分析了原油、天然氣、液化氣、輕質油等危險化學品的危險特性,提出了可能引發的井噴、火災、爆炸、中毒、環境污染等事故發生的機理。
石油開采業為石油化工、石油煉制提供主要原料來源,是國民經濟的基礎產業和能源產業。石油開采過程中生產的危險化學品主要包括石油、天然氣(甲烷)、液化石油氣、穩定輕輕等,屬于易燃液體、易燃氣體和液化氣體。由于所處理物料的危險性及工藝過程的危險性,對作業人員的安全與健康、生產設備的安全運行也構成了巨大的威脅。因此,掌握石油開采過程中生產的危險化學品的危險特性及事故類型,對保證安全生產具有十分重要的意義。
1石油開采過程中危險化學品的危險特性
按照GB13690-1992《常用危險化學品的分類及標志》類別劃分,危險化學品分為8類,其危險性包括燃燒性、爆炸性、腐蝕性、活性和毒性等。危險化學品事故往往具有發生突然,擴散迅速,損失巨大的特點。如1948年墨西哥城液化石油氣爆炸事故,650人喪生、數千人受傷;1993年8月5日深圳危險化學品倉庫爆炸火災事故造成15人死亡,直接經濟損失2億元;2004年4月15日重慶天原化工廠危險化學品泄漏爆炸事故造成9人死亡,16萬人轉移。這些涉及危險化學品的事故,盡管起因和不盡相同,但都是失控的偶然事件。發生事故的根源是設施或系統中儲存或使用易燃、易爆或有毒物質。大量事實表明,造成重大工業事故的可能性和嚴重程度既與危險化學品的固有性質有關,又與設施中實際存在的危險品數量有關。
1.1石油
1.1.1 理化特性
深色粘稠液體,不溶于水,可溶于多種有機溶劑,并可與水形成乳狀液;相對密度(水=1)0.8~0.98;pH值7; 沸點(℃)常溫-500℃;閃點(℃)<28;爆炸極限1.0%~10.0%。
1.1.2危險性
危險性類別:第3.2類中閃點易燃液體。
侵入途徑:食入、經皮吸收。
健康危害:我國原油多屬石蠟基原油,以烷烴對人的影響為主。長期接觸烷烴,可表現為神經系統尤其是植物神經系統功能紊亂、胃腸道疾病發生率增高和機體抵抗力下降等。皮膚長期反復接觸原油易出現油疹,主要為痤瘡和毛囊炎型變化。
環境危害:對環境有危害。對空氣、水可造成污染。
燃爆危險:受撞擊、摩擦,遇明火或其它點火源有爆炸危險。使用時其蒸氣與空氣混合,能形成爆炸性混合物。
1.2天然氣(甲烷)
1.2.1理化特性
常溫下為無色無臭氣體,微溶于水,溶于醇、乙醚;相對密度(水=1)0.42(-164℃),(空氣=1)0.55;熔點(℃)-182.5;沸點(℃)-161.5;飽和蒸氣壓(kPa)53.32(-168.8℃);燃燒熱(kJ/mol)889.5;臨界溫度(℃)-82.6;臨界壓力(MPa)4.59;引燃溫度(℃)538;最小點火能(mJ)0.28;最大爆炸壓力(MPa)0.717;閃點(℃)-188;爆炸極限5.3%~15.0%。
1.2.2 危險性
危險性類別:第2.1類 易燃氣體。
侵入途徑:吸入。
健康危險:甲烷對人基本無毒,但空氣中含量達25%~30%以上使氧含量明顯降低而能引起一系列缺氧癥狀。如含硫化氫及一氧化碳,毒性增加。接觸高濃度時常有頭昏、頭痛、惡心、嘔吐、注意力不集中、呼吸和心率加速等癥狀。嚴重時可出缺氧窒息、昏迷、呼吸困難以至腦水腫、肺水腫等嚴重并發癥。長期接觸一定嘗試的天然氣,有頭暈、頭痛、失眠、記憶力減退、惡心、食欲不振、無力等癥狀。皮膚直接接觸液體可致凍傷。
環境危害:對水生生物劇毒,對水生環境可能引起長期有害作用。對水體、土壤和大氣可造成污染。
燃爆危險:易燃,與空氣混合能形成爆炸性混合物,遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險。與五氧化溴、氯氣、次氯酸、三氟化氮、液氧、二氟化氧及其它強氧化劑接觸,發生劇烈反應。
1.3液化氣(液化石油氣)
1.3.1 理化特性
