡、2人重伤、3人轻伤。事故直接原因是操作人员对冷凝器进行退料、卸压处理过程中，打开了冷凝器循环水管线上的回水阀和调节阀，导致冷凝器管程和管线中积聚的丙烯串入循环水系统，并从循环水场凉水塔泄放出来，遇施工气焊火焰发生闪爆、着火。

2 典型事故案例分析

2.1 串压风险发生阶段、部位及类型分析

串压是指由于设备、仪表、阀门等故障或人员操作失误等原因，使工艺介质由高压系统串入低压系统，导致低压系统的压力超过其设计压力，介质发生泄漏，引发火灾、爆炸、中毒等事故[1]。只要相邻系统存在压力差就有可能发生串压，串压风险发生于装置生产运行、开停工、检维修等阶段。串压风险根据介质流向分为3种类型：一种是与介质流向相同的串压，简称正串压；另一种是与介质流向相反的串压，简称倒串压；第三种是不同压力支路间既有正串压又有倒串压，简称互串压。上述5起典型事故案例的串压风险分类见表1。

表1 串压风险分类

2.2 串压风险缺乏认知、辨识不到位

事故是由于风险管控不到位造成，风险管控到位的前提条件是风险辨识到位。上述事故案例中，事发单位在事发前均没有辨识出串压风险，也未制定相应的风险管控措施。

案例1中，公司工艺、设备、安全等部门应用HAZOP等分析工具进行风险辨识、评估和管控的能力不足，未辨识出加氢进料泵出口存在的串压风险。

案例2中，同一运行部的两套装置在安排作业时，没有系统地、全面地辨识出作业叠加带来的串压风险；常减压装置安排对减三线冷却器检修时，未辨识出减三线冷却器重污油线不加装盲板会被串压的风险；催化装置安排对初底油/油浆换热器蒸汽吹扫时，未辨识出减三线冷却器重污油线未加装盲板且头盖已打开的串压风险。

案例3中，未辨识出富含液态烃的粗汽油和不合格稳定汽油外送至常压油罐带来的串压风险；当粗汽油调节阀失灵、改副线阀控制时，操作人员未意识到吸收塔气体会通过调节阀副线倒串至污油罐。

案例4中，操作人员未意识到停运柴油泵，会造成再吸收塔内含硫化氢干气倒串入常压封油罐从而放空的风险。

案例5中，未辨识出丙烯塔顶冷凝器内漏后关闭循环水进出口手阀会造成丙烯积聚、再次打开冷凝器循环水管线上的回水阀会导致积聚的丙烯串入循环水场的风险。如果在事前均能辨识出串压风险并做好可靠的风险管控措施，上述事故均可避免。

2.3 异常工况处置不当、不及时

案例1中，循环氢压缩机润滑油压力发生低报警，在处置过程中，外操、副班长、设备员等人一系列误操作导致循环氢压缩机停机、加氢进料泵联锁停泵；在处置循环氢压缩机停机过程中，内操、工艺员、副部长等人未掌握循环氢压缩机联锁的复位操作方法，延误了5 min应急处置时间；在处置加氢进料泵联锁停泵过程中，未及时关闭加氢进料泵出口的远程控制阀和现场手阀；内操在加氢原料缓冲罐发出液位高报警后，仅通知外操将常二线来料改线，未对加氢原料缓冲罐液位及压力变化持续关注和采取措施。

案例3中，催化装置开工过程中，由于操作工对系统脱水不及时，分馏塔一中回流无法建立，吸收稳定系统因缺乏热源而无法正常运行，粗汽油中的液态烃组分无法分离，粗汽油和稳定汽油中积累了大量液态烃，对此异常工况，操作人员错误将富含液态烃的汽油直接排入中间原料罐。

案例4中，当天气温突降，气压机入口富气流量仪表冻凝失灵，气压机反飞动阀打开，导致反应器与再生器压力升高，装置联锁停车，在装置停车处置过程中，操作人员在停运柴油泵时，未立即切断再吸收塔与封油罐之间的阀门，导致高含硫化氢干气倒串入封油罐并从放空管线排出；现场设置的两台固定式硫化氢报警仪发出报警信号，但操作人员没有发现。

