工业过程火灾爆炸灾害事故预防控制及分析鉴定技术研究与应用

　　在世界范围内无数次的火灾、爆炸、中毒案例说明，工业过程特别是化工、石油化工过程火灾爆炸事故理论与工程以及分析鉴定技术的研究与应用是我国经济建设、社会发展乃至世界范围内亟待解决的大课题。围绕经济建设中出现的工业装置的大型化、自动化、规模化、高能量储备的特点，当代事故灾害性、突发性、社会性的现实，对经济建设中50余套危险性极大、最具普遍性和技术密集性的典型化工和石油化工装置和生产过程，进行充分、系统的论证和分析，在已经创立的化学化工安全工程理论体系的基础上，选择和剖析国内外几百起典型火灾、爆炸事故案例为模型化、模式化研究剖析的对象，进行理论穿透、工程技术分析，提炼和创建化学化工火灾、爆炸灾害事故理论。结合我国经济建设安全生产领域迫切需要解决的疑难课题，创建我国化学化工过程火灾、爆炸灾害事故模式与分析鉴定技术体系及应用系统。

　　一．工业过程火灾、爆炸灾害事故模式的基础理论

　　围绕经济建设尤其是化工、石油化工过程威胁极大的火灾、爆炸、毒气泄漏扩散事故的难题等一系列安全生产课题，对火灾、爆炸过程的知识结构、实验体系以及科研选题进行了充分、系统的论证和设计。以化学化工安全工程为基础，以研究事故原点、危险要素、危险结构与状态及其转化为事故的过程和机理为主要内容，以宏观过程的正常平衡、平稳、协调为目的，研究过程的平衡条件、平稳因素、过程控制、边界条件、临界状态等一系列技术理论问题。相继创建了安全设计、过程与工艺安全工程、过程爆炸与分析技术、过程安全原理等安全工程事故分析技术的理论体系。及时总结国内外不断出现的典型事故案例，不断补充和提炼经济建设安全生产领域迫切需要解决的事故理论、事故模式与分析控制技术。结合科研课题、生产实际，以案例研究为核心进行理论穿透、技术分析、应用计算机技术进行模拟。其中案例研究体系包括：化工装置爆炸模式、火灾模式、泄漏扩散模式以及相应的技术分析体系，建立火灾爆炸事故的分析、鉴定及控制研究实验体系。

　　工业过程最重要的危险是火灾爆炸事故灾害，而热量是爆炸能量的源泉。热的反应、热的发生和积累，过程热的传递和变换，热的流动和转移，无不和爆炸相关。运用化工热力学、工程热力学、反应工程理论、反应动力学、催化理论以及爆炸突变理论等，研究热平衡，热积累，热突变，过程爆炸，临界条件和规律，以及各临界点之间的关系。过程装置的工艺结构决定了装置系统的危险特征，对装置结构中的传质单元、机械分离单元、传热单元、输送单元等过程的物料平衡、热量平衡、能量平衡、动量平衡等条件进行分析，研究过程动态变量对平衡与稳定条件的影响以及反应变化过程危险要素的动态特性和转化机理、边界状态变量，极限控制参数，对过程氧化热、燃烧热、自催化热、分解热、聚合热以及各种物理热的产生、传递、转移、积累等进行研究。

　　二．在解剖典型装置、典型事故的基础上建立灾害事故模式

　　为了建立系统实用的火灾爆炸以及介质泄漏扩散模式，在研究过程中，主要选择的典型过程及典型装置考虑如下原则：
　　1）有极高经济社会价值和技术密集性、危险性的重点核心过程及装置；
　　2）危险性特别大而且已经出现或多次出现过特别重大事故的生产过程及装置；
　　3）事故过程机理复杂影响因素又多变，科学性和理论性很强的生产过程及装置；
　　4）一旦发生事故具有灾害性、社会性、能量集中，破坏性大，可能波及系统及社会，
　　5）事故涉及的理论和技术工程问题对我国各类生产装置和研究装置，尤其对于化学工业和石化工业发展具有普遍意义和指导意义。

　　选择的典型过程与典型装置共有50余个，揭示事故奥秘，探索事故规律，其中主要有：
　　氧化过程、过氧化过程、环氧化过程；热裂化、催化裂化、加氢裂化过程；高压加氢及还原过程；芳烃硝化及加工系列；食盐电解、水电解及氯加工系列；乙烯氧化、环乙烯氧化、丙烯氨氧化、芳烃抽提、催化重整、催化加氢、乙烯聚合、氯乙烯聚合、丁二烯聚合；煤制气、轻油制气、重油制气及净化处理系统；气体液化及深冷分离（液氮、液氧、液氢）系统；液态烃及液化烃类贮运系统；氨合成及氨加工系统；乙炔发生及加工系统；工业反应炉、加热炉运行系统。

