HAZOP分析在RDX硝化反应的应用与研究*

陈明磊 尚凤琴 秦亮 胡显娣 杨卓凡 方涛

(甘肃银光化学工业集团有限公司 甘肃白银 730900)

0 引言

RDX作为一种典型高能炸药应用十分广泛，其产品在军品行业内可用于我国各类武器系统，民品行业可用于雷管、导爆管等工程爆破设备中[1-2]。但由于其具有易燃易爆的特性，生产设备管线复杂、生产流程不连续、自动化和信息化程度较低、工房作业场所的安全隐患较多等各类因素，在生产过程中易发生燃爆事故，从而造成严重的人员伤亡和财产损失[3]。

随着我国火炸药生产行业逐步实现装置大型化、过程连续化、控制自动化，工艺过程的危险性也随之增大。为了保证安全生产，同时满足国家对火炸药行业的生产、储存、运输及使用的安全要求，风险评估的全面性和准确性尤为重要。但是目前对火炸药行业的安全评估的方法手段较为单一，以RDX为例，其生产缺少相关的安全评价方法，尤其欠缺RDX生产工序的整体安全性分析与评价，对系统安全性分析普遍存在着较多的经验成分和信息化程度不高等缺点[4-6]。

本研究采用在石化行业广泛使用的HAZOP法对RDX硝化工序进行危险有害因素辨识，查找RDX硝化工序存在的工艺安全问题，系统地检查工艺过程以找出对原设计条件可能发生的偏差，确定哪些偏差可能导致危害或引起操作问题，为RDX的工业化安全生产提供依据。

1 HAZOP分析技术

1.1 概述

HAZOP即危险与可操作性研究分析方法，最早由英国化学工程师T.克莱兹在1963年发明，从提出到摸索再到推广至欧美等国历经数十年之久。此分析方法主要采取引导词方式、经验式和检查式等3种形式，其中传统HAZOP分析采用引导词为主体，可以全面、系统地识别化工装置的工艺流程中的危险点，突出管理的重点，系统地排查生产线的隐患，进而有效提升工作流程的效率[7-8]。

目前HAZOP分析在欧美等发达国家应用较为成熟，研究方法及流程也得到较大的改进。相比较而言，我国石化行业内对HAZOP分析的应用较晚，但国内众多石化公司建设项目的安全管理中HAZOP分析已成为必不可少的环节，如近些年中石油要求所有新建大型项目必须进行HAZOP分析[9-11]。可见，随着国家对化工生产行业的安全越来越重视，后续也必将出台更多的针对于危化品生产的安全保障措施。

1.2 研究方法及流程

HAZOP分析方法是由工艺、设备、自控、现场操作等具有不同知识背景的人员所组成的有经验的评价小组，充分利用基础数据、工艺图纸、物料清单、事故统计等资料进行详细的审查。评价小组通过会议讨论等形式将连续的工艺流程划分为若干个单元，再识别可能会出现的事故(如人员伤害及伤亡、财产损失、环境污染等)及可能会出现的各种安全问题。最终给出该分解单元中可能存在的潜在危险源，并对该危险源作出简单的描述，设计或推荐更为有效的安全保障措施等解决方案[12]。

HAZOP分析的主要流程图如图1所示。

图1 HAZOP分析的基本步骤

2 RDX硝化反应的HAZOP分析

2.1 工艺原理与流程

硝化工序是指将乌洛托品在硝酸中硝解的过程，该工序是RDX制备的核心工序，直接影响到RDX产品的质量和得率。直接硝解法，即被西方国家称为的赫尔氏法(Hale Process)[4]，该生产工艺自20世纪30年代以后虽有所改进，但是本质基本未变，反应式如下：

(CH2)6N4+4HNO3→(CH2NNO2)3+NH4NO3+3CH2O

直接硝解法的硝化工序采用釜式连续反应器，即硝化机和成熟机连接而成。首先乌洛托品和硝酸加入硝化机内，其中硝酸与乌洛托品的质量比一般控制(10.5～12)∶ 1，全程控制反应温度为10～20 ℃，硝化机内平均停留20～40 min后反应液流入成熟机进行补充反应。反应液平均停留15～30 min，保证反应完全后再流入结晶机进行氧化结晶反应。全过程需时刻注意反应温度，并严格控制连续加料速率和硝化液中硝酸的含量等参数。

