بررسی حوادث مخازن ذخیره مواد شیمیایی و نحوه ارزیابی و کاهش خطرات

علیرضا نریمان‌نژاد، رئیس ایمنی و پدافند غیرعامل شرکت ملی صنایع پتروشیمی

دانشجوی دکتری مدیریت و برنامه‌ریزی محیط زیست (دانشکده پردیس البرز دانشگاه تهران)

غلامرضا نبی بیدهندی، استاد دانشکده محیط زیست دانشگاه تهران

حسن هویدی، استادیار دانشکده محیط زیست دانشگاه تهران

 

• مقدمه

مخازن ذخیره در پالایشگاه­ها و واحدهای پتروشیمی محتوی مقادیر بالایی مواد خطرناک و بعضاً قابل‌اشتعال می­باشند و یک حادثه کوچک امکان ایجاد خسارات میلیون دلاری به اموال و توقف در پروسه تولید را به همراه خواهد داشت. نتایج حوادث بزرگ نیز باعث کاهش ارزش سهام شرکت­ها، ورشکستگی و تشکیل پروژه­های حقوقی خواهد شد. در طول ۵۰ سال گذشته سازمان­های تجاری و انجمن­های مهندسی از قبیل API، NFPA، ASME و … استانداردها و راهنماهای سخت­گیرانه­ای برای طراحی، انتخاب مواد، ساخت و مدیریت ایمن مخازن ذخیره تدوین و منتشر نموده­اند، اما باز هم حوادث هولناکی در مخازن ذخیره اتفاق می‌افتد که منجر به تلفات جانی و مالی می‌گردد. درس‌آموزی از تجربه حوادث قبل، کمک شایانی به انجام عملیات­های ایمن در مخازن ذخیره مواد شیمیایی خواهد نمود.

 

• انواع مخازن ذخیره مایعات هیدروکربنی

مخازن ذخیره مواد شیمیایی در صنایع نفتی و شیمیایی به منظور ذخیره­سازی مواد خام اولیه، میانی و یا محصولات تولید نهایی در یک محوطه خارج از محدوده فرآیندی مورد استفاده قرار می­گیرند. انواع مخازن ذخیره­سازی مواد قابل‌اشتعال و هیدروکربن­های مایع غالباً در سه گروه اصلی تقسیم­بندی می­شوند:

• مخازن سقف ثابت یا مخروطی
• مخازن سقف شناور روباز
• مخازن سقف ثابت با سقف شناور داخلی

 

شکل ۱: انواع مخازن ذخیره

غالباً نوع دوم و سوم برای ذخیره­سازی هیدروکربن­های فرار از قبیل نفت خام، محصولات سبک (white) استفاده  می­شوند. پارامترهای مهم در انواع مخازن فوق، وجود دیواره­های خاکریز مناسب (Bunds)،حجم مناسب ذخیره­سازی، فاصله ایمن مناسب بین مخازن و تاسیسات می­باشد.

 

• سناریوهای محتمل در حوادث مخازن ذخیره

سناریوهای محتمل در حوادث مخازن ذخیره عبارتند از:

• حریق در قسمت Rim Seal
• نشت و حریق روی سقف
• حریق روی سطح تانک
• حریق در محدوده دایک و Bund Well
• انفجار Pontoon
• Boilover

 

شکل ۲: سناریوهای حریق احتمالی در مخازن ذخیره

تحقیق و بررسی درخصوص حوادث انفجار مخازن ذخیره هیدروکربن مایع نشان می­دهدکه:

• انفجار معمولاً از یک نشتی شروع می­شود.
• سرریز شدن مایعات قابل‌اشتعال از مهم‌ترین موارد حادثه آتش­سوزی است.
• انفجار ابر بخار (VCE) معمولاًدر فاصله ۳۰۰ – ۳۰ متری محل نشت اتفاق می­افتد.
• محدوه زمانی جرقه و انفجار بین ۲۰ تا ۹۰ دقیقه از محل نشت است.
• معمولاً شرایط جوی خنثی قبل از حوادث حاکم بوده است.