　　经过对以上装置的典型分析与解剖，建立以下灾害事故模式，理论模型、控制模型与鉴定模型。
　　1）物系分类模式分为：装置外可燃气体—空气（O2）混合系爆炸；装置内可燃气体—助燃气体混合系爆炸；压缩气体过压爆炸；反应系热平衡破坏爆炸；物质或物系热分解爆炸；压力平衡破坏爆炸；液化气体，过热液体爆炸；凝聚相、相态转化爆炸；悬浮状粉尘爆炸；液体喷雾爆炸；相忌物混合系爆炸；蒸汽或气云扩散爆炸；局限化快速燃烧爆炸；液态烃热波爆炸，油层薄膜爆炸。

　　2）按机理分类模式分为：燃烧热爆炸；氧化热爆炸；分解热爆炸；聚合热爆炸；自催化热爆炸；气液相平衡破坏爆炸；外热气化爆炸；装置功能失效爆炸；能量蓄积爆炸；超临界状态爆炸；能量非定常流向爆炸（能量意外释放事故）；不稳定物（系）突变爆炸。
　　装置外混合系爆炸
　　因为各种技术原因及操作原因装置泄漏，可燃性介质在装置外引起的一种爆炸或火灾事故。
　　1）装置质量因素泄漏A材料错误，品质不符；B强度不足；C加工焊接组装缺陷；D裂雠扩展；E结构缺陷；F密封失效。
　　2）装置工艺因素泄漏A高流速介质冲击磨损；B反复应力作用；C腐蚀破坏；D蠕变失效；E冷脆断裂；F结焦原因；G结垢；H老化变质；I内压超高。
　　3）外力因素破坏A外力飞行物打击；B运载过程倾倒；C施工破坏；D强力拉断；E基础下沉或倾斜；F支撑变化；G过猛操作；H地震破坏；I设备误敞开。
　　装置内混合系爆炸
　　1）空气进入装置A负压；B密封失效；C隔断阀打开；D空气压送。
　　2）配气错误A气源错误；B计算设计错误；C操作失误；压差破坏。
　　3）新生爆炸系A新生气体；B新生爆炸危险物；C新生过氧化物；D杂质积累。
　　4）可燃气错流A点燃失控；B燃烧中断；C隔断失效；D压差失效；E气体倒流。
　　压力平衡破坏
　　1）高压串入低压系统A隔断失效；B逆止未装或失效；C压差变化；D负压；E液封失效。
　　2）憋压A系统阻力；B排空系统失效；C呼吸阀失效；D液封或物阻；E出口阀关闭。
　　3）倒流A气源中断或故障；B高压串入；C逆止阀失效；D液封或物阻；E出口阀关闭；F隔膜击穿。
　　4）负压A错接真空；B真空过大；C系统降温；D呼吸阀失效；E冷液浸入；F液位降低。
　　过压爆炸
　　A高压串入；B压缩气体源增压；C异常反应；D外壳失效；E热膨胀；F真空失效。
　　热平衡破坏
　　1）反应物料配比失控：A超浓度；B配比错误；C配制错误。2）初始反应温度低：A忘开搅拌；B忘开加热系统；C热载体问题。3）反应物积聚过量：A计量错误；B加料过快；C混配不均；D忘开搅拌。4）温升过快：A热源过猛；B降温系统失效；C反应物系影响；D催化剂活性高；E引发剂过量；F局部热积累。5）催化剂影响：A催化剂活性高；B数量超；C粒径、规格不符合要求；D活化过程失效。6）热敏感物、副产物：A热分解；B原料杂质影响；C残留物积累；D处理介质选择不当；E精制或分离工艺不符合要求。7）过反应物：A温度或压力失控；B反应周期过长；C杂质或催化剂影响；D存放条件有误。8）测量控制系统有误：A计量错误；B测量失控或错误；C判断失误；D调节系统失控；9）异常反应：A暴聚；B起泡反应；C加热介质选择不当，参加反应。

　　装置内压突变

　　1）反应平衡条件破坏；2）产生新的危险物（系）；3）超过临界值；4）控制失效；5）热分解；6）相忌物反应；7）热积累；8）副反应；9）过反应；10）相变；11）液体蒸发气化；12）液体或固体快速燃烧；13）混合系引燃爆炸；14）固体残渣热分解；15）溶解气释放；16）热敏物积聚变化；17）高压串入；18）排空泄压系统及平衡系统失效；19）液满受热膨胀。
　　液化气体、过热液体蒸气爆炸
　　1）外壳破裂气液平衡破坏液态介质气化闪蒸。A设计强度不足；B材质缺陷；C焊接加工缺陷；D结构缺陷；E附件不符合要求；2）过热液体减压闪蒸；3）超过临界温度液体气化；4）低沸点流体进入高温系统；5）高温热载体夹带低沸点液体；6）反应热液相快速气化。A倒灌进反应物；B混进反应物；C混装；D沉淀或积累危险物；7）满罐胀裂液态迅速气化。A充装满罐温升；B低温充装、高温液满胀裂；C残液不除超装；8）外热影响温度超高：A装置内固定热源；B装置外热源。

