天津市居安企業(yè)管理咨詢有限公司 唐彬 中國石油和化學工業(yè)協(xié)會培訓中心 張瑞濤｜文

本文結(jié)合美國化學品安全與危害調(diào)查委員會（CSB）對施潔國際（Sterigenics International）公司醫(yī)用品滅菌裝置環(huán)氧乙烷爆炸事故的調(diào)查，介紹了該事故發(fā)生的背景、過程及后果，從技術(shù)和管理角度分析了事故原因，并給出CSB的建議措施。

事故背景及過程

事故背景

2004年8月19日，位于美國加利福尼亞州的施潔國際公司的空氣污染控制裝置和醫(yī)用品滅菌柜內(nèi)發(fā)生了一起爆炸事故，事故造成4人受傷，生產(chǎn)裝置被嚴重破壞，停工9個月，事故現(xiàn)場見圖1。

圖1 爆炸事故現(xiàn)場

事故發(fā)生時，維護人員通過輸入密碼跳過了計算機控制的保障措施，導致滅菌柜門過早打開，造成含有環(huán)氧乙烷（Ethylene Oxide,EO）的爆炸性混合物通過滅菌柜通風系統(tǒng)被排放到催化氧化器（內(nèi)有明火）中，環(huán)氧乙烷立即被點燃，火焰通過通風導管迅速回竄到滅菌柜中，造成約22.7 kg環(huán)氧乙烷被點燃，并發(fā)生劇烈爆炸。爆炸事故中涉及的裝置平面布置和關(guān)鍵設(shè)備，如圖2所示。

圖2 事故涉及裝置的平面布置示意圖

施潔國際公司為醫(yī)用品滅菌服務(wù)提供商，在全球范圍內(nèi)擁有40個分公司，包括美國境內(nèi)的9套環(huán)氧乙烷滅菌裝置，員工約1 000人。此次事故中涉及的裝置建造于1993年，1994年開始投入使用。該套裝置設(shè)有8個滅菌柜，一周7天、24 h運行，員工約30人。

事故過程

2004年8月19日1時30分，滅菌裝置的Antares系統(tǒng)發(fā)生報警，顯示7號滅菌柜中注入環(huán)氧乙烷失效。操作人員在控制室中立即進行了數(shù)次常規(guī)系統(tǒng)檢查，確定報警是否準確，但是沒有發(fā)現(xiàn)任何問題。然后他叫來操作班長商量，共同決定中止滅菌循環(huán)過程。按照公司規(guī)定，他們使用了控制室操作臺上的循環(huán)中止按鈕。循環(huán)中止完成后，操作人員把滅菌柜中的產(chǎn)品轉(zhuǎn)移到解析室中，滅菌柜門敞開著，等待維護人員進行檢查維修。

約7時30分，維修監(jiān)督員來到現(xiàn)場，立即安排2名技術(shù)人員解決環(huán)氧乙烷注入問題。技術(shù)人員進行了一系列測試，并注入約1.8 kg環(huán)氧乙烷以進行簡短測試循環(huán)，沒有發(fā)現(xiàn)任何問題。技術(shù)人員最后又使用約56.7 kg環(huán)氧乙烷進行了最終的校準循環(huán)，注入過程同樣正常，沒有問題。技術(shù)人員已經(jīng)排除了環(huán)氧乙烷注入系統(tǒng)的問題，并急于讓滅菌柜恢復使用，于是技術(shù)人員向維修監(jiān)督員請求跳過最后的氣體沖洗階段，提前完成循環(huán)過程，他認為滅菌柜中已經(jīng)沒有殘余的環(huán)氧乙烷，所以沒有必要進行氣體沖洗。維修監(jiān)督員同意其觀點，即提前完成循環(huán)過程。