 

 

• روش شناسی خطرات مخازن ذخیره مایعات هیدروکربنی

مخازن ذخیره مایعات هیدروکربنی معمولاً بخشی از تاسیسات نفتی و پتروشیمی محسوب شده و شناسایی خطرات و پتانسیل­های حریق در این مخازن از اهمیت بسزایی برخودار است. بنابراین ضروری است، انجام یک مطالعه و آنالیز خطر موارد ذیل را در بر گیرد:

• شناسایی و مشخص‌نمودن محدوده مخازن شامل نقشه‌های عمومی آنها
• جمع­آوری اطلاعات لازم در مورد داده‌های هواشناسی، Hydrographical، Meteorological و …
• جمع­آوری داده­های هواشناسی لازم درخصوص دوره­های بارش باران و برف­های سنگین
• لیست تاسیسات خطرناک مجاور محوطه مخازن
• شرح فرآیند تولید هر قسمت از واحد
• شناسایی ویژگی‌های مواد شیمیایی مطابق MSDS مواد

 

• تجزیه و تحلیل حوادث مخازن

در تحقیق انجام شده حوادث بوقوع پیوسته در ۲۴۲ مخزن مواد شیمیایی در طول ۴۰ سال گذشته تاسیسات صنعتی دنیا با استفاده از دیاگرام استخوان ماهی (Fishbone) مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. نتایج این تحقیق نشان می­دهد که ۷۴ درصد از حوادث مذکور در صنایع نفتی، ترمینال ذخیره و بارگیری نفت اتفاق افتاده است. حریق و انفجار در این مخازن با ۸۵ درصد، بیشترین آمار علل بروز حوادث را داشته‌اند. حدود ۳۳ درصد از حوادث مربوط به رعدو برق و ۳۰ درصد بدلیل خطاهای انسانی، شامل عملیات بهره‌برداری اشتباه و تعمیرات بوده است. از دلایل دیگر حوادث می‌توان به نقص تجهیزات (Equipment Failure)، خرابکاری، پارگی و شکستگی، نشت و پارگی خطوط، الکتریسته ساکن و حریق باز در اطراف مخازن اشاره نمود. اقدامات اصلاحی پیش‌بینی شده در این تحقیق به پیشگیری از تکرار حوادث مشابه کمک خواهد نمود و بیشتر این حوادث از طریق انجام مهندسی مناسب قابل پیشگیری و پیش‌بینی بوده است. از تعداد ۲۴۲ حادثه، ۱۱۴ مورد آن در امریکای شمالی،۷۲ مورد در آسیا و ۳۸ مورد آن در اروپا اتفاق افتاده است. بیشترین تعداد این حوادث، ۱۱۶مورد (۸/۴۷ درصد) در پالایشگاه­های نفت، ۶۴ مورد (۴/۲۶ درصد) در ترمینال‌های نفتی و بارگیری و حدود ۷/۲۵ درصد در واحدهای پتروشیمی دارای بیشترین نرخ حوادث بوده‌اند. (جدول شماره ۱)

 

جدول ۱: حوادث اتفاق افتاده براساس نوع فعالیت شرکت‌ها

مطابق جدول شماره (۲) و براساس نوع مواد شیمیایی و محتویات مخازن، نفت خام، گازوئیل و محصولات نفتی همچون نفت سوخت و دیزل بیشترین تعداد حوادث را داشته­اند. تانک­های سقف شناور اتمسفریک بیشترین نرخ حوادث و مخازن سقف مخروطی (Core roof) دومین نرخ حوادث را داشته­اند.

 

جدول ۲:

براساس آمارهای موجود، حریق در مخازن با ۱۴۵ مورد و انفجار با ۶۱ مورد بیشترین عامل ایجاد حادثه در مخازن ذخیره مواد شیمیایی بوده­اند. مطابق جدول شماره (۳) حریق و انفجار در مجتمع­ها ۸۵ درصد علل اصلی حوادث بوده­اند و نشت نفت و انتشار مواد سمی مایع، سومین عامل ایجاد حادثه در مخازن بوده است.