此工序中乌洛托品与浓硝酸反应剧烈，如1 kg乌洛托品放热约为2 300 kJ，很容易产生局部过热甚至失火和爆炸的情况，因此反应时必须一直保持强烈的搅拌，并将乌洛托品均匀加入到反应液中，勿使乌洛托品与浓硝酸在硝化液外接触。

2.2 确定风险矩阵

此次HAZOP分析的范围是RDX生产线中的硝化工序，涉及此工序中的硝化机、成熟机和硝化系统的所有的泵、管线、控制回路及阀门等。所用到的资料包括工艺操作手册、管道和仪表流程图、工艺流程图、设计数据、联锁逻辑、报警参数以及仪表数据等。另外，分析小组在分析前需合理假设，防止出现分析过度或分析结果过于复杂的情况[13-14]。

应用HAZOP分析对RDX硝化过程进行分析，找出可能存在的危险及事故点，提出有效措施为RDX的安全生产做出保障。确定工艺参数偏差见表1。

表1 HAZOP分析偏差矩阵

2.3 HAZOP分析结果

HAZOP 评价小组将RDX硝化过程的操作步骤划分节点，再进行逐一分析，对此工序中可能出现偏差的风险程度、产生原因、发生后果及现有安全保障措施进行讨论和总结，并提出相应的对策措施，编制HAZOP分析结果，部分主要内容见表2。

表2 部分HAZOP分析结果

从上述HAZOP分析的结果来看，RDX硝化工序主要存在流量、压力、温度、杂质和公用工程等主要偏差。大部分偏差虽然有相应的保护措施和应急策略，但不能从根本上消除偏差的影响。但需要注意的是，在发生可能性较大的偏差中还存在物料意外混合的情况。作为采用硝酸硝化的工艺，蛇管和反应釜壁也可能会存在被腐蚀的风险，因此在安全放大和热失控评估的时候需要考虑这部分问题，为此需要识别出此类风险后模拟该失控情形进行物料或反应的评估。

该工序是RDX制备工序的核心工序，直接影响到RDX产品的得率和质量，故针对该工序的所有发生频率较高、危险系数较大和较难控制的偏差，还需指定更加针对性的解决措施或预防手段。

3 建议措施

RDX的硝化工序为强烈的放热反应，乌洛托品与浓硝酸反应十分剧烈，且此硝解反应始终伴随着分解反应，并放出大量的氧化氮等毒性较大的气体，有较大的安全隐患，需要对此工艺过程进行安全控制，确保RDX硝化工序的安全。针对上述RDX硝化工序的HAZOP分析，提出如下建议措施：

(1)严格保证RDX硝化工序原材料如浓硝酸和乌洛托品的质量，杜绝因产品质量而影响工序的安全。

(2)硝化过程中严格控制加料比、加料速率、反应温度和排烟负压等关键控制点，并保持硝化机和成熟机内正常的搅拌速率。

(3)对硝化机和成熟机下分别设置安全水槽，当反应釜内物料温度超过规定值时紧急放料到安全水槽进行稀释，停止反应。

(4)保证生产车间内定员定量，并加强现场巡检，对可能出现的危险情况制定应急处置预案。

4 结语

此次HAZOP分析方法客观、详细地分析了RDX硝化工序可能出现的偏差和危险情况，所提出的问题、改进建议或措施均考虑到实际情况的可执行性和可实施性，有助于提高RDX硝化工序的安全水平。工厂可根据RDX硝化工序的实际生产情况，对此次分析提出问题的风险大小分别予以实施，确保RDX硝化工序中的安全风险得到有效控制。

HAZOP分析作为科学、全面的安全分析评价方法，以其独特的优势为石化行业提供技术支撑，并不断地拓展其应用领域。在保障化工生产装置安全运行方面起到了重要作用。虽然HAZOP分析在国内火工品等危险品的生产还处于完善阶段，需进行深入研究。但随着我国对危化品安全生产的重视程度的不断提高，HAZOP分析必将得到广泛的推广和应用。