TDI生产过程中光气合成、回收和处理单元的故障树分析

摘要：通过对光气合成及吸收、破坏过程中的各类不安全因素进行故障树分析，从而得到适当的安全对策措施，应用在实际，大大减少了生产过程中的危害性。

关键词：光气故障树分析

1、引言

甲苯二异氰酸酯（TDI）是应用化学工业中重要产品聚氨酯的主要原料。聚氨酯具有高强度、耐腐蚀、抗压、灵活轻便等特性，可替代木材和钢材，其产品广泛应用在电子电器、建筑、汽车、包装业、家具、制鞋、密封剂、绝热和制冷等领域TDI生产装置通常由由光气合成、TDA（二氨基甲苯）合成、TDI合成、光气回收和处理、尾气破坏、公用工程、装桶站等单元构成。其中光气合成单元中的光气储槽为一个重大危险源，而光气破坏系统是预防危害发生的关键设施，因而选择该两个单元进行故障树分析。

2、生产工艺流程

2.1、光气合成单元

由盐酸电解装置送来的氯气，与气体净化装置送来的过量CO气，通过比例控制进入混合器后，自上而下进入光气反应器，在活性碳催化剂作用下生产光气，其反应方程式如下：

反应产物进入串接的光气保护反应器，保证产物中无游离的氯气。生成的光气经光气冷凝器和光气冷却器冷至-10℃，收集于光气储槽中，送至TDI合成单元。未冷凝的光气，和过量的CO气、N2、HCl等尾气，进入光气反应尾气吸收塔用甲苯洗涤尾气以回收残余的光气，塔顶尾气送入光气水解塔，塔底含光气的甲苯溶液送光气回收处理单元甲苯吸收塔。

2.2、光气回收和处理单元

本单元包括光气回收和处理两个工序。

1）光气回收

由光气合成和TDI合成单元各设备排出的含光气的尾气，进入甲苯吸收塔底部，塔顶喷入-5℃的低温甲苯液，将尾气中的光气吸收，塔顶未被吸收的光气和HCl气再进入光气水解塔进一步处理。塔底吸收光气的甲苯溶液经泵、过滤器、换热器加热后，进入甲苯解吸塔。吸收的光气全部解吸出来，在塔顶经冷凝器用循环水和冷冻甲苯冷却，使其变成液态，送入循环光气储槽。甲苯解吸塔塔釜液主要成分是甲苯，一部分经过滤器过滤后，在冷却器中冷却，送入循环甲苯贮槽贮存。另一部分釜液进入甲苯精制塔，以除去轻重组分。

2）光气处理及破坏

来自光气反应尾气吸收塔、甲苯吸收塔、甲苯解吸塔等设备的气体，进入光气水解塔，在催化剂的作用下光气遇水水解成HCl和CO2气。HCl被水吸收成盐酸。塔顶未吸收气体再进入两级光气破坏塔用碱液处理。

3、故障树分析

3.1确定顶事件

【1】光气室存有大量剧毒品（液态光气），而冷却介质为甲B类易燃易爆物（甲苯），操作条件又是在一密闭的空间，空气中浓度达到爆炸极限，遇到火源就有发生火灾爆炸的危险，一旦发生火灾爆炸，影响范围大，后果极为严重，为此将光气室的火灾爆炸确定为本单元故障树分析的顶事件。

【2】TDI生产过程产生的有毒气体多，浓度大，其尾气（含光气）必须回收利用，而残余废气须进入光气破坏系统进行破坏处理。另外，一旦发生光气泄漏事故，为避免造成大面积中毒，也须将毒气引到光气破坏系统，利用碱液与光气的化学反应生成无毒的碳酸钠、氯化钠和水，从而起到对毒性气体的破坏作用。该系统一旦出现故障，就有造成人员中毒的危险，为此将该系统出现故障也作为本单元故障树分析的顶事件。

3.2绘制故障树

光气室火灾爆炸故障树见图1，光气破坏系统故障故障树见图2。

3.3故障树分析

【1】最小割集求取

最小割集：能够引起顶上事件发生的最低限度的基本事件的集合称为最小割集。也就是说，如果割集中任一基本事件不发生，顶上事件就绝对不发生。

最小割集表示系统的危险性。故障树中有一个最小割集，顶上事件发生的可能性就有一种；有几个最小割集，顶上事件发生的可能性就有几种。故障树中最小割集越多，系统发生事故的途径越多，因而就越危险。

