某环戊烷贮罐站的故障模式和影响分析

文/ 张景飞 郑州大学工程力学系

谢雄刚 湖南工学院安全与环境工程系

陈 娜 郑州大学工程力学系

某环戊烷贮罐站的故障模式和影响分析

文/ 张景飞 郑州大学工程力学系

谢雄刚 湖南工学院安全与环境工程系

陈 娜 郑州大学工程力学系

因环戊烷是易燃易爆危险物品，且储存量大于临界量，故某企业储存环戊烷的贮罐站是可燃液体贮罐重大危险源。作者主要针对该站的工艺流程、系统组成及系统功能的特点，应用故障模式和影响分析方法，找出了该站中各主要子系统及部件可能发生的故障模式及故障原因。根据对系统或设备影响的严重程度，确定故障模式的危险等级，计算出故障导致环戊烷燃烧爆炸事故的能量及伤害后果，为制定有效的安全技术措施和管理制度，防止同类事故发生提供科学依据。

环戊烷（C5H10）是一种无色透明的液体，易燃，气态时比重大于空气，液态时比水轻，闪点为-25℃，其蒸汽与空气混合物形成爆炸性气体。

某企业环戊烷贮罐站的环戊烷储存量为52.5t，超过规定的临界量20t，该贮罐站属于可燃液体贮罐重大危险源。1996年以来，该站多次发生因贮罐内氮气压力过低或过高和液位超过80%而报警停机，造成生产停顿检修，引起工作人员的恐慌。然而，一旦报警系统失效，罐内压力将继续升高，罐体将破裂，导致环戊烷泄漏而引起燃烧爆炸事故。因此，该贮罐站的安全问题至关重要，应引起足够的警惕，并采取相应的安全措施加以预防和控制。

环戊烷贮罐站基本情况

该环戊烷贮罐站主要由罐体、输送系统、充氮系统、安全系统组成。其中，贮罐为卧式地下罐，罐体池坑为混凝土结构，进行了防水处理，罐体四周用中性砂充填，有坑底抽水装置。内、外罐体有20毫米的间隔，充满乙二醇和水的混合物，连接到控制室内液位桶以监测贮罐的泄漏情况。液位桶内有电极，利用混合液的导电性，监测桶内液位的高低确定报警点。输送系统主要由手控球阀、进料阀、进料管、止回阀、输送泵、背压阀和输出控制球阀等部件组成。背压阀与输送泵出口端相通，用以调整输出环戊烷液体的压力。输送泵输送液体。手动背压阀为防止开泵时将环戊烷输入另一罐，一般要求两个罐的背压阀必须一个开一个关（包括停机状态）。充氮系统主要由氮气瓶、氮气阀、减压器、压力表、氮压开关、泄压阀和饱和器等部件组成。安全系统主要由排污泵、液位计、直排阀、液位电传感器、环戊烷探头、防火阀、压缩空气装置、检漏桶和压力控制器等部件组成。各元部件在系统中的具体功能不再赘述。

环戊烷贮罐站故障模式和影响分析

故障模式和影响分析是一种演绎推理的系统安全分析方法，常用来分析机械电气系统、生产局部工艺过程的可靠性和安全性。分析时按工艺流程、系统组成及功能将系统进行分割，然后分析各自可能发生的故障模式及其产生的影响。选用故障模式和影响分析方法来分析该贮罐站的安全更符合贮罐站系统的特点，更能全面系统地辨识出该站的危险源。根据故障模式对系统或子系统影响的严重程度不同而定性分级为致命的、严重的、临界的、可忽略的四个危险等级。