　　装置失效泄漏燃烧、爆炸

　　1)本体材料泄漏：A材质缺陷；B局部应力；C反复载荷；D蠕变外力；E应力腐蚀；F残余应力；G裂纹扩展；H异常温度；I异常外力；J腐蚀穿孔。2)法兰泄漏：A平行度不良，加工缺陷；B紧固缺陷；C热变形；D腐蚀；E材质不符；F错装备；G热应力；H疲劳；I外力；J强度影响。3)焊缝：A焊条选择不当；B焊接电流影响；C加工坡口不良；D杂质异物影响；E施焊方法不当；F材质问题；G残余应力；H裂纹；I热影响；J振动。4)衬垫：A材质不良；B残余应力；C缩孔；D位移；E硬度影响；F机械强度；G使用错误；H疲劳；I内压增大；J振动；K热应力；L反复荷重；M安装质量；N腐蚀。5)螺栓：A材质影响；B应力影响；C温差影响；D安装质量；E选型不当；F内压作用；G振动；

　　凝聚相燃烧爆炸
　　1）罐内液体快速燃烧；2）油面燃烧热波突沸爆炸；3）装置内物系热分解；4）装置内残渣或残留物受热分解；5）溶解气体释放被点燃；6）装置保温材料局限化燃烧；7）结晶体积垢物局部过热燃烧。
　　物质（系）热分解爆炸
　　1）单一气体分解爆炸；2）爆炸物受热分解爆炸；3）有机过氧化物热分解爆炸；4）无机过氧物分解爆炸；5）热敏感物热分解爆炸；6）有机物热分解爆炸；7）高分子物热分解爆炸；8）结晶体釜残物热分解爆炸。
　　混合危险系爆炸
　　1）氧化剂与还原剂强反应爆炸；2）遇水燃烧爆炸；3）遇水发热燃烧；4）混合发热燃烧爆炸。
　　喷雾爆炸
　　1）可燃液体高速泄漏扩散燃烧；2）装置排空扩散燃烧；3）可燃液体喷射扩散燃烧；4）气体凝缩预混系爆炸；5）可燃液体飞散沉降凝聚预混系爆炸；6）高压油路系统泄漏扩散爆炸；7）喷井引燃；8）压缩气体夹带油雾扩散燃烧。

　　粉尘爆炸
　　1）悬浮粉尘被点燃；2）高速风送粉尘爆炸；3）堆积粉尘燃烧引爆；4）粉尘捕集系统爆炸。

　　三．灾害事故模式的工程应用

　　通过过程模拟与理论分析，对重大灾害事故的典型过程的危险要素分布、特性、状态、转化条件及影响因素等进行分析和鉴别，对国内外具有普遍意义、典型意义的灾害案例进行剖析与解释，提取爆炸灾害基础理论体系和工程技术体系。事故有其本身的规律。任何事故的出现都有自己的技术原因，任何危险的存在都有自己的技术状态，都有自己的物系结构和危险要素，要素在同一空间或相关空间的配置便构成了危险存在的条件及状态，研究这些危险要素存在的条件、状态、转化、变换以及能量流动的方向就可以掌握事故原点转化成事故的规律。在事故理论与工程技术控制和分析鉴定系统研究的基础上，积极参与国家经济建设安全生产与安全工程事业，主持和参加国内、省内40余起重大爆炸、火灾事故专家技术鉴定和论证工作，其中有国内影响很大的南京炼油厂1993年“10.21”万吨油罐重大爆炸火灾事故、1996年河北迁安化肥厂ф1400mm尿素合成塔爆炸事故以及陕西兴化集团公司98年“1.6”硝铵装置特大爆炸事故的技术鉴定以及2000年“6.30”沪宁高速公路超大型液化气罐车翻车事故紧急处理等，运用创立的事故模式与分析鉴定预防控制技术体系，可以快速、科学、准确地对火灾、爆炸事故进行分析、鉴定和结论，有效地制定相应措施，提高装置的反事故能力和安全运行水平，为我国工业企业，特别是化工、石油化工企业的安全生产、事故技术分析和预防控制技术提供理论根据和科学方法。