由图5-3光气室故障树图，以中间事件——有火源作为一个独立的单元，以符号A代表，用布尔代数法求出光气室故障树的最小割集。

T=A•B=A•（E•F）=A•[（X12+X13+X14+X15）（X16+X17+X18）]

=A•（X12 X16＋X12 X17＋X12 X18＋X13 X16＋X13 X17＋X13 X18+ X14 X16＋X14 X17＋X14 X18＋X15 X16＋X15 X17＋X15 X18）

= AX12 X16＋AX12 X17＋AX12 X18＋AX13 X16＋AX13 X17＋AX13 X18+ AX14 X16＋AX14 X17＋AX14 X18＋AX15 X16＋AX15 X17＋AX15 X18

即最小割集为：

K1 ={A，X12，X16}，K2 ={ A，X12，X17}，K3 ={ A，X12，X18}，K4={ A，X13，X16}，K5={ A，X13，X17 }，K6 ={ A，X13，X18 }，K7={ A，X14，X16 }，K8 ={ A，X14，X17 }，K9 ={ A，X14，X18 }，K10 ={ A，X15，X16 }，K11 ={ A，X15，X17 }，K12 ={ A，X15，X18 }

由此可知，光气室爆炸的最小割级有12个，均为三事件的集合，其事件组合如表1所示：

表1

光气室爆炸最小割级事件组合表

序号单元代号事件组合

1 A，X12，X16 有火源、操作失控、断电

2 A，X12，X17 有火源、操作失控、电器设备故障

3 A，X12，X18 有火源、操作失控、通风机故障

4 A，X13，X16 有火源、设备腐蚀、断电

5 A，X13，X17 有火源、设备腐蚀、电器设备故障

6 A，X13，X18 有火源、设备腐蚀、通风机故障

7 A，X14，X16 有火源、设备质量、断电

8 A，X14，X17 有火源、设备质量、电器设备故障

9 A，X14，X18 有火源、设备质量、通风机故障

10 A，X15，X16 有火源、没有密闭作业、断电

11 A，X15，X17 有火源、没有密闭作业、电器设备故障

12 A，X15，X18 有火源、没有密闭作业、通风机故障

结构重要度分析：

由计算得：

I（A）=(1/23-1)×12=3；I（16）=(1/23-1)×4=1；I（17）=(1/23-1)×4=1；I（18）=(1/23-1)×4=1；

I（12）=(1/23-1)×3=0.75；I（13）=(1/23-1)×3=0.75；I（14）=(1/23-1)×3=0.75；

I（15）=(1/23-1)×3=0.75

各基本事件的结构重要度从大到小依次为：

有火源＞断电 = 电器设备故障 = 通风机故障＞操作失控 = 设备腐蚀 = 设备质量 = 没有密闭作业

由图5-4光气破坏系统故障树图，用布尔代数法求出光气破坏系统的最小割集。

S=M+N=（X1＋X2＋P）＋（Q＋X3＋X4）

= （X1＋X2＋X1＋X3＋X4）＋（X1＋X5＋X3＋X4）

= X1＋X2＋X3＋X4＋X5

由此可知，光气破坏系统的的最小割级有5个，均为单事件的集合，其事件组合如表2所示：

表2 光气破坏系统最小割级事件组合表

序号单元代号事件组合

1 X1 泄漏

2 X2 填料失效

3 X3 真空泵故障

4 X4 电气故障

5 X5 无料

结构重要度分析：

由计算得：

I（1）=(1/21-1)×1=1；I（2）=(1/21-1)×1=1；I（3）=(1/21-1)×1=1；I（4）=(1/21-1)×1=1；I（5）=(1/21-1)×1=1；

各基本事件的结构重要度均相同，为：

泄漏 = 填料失效 = 真空泵故障 = 电气故障 = 无料

【2】最小径集求取

最小径集：能够消除顶上事件发生的最低限度的基本事件的集合称为最小径集。也就是说，如果径集中任一组基本事件不发生，顶上事件就不会发生。

最小径集表示系统的安全性。故障树中有一个最小径集，则顶上事件不发生的可能性就有一种；有几个最小径集，顶上事件不发生的可能性就有几种。故障树中最小径集越多，说明控制顶上事件不发生的方案就越多，系统的安全性就越高。