 

جدول ۳:

• علل حوادث

در جدول شماره (۴) مهم‌ترین علل حوادث مخازن ذخیره مواد شیمیایی بیان شده است. مطابق آمار، رعد و برق بیشترین علل تکرار حوادث بوده و خطاهای تعمیراتی در ردیف دومین و بعد از آن خطاهای بهره­برداری/ عملیاتی، خرابی تجهیزات و نقص سیستم­های ایمنی، خرابکاری، پارگی و شکستگی مخزن، نشت و پارگی خطوط، الکتریسته ساکن و حریق رو باز از دلایل عمده حریق مخازن بوده است.

 

جدول ۴:

علل مستقیم و ریشه‌ای حوادث در دیاگرام استخوان ماهی نشان داده شده است.

 

شکل ۳: دیاگرام استخوان ماهی

 

• رعد و برق (Lightning)

دو دلیل عمده درخصوص حوادث آتش­سوزی ناشی از رعد و برق وجود دارد. عامل اول برخورد مستقیم صاعقه و عامل دوم اثرات ثانویه همچون: تخلیه باند، پالس الکترواستاتیک و جریان­های زمین است. یک منطقه برخورد رعد وبرق دارای محدوده شعاعی ۱۰ متر می­باشد. زمانی‌که یک مخزن ذخیره در منطقه صاعقه قرار دارد، بخارات قابل‌اشتعال در معرض اثرات گرمایی یا Stroke channel ، ممکن است مشتعل شود.

Rim Seal مخازن سقف شناور مهم‌ترین مکان قابل‌احتراق در اثر برخورد صاعقه به آن می‌باشد. از عوامل موثر در ایجاد حریق مخازن بر اثر رعد و برق موارد زیر است:

• ضعف در سیستم اتصال به زمین مخزن، بمنظور جذب کامل یک صاعقه مستقیم
• نشت مایع قابل‌اشتعال یا نشت در قسمت Rim Seal و ایجاد حریق در نتیجه برخورد رعد و برق به مواد نشت شده
• برخورد مستقیم صاعقه به مخزن و در نتیجه نشت و آتش­سوزی

Tight sealing برای جلوگیری از خروج بخارات و مایعات قابل اشتعال ضروری است. برای ایمنی مخازن، شیرهای تخلیه (Vent Valve) مکان احتمالی دیگر در آتش­سوزی مخازن محسوب می­شوند در این حالت لازم است که Flame Arrestor نصب شود.

بکارگیری استانداردهای رعد وبرق از قبیل۷۸/۷۸۰  NFPA کمک شایانی به پیشگیری از حوادث آتش­سوزی مخازن خواهد نمود.

 

• خطای تعمیراتی (Maintenance Error)

انجام عملیات جوشکاری، عامل بروز ۱۸ حادثه بوده است. در حادثه تسالونیکی سال ۱۹۸۶ یونان، برخورد جرقه­های ناشی از یک برشکاری باعث انتقال بخارات و گسترش آتش به مناطق دیگر شد که در اثر آن ۱۰ تانک ذخیره نفت به مدت ۷ روز در حال حریق بود و ۵ نفر کشته بهمراه داشت.

پیاده­سازی سیستم مجوز کارگرم براساس استانداردهای NFPA و مقرارت OSHA در پیشگیری از حوادث مهم است.

معیارهای کاهش اینگونه خطرات آتش­سوزی شامل: دستورالعمل­های مناسب کار گرم، تجهیزات خاموش­کننده کافی، تست مناسب تجهیزات، Seal نمودن همه درین­ها، ونت­ها، دریچه­های آدم­رو (Man Way)، فلنج­های باز و همه Sewerها است.

اصطکاک مکانیکی باعث ایجاد جرقه و مشتعل‌شدن بخارات قابل‌اشتعال می­گردد. همچنین شوک و جرقه­های الکتریکی باعث ایجاد اشتعال و انفجار در مخازن ذخیره خواهد شد. بمنظور کاهش خطرات الکتریکی، در نظر گرفتن استاندارد NFPA 70 بخش ۵۰۰، طبقه‌بندی مناطق خطرناک AICHE, 1993 ضروریست و مهندسین باید توجه ویژه­ای به ایمنی دستگاه­های الکتریکی معطوف نمایند.