為提前完成循環(huán)過程，維修監(jiān)督員口頭告知了技術(shù)人員密碼，技術(shù)人員將命令和密碼輸入到Antares系統(tǒng)，跳過了氣體沖洗階段。幾分鐘后，技術(shù)人員把滅菌柜門開啟至預定的通風狀態(tài)，自動打開后部放空口，導致殘留在滅菌柜中的約22.7 kg環(huán)氧乙烷進入通風系統(tǒng)。環(huán)氧乙烷立刻從滅菌柜門開口處泄漏出來，引起附近區(qū)域的可燃氣體監(jiān)測儀報警。但是，報警沒有留下足夠的時間去關(guān)停催化氧化器或者疏散裝置人員。攜帶著環(huán)氧乙烷的空氣進入催化氧化器并被點燃，火焰通過通風導管回竄至滅菌柜，點燃了剩余的環(huán)氧乙烷，引起劇烈爆炸，爆炸過程如圖3所示。

圖3 爆炸過程示意圖

事故分析

爆炸源

根據(jù)通風系統(tǒng)和7號滅菌柜破壞的位置和程度，可以看出爆炸性混合氣體（攜帶環(huán)氧乙烷的空氣）是從通風導管進入催化氧化器的，在催化氧化器中被明火點燃，然后火焰又從通風導管回竄至滅菌柜中，最終導致劇烈爆炸?；鹧婵焖偃紵吐舆^程中產(chǎn)生的爆炸超壓，造成整個滅菌柜結(jié)構(gòu)遭嚴重破壞，如圖4所示。

工程控制措施

根據(jù)美國化工過程安全中心（Center for Chemical Process Safety, CCPS）相關(guān)文獻，過程安全的基礎(chǔ)是工藝設(shè)計，包括控制系統(tǒng)、報警和聯(lián)鎖、安全停車系統(tǒng)、應(yīng)急響應(yīng)和培訓等。但是，如果基本的保護系統(tǒng)失效的話，則必須采用可靠的備用系統(tǒng)控制危險。

圖4 爆炸后的7號滅菌柜

1.濃度控制設(shè)計措施

阻止環(huán)氧乙烷滅菌裝置爆炸事故發(fā)生的關(guān)鍵是確保高濃度的環(huán)氧乙烷氣體混合物不能接觸點火源（例如催化氧化器）。事故發(fā)生時，環(huán)氧乙烷滅菌裝置的工藝設(shè)計措施包括滅菌柜壓力監(jiān)測、排空和氣體沖洗以及聯(lián)鎖系統(tǒng)。在最初的滅菌循環(huán)設(shè)計階段，Antares系統(tǒng)通過指令順序編程控制上述功能。

環(huán)氧乙烷滅菌裝置通過間接監(jiān)測滅菌柜濃度，驗證滅菌柜是否達到了FDA（Food and Drug Administration, 美國食品和藥物管理局）要求的環(huán)氧乙烷等級。但是，不能監(jiān)測滅菌柜中環(huán)氧乙烷的爆炸性濃度。事故發(fā)生前，當循環(huán)序列被中斷時，工作人員無法確定滅菌柜中的環(huán)氧乙烷濃度是否處于爆炸范圍。

在滅菌循環(huán)過程中的排空和氣體沖洗階段，會把高濃度的滅菌柜氣體送至酸洗滌器進行處理，除去滅菌柜中達到爆炸濃度的環(huán)氧乙烷氣體。為了防止滅菌柜門被誤打開，設(shè)置了充氮門墊和壓力傳感器等聯(lián)鎖。

環(huán)氧乙烷滅菌裝置還設(shè)計了4∶1的放空氣稀釋氣，確保滅菌柜里的環(huán)氧乙烷濃度低于25% LEL（低于爆炸下限25%），所以裝置人員認為不可能存在爆炸性濃度氣體進入催化氧化器的情況。但是，他們沒有預想到在循環(huán)結(jié)束后會有大量環(huán)氧乙烷留在滅菌柜里。CSB調(diào)查組估計，爆炸發(fā)生前滅菌柜中的環(huán)氧乙烷濃度約為18%，是LEL的6倍。