现以罐体和输送系统为例进行分析，限于篇幅所限，本次故障模式和影响分析内容未详细列表，仅对危险等级为致命的、严重的故障进行分析。

（1）环戊烷罐体

存在的主要故障有：液位过低；储量超过储罐容积的80%；结构损坏。

故障的原因分别为：未及时加料；装入过多，输出控制球阀未关、从另一罐内回流；安装时残余应力或缺陷。

造成的影响分别有：液位报警停机；高液位报警停机温度变化使压力升高，破坏罐体；环戊烷泄漏（液体或气体）。

可采取的安全措施分别有：规定环戊烷贮存量；严格计算装载量，输出控制球阀加锁；经常检查检漏桶液位变化。

（2）输送泵

存在的主要故障有：超压运行；从各接口处漏环戊烷；泵卡死。

故障的原因分别为：输出控制球阀关闭，背压阀调太小使阻力增大超负荷；密封不良；料中有杂质，轴承烧死，电机过载，电机漏电，电线损坏。

造成的影响分别有：压力急剧升高，电机超负荷烧坏；环戊烷泄漏报警停产；烧电机，跳闸断电。

可采取的安全措施分别有：输出控制球阀上加锁防误操作；接口加强密封圈；加装过滤器，定期给轴承加油，入料过滤器检查、进料质量检查。

（3）输出球阀

存在的主要故障有：结构损坏，不能关闭；误开备用储罐阀门。

故障的原因分别为：杂物阻碍或构件缺陷；人为打开，误动作或不知。

造成的影响有：关不住环戊烷，使回流超高报警或分流。

可采取的安全措施分别有：每天检查另一罐液位、超高液位报警功能是否完好；加锁，安全教育。

（4）小结

对系统影响程度最大的故障模式为：罐体环戊烷储量超过储罐容积的80%，以及输出控制球阀结构损坏不能关闭等故障，企业应该制定相应的预防和控制措施，重点防范此类故障的发生。

环戊烷储罐能量计算及伤害后果评估

（1）环戊烷储罐爆炸能量的计算

1 kgTNT爆炸所放出的平均爆破能量为：QTNT=4500kJ/kg

环戊烷热值：Q1=3293kJ/mol =47043kJ/kg

1kg环戊烷燃烧值：Q1/QTNT=10.45

该环戊烷储罐站的环戊烷储存量：q=35m3×750kg/m3×2=52.5×103kg（单个储罐体积35m3，该状态下密度750kg/m3，共2个储罐）

环戊烷储罐爆炸的T N T当量WTNT=5 2.5×1 03kg×10.45=549×103kg。

（2）环戊烷储罐燃烧能量的计算

当环戊烷储罐破裂时，一部分液体环戊烷被蒸发成气体，并发生燃烧爆炸；另一部分以雾状的液滴散落在空气中。若燃烧完全，按燃烧化学反应式2C5H10+15O2=10CO2+10H2O，每千克环戊烷完全燃烧所需氧气量为3.43kg，需要空气量为3.43/0.21=16.3kg，该站环戊烷完全燃烧需要空气量为52.5×103×16.3kg =855.75×103kg，环戊烷在20℃时的密度为750kg/m3，则储罐内环戊烷完全燃烧生成的气体在t℃时体积为

t取环戊烷引燃温度361℃，则计算得V=2.47×103m3。设这些气体以半球形向地面扩散，高温燃气的扩散半径为

计算得R=10.6m，在此范围的人员和设备会受到严重热辐射。

结论

（1）由于该系统中阀门、仪表、控制器和管路等部件多，运行中容易导致各种故障。需要提供系统良好的运行环境和工作参数，提高设备部件使用寿命和可靠性。

（2）能够导致环戊烷泄露的部件及故障模式很多，系统很容易发生环戊烷燃烧爆炸事故。应该建立严格的设备检修制度，及时更换有安全隐患的设备，避免发生环戊烷燃烧爆炸事故。

（3）对系统影响程度最大的故障模式为：罐体环戊烷储量超过储罐容积的80%和输出控制球阀结构损坏不能关闭。应该立即制定预防措施，防止此类故障的发生。

（4）应对该类行业的企业员工进行专业性的安全教育和培训，提高其安全操作技能，防止发生误操作和误动作。

■责任编辑 钟金花