از عوامل موثر در ایجاد حریق مخازن بر اثر خطاهای تعمیراتی نیز به موارد زیر می‌توان اشاره کرد:

• عدم کنترل و پوشش مناسب محوطه جرقه‌های حاصل از عملیات برشکاری و جوشکاری
• استفاده از ابزار و تجهیزات Non-Explosion
• جریان‌های اتصال کوتاه
• جرقه‌های ترانسفورمر
• ضعف در تجهیزات اتصال زمین

 

• خطای عملیاتی/ بهره­برداری (Operational error)

سرریز شدن مواد شیمیایی در اثر خطاهای عملیاتی/ بهره برداری از مهم‌ترین علل بروز حوادث در مخازن ذخیره است. (۱۰ حادثه سرریز شدن از تعداد ۲۴۵ حادثه) زمانی‌که مایعات قابل‌اشتعال از مخازن سرریز می­شود، ایجاد جرقه و انفجار در این حالت غیر قابل پیش­بینی است. معمولا منابع ایجاد جرقه در اطراف مواد قابل‌اشتعال موجود در مخازن می­تواند به وقوع حریق و انفجار منجر شود. از تعداد ۱۵ مورد حادثه سرریز شدن مواد، ۱۳ مورد آن منجر به حریق و انفجار شده است. از مهم‌ترین عوامل بروز حوادث در اثر خطاهای عملیاتی/ بهره برداری موارد ذیل را می­توان نام برد:

• سرریز مخازن بعلت خرابی سیستم اندازه­گیری سطح و یا خطای انسانی در بکارگیری دستورالعمل بارگیری
• انتشار ماده قابل‌اشتعال بدلیل بازشدن تصادفی ولوهای درین
• نشت نفت براثر خطای اپراتور
• ورود یک محصول با درجه حرارت بالا به مخزن
• خرابی تجهیزات و سیستم­های ابزار دقیق
• غرق‌شدن سقف شناور در نتیجه Bursting و ایجاد حریق در تمامی سطح فوقانی مخزن
• خرابی نشان‌دهنده سطح مایع در اثر سرریز شدن مواد
• خرابی ولو تخلیه (Discharge)
• باز نبودن ولو ونت (Rusted Valve)

 

• خرابکاری (Sabotage)

خرابکاری چهارمین علت بروز حوادث در مخازن ذخیره بوده است. ۱۵ مورد حادثه خرابکاری بدلیل حملات تروریستی و یا عملیات نظامی بوده است.

 

• شکست تجهیزات (Equipment Failure)

۱۱ مورد از حوادث خرابی یا شکست تجهیزات در مخازن ذخیره مواد شیمیایی، مربوط به غرق‌شدن سقف شناور (Sunken Roof) بوده است. چهار مورد مربوط به شکست ولو (Valve failure)، دو مورد اختلال در عملکرد هیترها، یک مورد شکست آنالایزور و یک مورد شکست ترموستات بوده است. بازرسی و تعمیرات منظم بمنظور اطمینان از عملکرد صحیح دستگاه­های فوق، روش مناسب پیشگیری می­باشد.

 

• پارگی و ترک (Crack & Rupture)

۱۷ مورد ترک در مخازن ذخیره منجر به نشت مواد شیمیایی (نفت، اسید هیدروکلریک، اسید سولفوریک، Molten sulfur، حلال سیانید سدیم) و بروز حریق و انفجار شده است. بیشتر خسارات تانک­های ذخیره‌سازی مربوط به فرسودگی و تنش حرارتی جداره مخازن می­باشد. ترک معمولاً در کف مخازن و لبه­های جوش اتفاق می­افتد. از عوامل موثر در ایجاد حریق مخازن بر اثر پارگی و ترک موارد زیر است:

• ضعف در عملیات جوشکاری/ لحیم­کاری
• خمیدگی و اعوجاج پوسته مخزن
• خوردگی سقف و پوسته و فرونشت زمین

 

• الکتریسته ساکن (Static Electricity)