案例5中，当发现冷凝器内漏后，采取措施不当，只关闭了冷凝器的物料阀和循环水阀门，没有及时进行退料、卸压处理，致使丙烯从壳程不断泄漏进入管程及部分循环水管线中，并大量积聚；操作人员对冷凝器进行退料、卸压处理过程中，错误打开了冷凝器循环水管线的回水阀和调节阀，导致冷凝器管程和管线中积聚的丙烯串入循环水系统。

如果对以上异常情况处置及时、得当，上述事故均可避免。

2.4 独立保护层缺失或失效

事故是起作用的独立保护层全部失效的结果。案例1中，至少有3个独立保护层缺失或失效：一是加氢进料泵出口未设置自动切断阀，当加氢进料泵联锁停泵时无法自动联锁切断加氢进料泵出口管道；二是加氢进料泵出口单向阀已使用15年且从未检修，因积碳导致阀门不能完全闭合，造成该保护层失效；三是加氢原料缓冲罐虽然在DCS接入了压力显示，但未设置压力报警，当串压事故发生时无法自动报警，无法引起操作人员关注。

案例2中，对切离检修的减三线冷却器没有做到完全隔离，其重污油线漏加盲板，为串压事故埋下了隐患。

案例3中，改造设计存在缺陷，粗汽油至吸收塔管线与不合格粗汽油外送管线间没有设计隔断阀，但改造前，粗汽油至吸收塔管线设置有塔壁阀门，改造时取消，但没有设计替代措施，无法隔断吸收塔内气体倒窜至粗汽油不合格线。

案例4中，原设计存在缺陷，进再吸收塔吸收油管线上的阀门设计为普通阀门，无法避免非正常工况下干气倒窜入常压封油罐的风险。

在上述事故场景中，如果有任何一个独立保护层起作用，事故就不会发生。

3 对策措施

3.1 系统全面地辨识串压风险，及时排查和治理串压隐患

系统全面地辨识串压风险需要由不同专业人员组成分析小组，采取合适的风险辨识方法才能完成。HALOPA分析(HAZOP+LOPA+风险矩阵)是辨识装置生产运行和开停工过程中串压风险最有效的方法之一，该方法通过对各节点中的“流量逆流”、“压力高”、“液位低/无”等偏差逐一分析，分析造成偏差的原因和偏差造成的后果，能够系统全面地辨识出串压事故场景[2]，以及该场景中有哪些独立保护层，独立保护层是否足够，事故场景风险是否可以接受，对不可接受的风险，按照最低合理可行(ALARP)的原则，采取增加独立保护层等措施把风险降至可接受区域[3]。利用HALOPA分析报告中形成的串压事故场景以及独立保护层清单，进行串压风险排查和隐患治理。

对于设备检维修、清堵、吹扫、试压、泄压等作业过程中引发的串压风险可采用JSA方法进行辨识，重点辨识作业步骤中能引起串压的部位、类型和风险，对串压部位做好能量隔离、上锁和挂牌等防护措施。

生产装置串压风险辨识的重点是高压和低压的连接部位，特别是压差较大的部位。如：①高压进料泵、注水泵、贫胺液泵等高压泵的出口管道，压缩机的出口管道。串压机理是当高压泵或压缩机突然停运后，下游高压介质会通过高压泵的泵体或最小流量线，压缩机的出、入口返回线倒串至上游的低压原料缓冲罐或压缩机分液罐从而造成其超压。②高压容器(塔器)与低压容器(塔器)连接管道。串压机理是当高压容器(塔器)内的液位降低至无时，高压介质通过高压容器(塔器)底部管道串入下游低压容器(塔器)从而造成其超压。③上下游装置之间的高/低压进出料管道。串压机理是当高压与低压连接的管道上的阀门故障或误操作打开时，造成高压侧介质串入低压侧系统从而造成其超压。④冷换设备发生内漏后的串压。串压机理是当冷换设备内漏时，高压侧介质串入低压侧系统从而造成其超压。⑤与高/低压设备或管道相连接的氮气、蒸汽、循环水、仪表风等公用工程管道。串压机理是当连接的公用工程管道上的阀门故障或误操作打开时，造成高压侧介质串入低压侧系统从而造成其超压。