2.控制室設(shè)計和位置

用于監(jiān)控和控制滅菌過程的控制室距離7號滅菌柜約23 m，控制室有6面玻璃窗戶，可以看到整個滅菌柜區(qū)域。爆炸對控制室結(jié)構(gòu)造成的破壞較小，但是所有的玻璃都被震碎了?？刂剖掖皯舨ＡФ际卿摶Ａ?，沒有進行防碎處理，而且控制室墻壁也沒有考慮抗爆設(shè)計。事故中所有的人員受傷都是控制室玻璃破碎飛濺造成的。

該裝置最初的設(shè)計人員表示，由于操作人員需要觀察滅菌柜的操作情況，所以控制室安裝玻璃窗戶是有必要的。另外，控制室在設(shè)計和建造時沒有考慮任何的爆炸安全措施。設(shè)計人員應(yīng)避免在存在潛在爆炸超壓的區(qū)域使用普通或者鋼化玻璃窗戶。如果必須靠近工藝區(qū)域，而且需要觀察操作情況，可以采用更安全的措施代替鋼化玻璃窗戶，例如視頻監(jiān)控和防碎玻璃等。

3.培訓

根據(jù)OSHA的危害告知（Hazard Communication ,HAZCOM）標準，可能接觸危險化學品的所有員工必須接受關(guān)于這種特定化學品以及工作場所內(nèi)可能遇到的物理危害等方面的培訓。另外，OSHA的工藝安全管理(PSM)標準明確規(guī)定培訓內(nèi)容必須包括工藝概況、操作規(guī)程、適用于員工作業(yè)任務(wù)的安全作業(yè)實踐等。

通過訪談，CSB調(diào)查組發(fā)現(xiàn)維修監(jiān)督員和技術(shù)人員都認為氣體駐留階段后的第一次排空已經(jīng)除去了所有殘留的環(huán)氧乙烷，滅菌柜中不會存在危險濃度的環(huán)氧乙烷，所以當時他們決定提前結(jié)束循環(huán)過程。包括其他員工，都認為氣體沖洗階段的唯一目的是除去被已滅菌產(chǎn)品吸收的殘余環(huán)氧乙烷。由于當時滅菌柜中沒有產(chǎn)品，不存在產(chǎn)品吸收環(huán)氧乙烷的情況，所以他們認為沒有必要進行氣體沖洗。在接受訪談的10名員工中，只有管理層和高級工程技術(shù)人員理解氣體駐留階段后的第一次排放只能除去55%～60%的環(huán)氧乙烷，即使在滅菌柜沒有產(chǎn)品的情況下，氣體沖洗是一個非常必要的安全措施。

環(huán)氧乙烷滅菌裝置的大部分正式培訓主要針對生產(chǎn)操作人員，沒有為維保人員制定特定作業(yè)的培訓項目。這些維修技術(shù)人員一般是從生產(chǎn)專業(yè)轉(zhuǎn)過來的，他們參加過相關(guān)的操作培訓，有作業(yè)經(jīng)驗，了解裝置的總體工藝知識。CSB調(diào)查組審閱了該裝置投產(chǎn)以來的所有培訓材料，發(fā)現(xiàn)了很多關(guān)于跳過氣體沖洗過程可能導致潛在爆炸風險方面的材料。大量資料中明確了，只有管理層擁有修改滅菌循環(huán)序列的權(quán)限。1997年進行的一次操作人員培訓中，提到了第一次排空只能除去約60%的環(huán)氧乙烷，而且氣體沖洗過程在任何情況下都是必須的。事故發(fā)生當天當班的維修監(jiān)督員是之后聘用的，沒有接受過這個培訓。

4.工藝危害分析

常規(guī)的工藝危害分析（Process Hazard Analysis, PHA）會識別和評估危險事件發(fā)生的可能性以及相應(yīng)的安全后果嚴重程度，以確定對員工、裝置、附近社區(qū)和環(huán)境造成的風險。PHA最終目的是通過預防化學品事故發(fā)生和控制事故后果來提升工藝過程的安全性。OSHA和 EPA（Environmental Protection Agency, 美國環(huán)境保護局）要求對裝置范圍內(nèi)的每一個工藝進行一次初步的工藝危害分析，并至少每5年重新評估一次，確保與裝置現(xiàn)狀的符合性。