۱۲ مورد از حوادث مخازن ذخیره مواد شیمیایی مربوط به الکتریسته ساکن است. ۶ مورد این حوادث در طول عملیات نمونه‌برداری (sampling) از محتویات قابل‌اشتعال مخازن با دسترسی آزاد (Open Access Point) ها بوده است. استفاده از وسایل فلزی یا ظروف غیرهادی، از عوامل تهدید در زمان نمونه­برداری محسوب می­شود. بمنظور کاهش خطرات نمونه­برداری، می‌بایست از دسترسی اپراتورها به Open point ها جلوگیری شود. همچنین از ظروف و ابزارهای غیررسانا برای عملیات نمونه‌برداری استفاده شود. جریان سیال در خطوط و آشفتگی سیال پمپ شده، منجر به تولید الکتریسته ساکن در مایع و خطوط انتقال شده که ایجاد یک جرقه احتمالی بین ظروف فلزی نمونه‌گیری و تولید تجهیزات انتقال مایع، باعث بروز آتش‌سوزی و انفجار خواهد شد. ظروف بایستی به یکدیگر اتصال زمین (Bonded) شود تا خطر تخلیه الکتریسته ساکن در طول عملیات انتقال مایعات قابل‌اشتعال به حداقل برسد.

برخی عوامل ایجاد حریق در مخازن ذخیره بدلیل تولید الکتریسته ساکن عبارتند از:

• ایجاد جرقه و الکتریسته ساکن در هنگام بریدن لاستیکSeal کننده سقف شناور
• ضعیف‌بودن سیستم اتصال به زمین مخزن و در نتیجه ایجاد جریان­های الکتریکی در پوسته مخزن و مشتعل‌شدن بخارات قابل‌اشتعال
• ایجاد جرقه در حین انتقال سیال، در طول عملیات پرشدن مخزن، مخصوصا در زمان افزایش نرخ/ سرعت بارگیری
• دستورالعمل نمونه­گیری ضعیف (کفش، دستکش، دستگاه­های VHF نامناسب) و امکان تولید جرقه حین بارگیری

 

• نشت و پارگی خط (Leak Line Rupture)

۱۵ مورد نشت مواد قابل‌اشتعال، بدون در نظر گرفتن هیچ‌گونه سیستم آشکارساز، باعث ایجاد حریق و انفجار در مخازن ذخیره شده است.

از عوامل موثر در ایجاد حریق مخازن بر اثر نشت و پارگی خط موارد زیر را می‌توان نام برد:

• نشت پمپ/ ولو
• نشت مایع قابل‌اشتعال از گسکت
• شکست متریال خطوط لوله‌کشی
• بی­مهارتی پیمانکار در انجام امور محوله
• شکست خطوط لوله بدلیل انبساط مایع

 

• شعله­های رو باز (Open Flames)

۸ مورد شعله­های روباز از قبیل: حریق علف­های خشک، سیگار کشیدن و ذرات داغ باعث ایجاد حریق در مخازن ذخیره شده است.

 

• بحران‌های طبیعی (Natural Disaster)

متناسب با شرایط و ویژگی‌های لرزه‌ای، خسارات به مخازن ذخیره مواد شیمیایی یک پدیده پیچیده ناشی از زمین لرزه می‌باشد. خوشبختانه تنها چهار مورد از آتش‌سوزی‌ها و نشت مواد شیمیایی بزرگ، مربوط به زمین‌لرزه می‌باشد که از این تعداد ۳ مورد در ژاپن و یک مورد در ترکیه اتفاق افتاده است.

 

• واکنش­های اتفاقی/ فراری (Runaway Reaction)

واکنش گرمازای فراری ممکن است زمانی‌که در مخازن ذخیره ناخالصی یا مواد خارجی وجود داشته باشد، رخ دهد که نمونه آن حادثه انتشار بخارات ایزوسیانید بوپال هند در اثر واکنش گرمازای مایع متیل ایزو سیانیت با آب در سال ۱۹۸۴ می باشد.

آتش‌سوزی مخازن مواد شیمیایی، حوادث نسبتاً نادری هستند که ممکن است اتفاق بیافتد. اما عواقب غیر قابل انتظاری برای تاسیسات، محیط زیست، سلامت کارکنان و همسایگان را بدنبال دارد. اما با این حال حوادث اخیر در سطح دنیا همچون حادثه مخزن نفت بانسفیلد (انگلستان) و حادثه مخزن ذخیره پالایشگاه نفت کارپین (۲۰۰۹-آمریکا) اتفاق افتاده است.