由布尔代数法求出光气室爆炸故障树的最小径集：

T′=A′+B′=A′+(E′+F′)=A′+ (X12′X13′X14′X15′)+ (X16′X17′X18′)

即光气室爆炸故障树最小径集为：

P1 ={ A},P2 ={ X12，X13，X14，X15}, P1 ={ X16，X17，X18}

其最小径集基本事件组合见表3：

表3 光气室爆炸故障树最小径集

序号单元代号事件组合

1 A 有火源

2 X16，X17，X18 断电、电气设备故障、通风机故障

3 X12，X13，X14，X15 操作失控、设备腐蚀、设备质量、没有密闭作业

由布尔代数法求出光气破坏系统故障树的最小径集：

S′=M′•N′=（X1X2P）′•（QX3X4′）

=（X1′X2′X3′X1′X4′）•（X1′X5′X3′X4′）

= X1′X2′X3′X4′X5′

即光气破坏系统故障树的最小径集为：

P1={ X1， X2，X3，X4，X5}

其最小径集基本事件组合见表4：

表4 光气破坏系统故障树的最小径集

序号单元代号事件组合

1 X1， X2，X3，X4，X5 泄漏、填料失效、真空泵故障、电气故障、无料

【3】最小割（径）集分析

由光气室爆炸故障树的最小割集统计表得知，在光气室爆炸的基本事件中，有火源是光气室发生爆炸事故最重要原因（重要度为3），以下几种情况均有可能出现明火或火花：违章动火、敲击火花、使用非防爆电器、防爆电器损坏、电器设施老化、电器腐蚀损坏、静电接地不良、流速过快、人体静电、雷击火花、在工作现场吸烟等，在出现火源的情况下，光气室所泄漏的气体与空气的混合物才可能发生爆炸，因此，在制定安全防范措施时对火源应给予特别重视。断电、电器设备故障、通风机故障等是造成光气室发生爆炸事故第二重要原因（重要度为1）。其他原因还有操作失误、设备腐蚀、设备质量、没有密闭作业等，这些原因也是造成光气室发生爆炸事故的原因之一。

由光气破坏系统故障树的最小割集统计表得知，引起光气破坏系统故障的主要原因事件有泄漏、填料失效、真空泵故障、电气故障、无料等。

4、安全对策措施

通过上述分析，从故障树的最小径集可以得知，要防范光气室发生火灾爆炸和光气破坏系统发生故障，必须采取如下安全措施：

4.1光气室

【1】制定严格的动火作业审批程序，确保在光气室的现场不出现违章动火的现象；

【2】选择合适的工具，避免产生敲击火花；

【3】严禁使用非防爆型电气设备并应对电气设备进行定期检修、更换；

【4】对于电气设备要设漏电保护措施及防腐措施，并针对老化设施进行及时检修、维护；

【5】采取防静电措施，定期检测设备的静电接地，以保证设备的静电接地情况良好；

【6】操作规程中应对易产生静电的物质限定流速，人员在工作现场应穿戴防静电工作服；

【7】在厂区设立“进厂须知”，保证每一个进入厂区的人员不吸烟，不使用手机，不携带火源及可能引发火源的东西，并监督执行；

【8】光气室及生产装置要设立防雷设施，并保持设施良好；

【9】设置光气水份控制检测仪，严格控制光气中水份含量；

【10】对于设备、管线及泵进行防腐处理，并定期检查、检测；

【11】严把质量关，对重要设备应进行检测；

【12】对于电气设备，定期检查线路并设置双回路，配备备用柴油发电机组；

【13】对通风机应定期进行检修，配备必要的备品备件，设置备用通风机；

【14】制定详细的操作规程和事故应急预案；

【15】加强人员培训，提高操作人员素质，以避免或减少操作失误。

4.2光气破坏系统：

【1】对于设备、管线及泵进行防腐处理，并定期检查、检测；

【2】定期更换密封垫，并加强巡回检查，防止接头泄漏；

【3】对于真空泵，要设置冷却装置冷却气体，并定期更换气阀片和活塞环；

【4】定期更换塔内填料，保证填料使用效果，不失效；