常溫、常壓下為氣態,常壓冷卻或常溫加壓下可變為液態;微溶于水,溶于乙醇、乙醚;相對密度(水=1)0.5,(空氣=1)1.2~2.0;引燃溫度(℃)426~537;閃點(℃)-74;爆炸極限5.0%~33.0%。
1.3.2危險性
危險性類別:第2.1類 易燃氣體。
侵入途徑:吸入。
健康危害:本品有麻醉作用。急性中毒:有頭暈、頭痛、興奮或嗜睡、惡心、嘔吐、脈緩等;重癥者可突然倒下,尿失禁,意識喪失,甚至呼吸停止;可致皮膚凍傷。慢性影響:長期接觸低濃度者,可出現頭痛、頭暈、睡眠不佳、易疲勞、情緒不穩以及植物神經功能紊亂等。
環境危害:對水體、土壤和大氣造成污染。
燃燒危險:極易燃,與空氣混合能形成爆炸性混合物;遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險;與氟、氯等接觸會發生劇烈的化學反應; 其蒸氣比空氣重,能在較低處擴散到相當遠的地方,遇火源會著火回燃。
1.4輕質油
1.4.1 理化特性
無色透明液體;不溶于水,溶于醇及有機溶劑;相對密度(水=1)0.78;熔點(℃)-182.5;沸點(℃)20;閃點(℃)-2;爆炸極限1.1%~8.7%。
1.4.2危險性
危險性類別:第3.2類中閃點易燃液體。
侵入途徑:食入、經皮膚吸收。
健康危害:蒸氣可引起眼及上呼吸道刺激癥狀,如濃度過高,幾分鐘即可引起呼吸困難。
環境危害:對環境有危害,對水體、土壤和大氣可造成污染。
燃爆危險:易燃,使用時其蒸氣與空氣混合,能形成爆炸性混合物
2石油開采過程中危險化學品主要事故類型
由于石油、天然氣(甲烷)、液化石油氣、穩定輕烴等危險化學品具有燃燒性、爆炸性、腐蝕性和毒性等固有的危險特性,在石油開采過程中易引發事故。其事故類型主要包括井噴、火災、爆炸、中毒和環境污染等。
2.1井噴事故
油氣井井噴是油田開發過程中的一種工程事故。由于地質及工程技術人員對地層巖性、物性、壓力等認識不清,設計及施工安全措施不當,應急搶險不及時,往往會造成強烈井噴或無控制井噴。
發生井噴的原因是多方面的,往往是多種因素共同作用的結果。多數油氣井有高壓層和漏失層,作業施工時井筒內壓井液受油氣層高壓流體的影響其密度逐步降低,以及漏失層的嚴重漏失,造成井筒液柱壓力小于地層壓力,致使液柱與地層壓力失去平衡,若無及時的補救措施,易引發井噴;井口設備裝置、井身結構、油層套管、技術套管等內在的質量問題、完井固井質量問題,以及受地面、地下流體的侵蝕和長期生產維護不及時等諸多因素的影響,造成設備破壞,破裂滲漏,也能引起井噴;井下工具、分隔器膠皮失靈,解封不開,起鉆時抽吸地層,同樣會引起井噴。這是井噴發生的客觀原因。
由于地質、工程設計的失誤,導致施工的盲目性;無預防措施或措施不當;規章制度不健全或執行不嚴;誤操作以及在施工中使用的壓井液質量不合格;不按設計施工;防噴設備、工具不配套,設備故障;未制定突發事故搶險應急預案或未演練,應急能力差;采油過程中井口人為破壞等,是導致井噴事故的人為責任原因。還有一些如地震自然災害等不可預見的因素,也能引起井噴。
2.2火災事故
在油田開發過程中石油、天然氣等泄漏后,一旦遇明火或火花,達到其最小點火能量時即被點燃,撲救不及時就造成火災事故。火災事故是油田開發過程中最常見的事故。
不同燃燒形成的火災危險性不同。可燃氣體的燃燒包括混合燃燒和擴散燃燒。可燃氣體與空氣混合后,發生的燃燒為混合燃燒,混合燃燒反應迅速,溫度高,火焰傳播速度快,危險性大。可燃性氣體由管中噴出,與周圍空氣接觸,可燃性氣體分子與氧分子相互擴散,一邊混合一邊燃燒,即擴散燃燒。在擴散燃燒中,只是部分氧進入反應帶參加反應,燃燒不完全。
可燃液體的燃燒分為蒸發燃燒和分解燃燒。發燃燒是可燃液體本身不燃燒,而只是由液體蒸發產生的蒸氣進行燃燒。這種形式的燃燒蒸氣被點燃起火后,形成的火焰溫度進一步加熱了可燃液體表面,從而加速可燃液體的蒸發,使燃燒繼續蔓延和擴大。可燃液體的分解燃燒是可燃液體受熱分解而產生可燃氣體的燃燒。