این حوادث نشان می­دهد نه تنها دامنه تخریب در مقیاس بزرگ را بدنبال دارند، بلکه پتانسیل آسیب به محیط زیست را نیز به همراه دارند. تحقیقات مرتبط با انتشار دود غلیظ حاصل از این حوادث آتش‌سوزی بیانگر انتشار میزان بسیار زیاد آلاینده‌های اکسید گوگرد (So_۲)، منواکسید کربن (Co)، پلی آروماتیک (pah5)، ترکیبات فرار(voc) و به خطر افتادن سلامت کارکنان و ساکنین اطراف این تاسیسات صنعتی را خواهد داشت.

 

• ضعف سیستم­های ایمنی پشتیبان:

سیستم­های حفاظت و پییشگیری ایمنی، معمولا بعنوان سیستم مکمل در کاهش پیامدهای حاصل از حریق مخازن مورد استفاده قرار گرفته ولی این سیستم‌ها بعضا بدلیل نقص در عملکرد، باعث گسترش دامنه حریق و خسارات خواهند شد.

از مهم‌ترین عوامل موثر در ارتباط با این موضوع به مواردی همچون :

• کافی نبودن سیستم کولینگ مخازن
• کمبود تامین آب جهت عملیات اطفاء حریق
• یخ‌زدگی آب موجود در سیستم خطوط لوله آتش‌نشانی
• فقدان سیستم آلارم و آشکارساز حریق (F&G)
• خرابی پمپ دیزل / یدکی آب آتش‌نشانی
• فقدان تجهیزات ثبت رویداد و کنترل فیزیکی CCTV
• فقدان طرح واکنش در شرایط اضطراری مخازن ذخیره

 

• جمع‌بندی و نتیجه‌گیری

براساس آنالیز و تجزیه و تحلیل‌های انجام‌شده، مطابق دیاگرام استخوان ماهی و همچنین نقطه نظرات کارشناسان خبره در حوزه مذکور، بمنظور پیشگیری از وقوع حوادث حریق و انفجار در مخازن ذخیره که می‌تواند علاوه بر تبعات انسانی، خسارات مالی و زیست محیطی جبران‌ناپذیری از قبیل: آلودگی هوا، آب‌های زیرزمینی، خاک و … بدنبال داشته است، اقدامات ذیل صورت پذیرد:

• یکپارچه نمودن سیستم حفاظت از سرریز شدن مخازن (سوئیچ‌های سطح‌سنج High-High و Low-Low و ارتباط و اتصال آنها به ولو قطع‌کننده جریان Shut-Off Valve )
• در نظر گرفتن سیستم حفاظت از رعد و برق ( پیش‌بینی سیستم مناسب اتصال به زمین جهت هر یک از تانک‌ها و ترکیب آن با سیستم هدایت‌کننده رعد و برق در موقعیت مناسب و ارتفاع از محوطه تانک‌ها)
• در نظر گرفتن سیستم‌های پیشگیری از حریق Rim Seal (که غالبا در مخازن سقف شناور اتفاق افتاده است.)
• بررسی و بازدیدهای منظم از سیستم‌های ونت قسمت فوقانی مخازن سقف ثابت و اطمینان از کارائی مناسب آنها
• استفاده از ابزار و تجهیزات ضدحریق در زمان انجام هر نوع فعالیت تعمیراتی در محدوده سایت مخازن
• جلوگیری از غوطه‌وری سقف مخازن و تعمیرات و بازرسی منظم از Pontoon ها و Rim Seal و سیستم درین
• پیشگیری از حوادث Boilover از طریق خروج آب از مخازن طی بازه‌های زمانی مناسب
• در نظرگرفتن پدیده‌های آب و هوایی شدید از قبیل: بارش‌های سنگین، گردباد، طوفان و امکان جاری‌شدن مواد هیدروکربنی و آسیب به محیط زیست پیرامون
• در نظر گرفتن مخاطرات ورود سیال با دمای بالا به مخزن و بروز حریق
• بررسی نفوذپذیری دیواره‌های اطراف مخازن Dike Wall
• در نظر گرفتن سناریوهای انفجار ابر بخار VCE در مخازن ذخیره و پیش‌بینی‌های لازم جهت جلوگیری از وقوع این پدیده