串压隐患排查和治理的重点是串压事故场景中的独立保护层是否完好、是否足够，对失效的或缺少的独立保护层要及时进行隐患治理，在隐患得到治理前应采取可靠的防范措施。

3.2 加强对独立保护层的管理，确保独立保护层完好有效

炼化装置设计有各种类型的保护层，如本质安全设计、基本过程控制系统(BPCS)、报警和人员响应、安全仪表功能(SIF)、物理保护、释放后保护设施等。防止串压事故常用的独立保护层有防超压设计、BPCS、报警和人员响应、SIF、安全阀、爆破片、单向阀、盲板、火气系统等，作为独立保护层应满足独立性、有效性、安全性和可审查性等要求[3]。

对串压事故场景考虑独立保护层时应注意：对易发生串压设备上的安全阀要按照事故最大泄放量来核算[4]，否则安全阀不能作为防串压独立保护层；对高压泵、压缩机出口应采用两个不同类型或不同厂家的单向阀，以免发生共因失效；对于联锁关闭调节阀的保护层，因调节阀关闭不严，不能作为独立保护层，应增加联锁切断阀[5]。

对辨识出的独立保护层要加强管理，通过检验、测试与预防性维修等有效措施，确保独立保护层有效。重视对单向阀的管理，建立单向阀台账，严格控制单向阀检修周期、检修质量，单向阀在检修时必须进行反向气密泄漏测试合格[6]。严格盲板管理，装置开停工和检维修过程中，对需要加、拆盲板进行隔离的，要制定完善的工艺隔离方案，加、拆盲板作业时要按规定办理作业许可证，并按方案中规定的顺序加、拆盲板。

加强变更管理，对任何涉及独立保护层的变更事项要严格执行变更管理程序，评估变更风险，采取措施，确保变更后独立保护层的有效性。

3.3 加强异常工况管理，做好初期应急处置工作

生产装置异常工况包括超温、超压、超液位、水电汽风等公用工程异常、机泵或大机组运行状态异常，或停运、联锁动作、装置停工、介质泄漏等。生产装置异常工况往往通过工艺、设备的参数报警或GDS系统的报警首先表现出来，对报警的应急处置是否及时、正确、有效，直接关系到异常工况是否能够得到有效控制，因此要加强报警管理和应急处置工作。

对工艺报警进行分级管理，根据HALOPA分析结果，将报警设置数量减至最少，在此基础上，根据报警事件后果严重性，对报警按照紧急、重要、一般进行分级排序，对紧急、重要报警要明确应急处置措施。对GDS系统报警要制定应急处置程序，并优先给予应急处置。

修订完善操作规程，严格执行工艺纪律和操作纪律，减少异常工况发生。对改变工艺流程、联锁复位、切换泵等重要操作要“手指口述”、分级确认，避免产生误操作。

加强对生产装置异常工况的风险辨识与评估，按照“135”原则(1 min内采取能量隔离、切断进料等关键操作，确保事态不扩大；3 min内实施退守稳态操作；5 min内配合消气防联动应急)[7]，科学编制现场处置方案和应急外置卡，强化基层班组初期应急处置演练，提高应急处置能力，避免事故发生。

4 结语

炼化装置生产工艺复杂，串压事故风险较大，为了有效防止串压事故的发生，设计层面要提高本质安全设计，从根本上消除或减少工艺系统串压风险。企业层面要加强串压风险辨识和管控，及时排查和治理串压隐患，保持设备完整性，确保独立保护层有效，强化异常工况管理，提高应急处置能力。