點火源是燃燒的基本要之一,明火、靜電放電、電火花和雷電火花、摩擦或使用非防爆工具、車輛產生的火花,都可能成為易燃液體及易燃氣體的點火源,都能引發火災事故。
石油、天然氣易燃性與燃燒極限、最小點火能、閃點、自燃點、燃燒速度、火焰蔓延速度以及燃燒溫度等有關,也與沸點、導電率、密度、粘度、與水混合性等有關。特別是石油的沸溢、爆噴特性和靜電聚集特性,決定了石油火災的易發生、發展,很難控制與撲滅。
2.3爆炸事故
石油、天然氣、液化石油氣、輕質油的爆炸,以爆炸性混合物爆炸為主要形式。其爆炸雖然發生于瞬間,但也存在一個發展過程。一是爆炸性混合物的形成階段,即可燃物質與助燃物質擴散形成爆炸性混合物,遇明火或火花后開始燃爆;二是連鎖反應階段,爆炸性混合物與點火源接觸后便有自由原子基生成而成為連鎖反應的作用中心,熱和連鎖載體向外傳播,促使鄰近一層爆炸混合物起化學反應,然后這一層又成為熱和連鎖載體的源泉,從而引起另一層爆炸混合物的反應。火焰是以一層層同心圓球面的形式向各方面蔓延。若在火焰的擴散線路上有遮擋物,燃燒熱的積聚導致氣體溫度上升,連鎖反應急劇加速引起壓力的急劇增加,使爆炸威力升級;三是完成爆炸階段,爆炸力造成破壞,甚至造成災難。
影響石油爆炸危險性的主要因素有閃點、爆炸極根、電阻率、粘度、受熱膨脹系數等,閃點越低、爆炸極限越寬、電阻率越大、粘度越低、受熱膨脹系數越大,則爆炸危險性越大。影響天然氣爆炸危險性的主要因素自燃點、爆炸極限、密度、擴散系數、爆炸威力指數等,自燃點越低、爆炸極限越寬、與空氣密度越相近、擴散系數越大、爆炸威力指數越高,爆炸危險性越大。
2.4中毒事故
石油、天然氣及其蒸氣具有一定的毒性。石油蒸氣石油氣經入的消化道和呼吸道進入人體,而產生急性及慢性中毒。當空氣中含量為0.28%時,人在該環境下經過12~14min便 會有頭暈感;當含量達到1.13%~2.22%時,人將難以支持;含量更高時,人會立即暈倒,失去知覺,造成急性中毒,并可能導致窒息死亡。若皮膚經常與油品接觸,則會產生脫脂、干燥、裂口、皮炎或局部神經麻木等癥狀;油品進入口腔、眼睛時,會使粘膜枯萎,有時還會引起局部充血。
當天然氣中含有硫化氫時,其毒性即危險性更大。硫化氫為無色具有臭雞蛋味的氣體,比空氣重,在空氣中易聚焦,不易飄散。當空氣中達到0.035mg/m3時,人即可嗅到;當空氣中含量超過10.00 mg/m3時,由于神經麻痹,味道反而不是嗅到,人可在數秒鐘內突然昏迷,呼吸和心跳驟停,往往出現閃電型死亡。硫化氫是強烈的神經毒物,對粘膜有強烈刺激作用,短期內吸入高濃度硫化氫后出現流淚、眼痛、眼內異物感、畏光、視物模糊、流涕、咽喉部灼熱感、咳嗽、胸悶、頭痛、頭暈、乏力、意識模糊等,部分人員可有心肌損害,重者可出現腦水腫、肺水腫。長期低濃度接觸,引起神經衰弱綜合征和植物神經功能紊亂。
2.5污染事故
油氣田開發過程中,因管理不善、操作失誤、人為破壞,或因油氣工藝設施設備維護維修不及時、存在隱患帶病運行等原因,會發生油氣泄漏污染事故。天然氣等氣體泄漏主要危害是對大氣環境造成污染,當含有硫化氫時,易發生人員中毒事故。石油及其產品泄漏排放,會對生態環境造成危害。石油、含油污水經土壤進入水體后,將漂浮在水面上形成一層油膜,阻止大氣中的氧氣溶解于水,從而造成缺氧影響到水體的自凈作用。魚蝦等長期生活在污水中,將導致肉內油味增多甚至死亡。含有硫化物的含油污水灌溉農田,往往會引起農作物根系腐爛。
3結論
石油開采過程中生產的危險化學品具有易燃易爆、有毒有害等危險特性,在油田開發過程中易引發井噴、火災、爆炸、中毒和環境污染等事故。但只要掌握其危險特性、事故類型及事故成因,采取相應的安全技術措施,加強對危險化學品的管理,事故是可以防范和控制的。