1993年11月，裝置開車之前，該環(huán)氧乙烷滅菌裝置進行了第一次工藝危害分析，識別出16個不同的危險場景，并提出了13個建議修改項。這些危險場景都沒有涉及催化氧化器的潛在爆炸風險。但是，這次PHA識別出“滅菌柜內(nèi)存在環(huán)氧乙烷時滅菌柜門打開”和“軟件失效導致高溫”兩個危險場景，記錄中顯示由于設(shè)有自動控制系統(tǒng)（Antares系統(tǒng)和催化氧化器高溫限位開關(guān)），這兩個危險場景的后果均為“無影響”。這次PHA沒有識別和評估其他的工程控制措施和保護層。

1996年，該環(huán)氧乙烷滅菌裝置進行了再評估，同樣沒有識別出任何爆炸危害場景。由于催化氧化器內(nèi)部存在過熱和損壞催化劑床的風險，分析團隊建議增加LFL（燃燒下限）監(jiān)測和報警，但是施潔國際公司并沒有執(zhí)行此項建議，沒有增加準確的、安全的監(jiān)測措施。

2001年，該環(huán)氧乙烷滅菌裝置再次進行了PHA，識別出催化氧化器存在的災難性爆炸場景，但是只建議裝置研究一下為催化氧化器安裝爆炸泄壓設(shè)備的可行性，沒有特別說明爆炸的原因和其他任何潛在失效。事故發(fā)生時，該裝置沒有安裝爆炸泄壓設(shè)備。

事故原因

根本原因

1.環(huán)氧乙烷滅菌裝置具備的工程控制措施沒能阻止達到爆炸濃度的環(huán)氧乙烷進入催化氧化器。

2.維修監(jiān)督員沒有完全充分理解環(huán)氧乙烷滅菌工藝可能涉及的各種危險。

間接原因

1.環(huán)氧乙烷滅菌裝置開展的工藝危害分析項目沒有完全識別和評估達到爆炸性濃度的環(huán)氧乙烷進入催化氧化器可能帶來的風險。

2.控制室的設(shè)計不能保護內(nèi)部工作人員免受爆炸事故的傷害。

CSB調(diào)查組建議

1.環(huán)氧乙烷滅菌裝置應(yīng)回顧并修訂其工藝危害分析程序，確保全面識別、評估并記錄相關(guān)的危險場景。

2.環(huán)氧乙烷滅菌裝置應(yīng)評估現(xiàn)有的工藝控制措施，并安裝適當?shù)陌踩Ｗo措施，例如滅菌柜和排放物實時濃度監(jiān)測，設(shè)置報警、聯(lián)鎖或快速響應(yīng)控制裝置等。

3.環(huán)氧乙烷滅菌裝置應(yīng)確保其所有擁有滅菌循環(huán)序列修改權(quán)限的人員具備足夠的生產(chǎn)經(jīng)驗和培訓，有能力做出安全決策。培訓應(yīng)強調(diào)物料可燃性危害以及滅菌柜氣體沖洗過程的必要性。

4.環(huán)氧乙烷滅菌裝置應(yīng)確保其控制室和其他距離滅菌工藝區(qū)域較近的工作室的位置或設(shè)計，應(yīng)能保護其內(nèi)部工作人員免受爆炸事故的危害。

5.NFPA（National Fire Protection Association，美國消防協(xié)會）應(yīng)根據(jù)該事故調(diào)查報告結(jié)果回顧并修訂NFPA 560《消毒和熏煙用環(huán)氧乙烷的儲存,處置及使用標準》（Standard for the Storage, Handling, and Use of Ethylene Oxide for Sterilization and Fumigation），包括關(guān)于合適的安全保護措施方面的要求，例如滅菌柜和排放物實時濃度監(jiān)測，設(shè)置報警、聯(lián)鎖或快速響應(yīng)控制裝置等。

6.建議各協(xié)會、機構(gòu)和企業(yè)將該事故調(diào)查報告的結(jié)論和建議措施與其會員和相關(guān)企業(yè)進行分享，從真實事故中吸取教訓，避免類似事故再次發(fā)生。