中海殼牌石油化工有限公司 郭全瑞 天津市居安企業(yè)管理咨詢有限公司 唐彬｜文

本文結(jié)合美國化學(xué)品安全與危害調(diào)查委員會（CSB）對2005年ASCO乙炔服務(wù)公司乙炔氣生產(chǎn)裝置因單向閥失效導(dǎo)致乙炔氣逆流并泄漏爆炸事故的調(diào)查，詳細介紹了該起事故的發(fā)生背景、過程與后果，并從技術(shù)和管理角度綜合分析了事故各方面致因，分享了CSB調(diào)查組總結(jié)的經(jīng)驗教訓(xùn)和建議措施。

圖1 平面布置示意圖

事故背景及過程

事故背景

位于美國新澤西州珀斯安博伊 市（Perth Amboy） 的 乙 炔服務(wù)公司（Acetylene Services Company, ASCO）是一家從事乙炔氣生產(chǎn)和包裝的公司，作為一個家族式自營企業(yè)， 1982年開始在紐約和費城市區(qū)生產(chǎn)和包裝乙炔氣服務(wù)。2005年1月25日，該公司因乙炔發(fā)生器循環(huán)水管線上的單向閥失效內(nèi)漏，導(dǎo)致乙炔氣通過循環(huán)水管線逆流并泄漏進入封閉空間聚集，遇點火源后引發(fā)劇烈爆炸，事故造成3人死亡，1人重傷，附近生產(chǎn)廠房嚴重受損。事故發(fā)生時，ASCO公司擁有14名員工，其主要在珀斯安博伊市廠區(qū)生產(chǎn)乙炔氣，2004年7月，ASCO公司開始直接從一家石化企業(yè)購買乙炔氣，以補充自己的生產(chǎn)能力。

ASCO公司生產(chǎn)裝置位于一處工業(yè)區(qū)，乙炔氣生產(chǎn)工藝設(shè)備、氣瓶充裝操作區(qū)、辦公室和休息室均位于46號廠房內(nèi)，如圖1所示。在46號廠房外部緊挨著設(shè)有6個沉降罐，中間是一個木制結(jié)構(gòu)的廠棚。廠棚里面設(shè)有水泵和相關(guān)附屬管線。接貨碼頭用于卸載購買的乙炔氣，另外還有一個丙酮儲罐。

ASCO公司使用6個敞口的串聯(lián)沉降罐臨時儲存副產(chǎn)品石灰漿，也用于準備和儲存發(fā)生器循環(huán)使用的水。這6個鋼制的常壓儲罐，高度約6 m，直徑約3 m，分為兩排南北方向布置。

石灰漿從儲槽被泵入到1#沉降罐里，石灰顆粒逐漸沉降，上部的水則溢流至2#沉降罐里，石灰顆粒經(jīng)進一步沉降分離，水繼續(xù)進入到下游沉降罐。當(dāng)水進入到5#和6#沉降罐時，水中的石灰含量已很少，如圖2所示。各個沉降罐底部聚集的石灰泥反復(fù)用泵抽出，然后被承包商運走。根據(jù)生產(chǎn)需要，5#和6#沉降罐里集聚的水可以通過泵輸送回發(fā)生器循環(huán)使用。

ASCO裝置區(qū)域的6個沉降罐之間建有一個木制廠棚，長約8.5 m，寬約4.6 m，6個沉降罐的罐壁構(gòu)成了廠棚的一部分圍墻。廠棚里面設(shè)有2個電動泵，一個用于從沉降罐抽出沉積的石灰泥，另一個用于將經(jīng)沉降處理后的水循環(huán)至發(fā)生器。廠棚使用一個安裝在墻面上的丙烷加熱器供暖，防止機泵和附屬管線發(fā)生凍結(jié)。廠棚沒有機械通風(fēng)設(shè)備。

廠棚的一處墻面上安裝了一個家用的直噴丙烷加熱器，如圖3所示。加熱器通過兩個同軸管道的環(huán)形空間吸入廠棚外面的空氣用于燃燒，高溫?zé)煔馔ㄟ^同軸管道的內(nèi)管排出。燃燒室和廠棚內(nèi)部空間是完全密封的，廠棚內(nèi)的空氣不會和火焰或者燃燒產(chǎn)物接觸。

加熱器通過自然對流提高室內(nèi)溫度，運行過程中燃燒室的外表面的溫度約590℃。加熱器內(nèi)還設(shè)置了一個自動切斷閥，用于當(dāng)長明燈熄滅時自動切斷向燃燒室供給的丙烷燃料。根據(jù)事故后的檢查，發(fā)現(xiàn)這個自動切斷閥實現(xiàn)了預(yù)定的功能。

圖2 沉降罐流程簡圖

圖3 丙烷加熱器示意圖

發(fā)生過程

2005年1月25日 早 上，ASCO公司的員工把購買的乙炔氣充裝到專用氣瓶中，約9時30分，他們開始用電石生產(chǎn)乙炔氣。由于當(dāng)時下了暴雪，該公司工人正在沉降罐南面的區(qū)域（靠近裝貨碼頭）鏟雪。10時36分，廠棚的正中心位置發(fā)生爆炸，緊靠廠棚南側(cè)的2名工人當(dāng)場死亡，更靠近裝貨碼頭的1名工人重傷，送到紐約救護中心后不久也被宣告死亡。位于裝貨碼頭/石灰槽區(qū)域的1名工人因爆炸沖擊波受到重傷。

根據(jù)法醫(yī)檢查，遇難者身體的內(nèi)部器官、骨骼和肌肉均受到嚴重損傷，正是由于暴露在高速爆燃（壓力波為亞聲速）或者爆轟（一種急速爆炸現(xiàn)象，會產(chǎn)生超音速的壓力沖擊波）產(chǎn)生的高強度沖擊波造成的。

另外，廠棚已被徹底破壞，廠棚墻壁被炸成碎片，散落到距離爆炸現(xiàn)場約137 m的地方，還在46號廠房的砌筑墻上炸出兩個大洞，乙炔氣瓶被爆炸沖擊到各個地方。爆炸后沒有發(fā)生后續(xù)火災(zāi)。

事故分析

燃料來源

ASCO公司裝置的生產(chǎn)過程涉及兩種爆炸性物質(zhì)，分別是乙炔氣和丙烷氣。根據(jù)分析，一種可能的事故場景是，發(fā)生器中的乙炔氣可能通過沉降罐水管線上的排水閥泄漏進入廠棚區(qū)域，這個排水閥門通常情況下是打開的，在冬季每天工作結(jié)束后也被打開，目的是為了防止排水管線被凍住。還有一種可能的事故場景是，丙烷氣可能從位于廠棚北端的丙烷加熱器或者丙烷燃料管線中泄漏出來進入廠棚區(qū)域。根據(jù)事故現(xiàn)場的破壞機理和爆炸現(xiàn)象來看，這次爆炸是一種爆轟現(xiàn)象，或者至少是一種高速的爆燃現(xiàn)象。BST（Baker-Strehlow-Tang）模型理論認為，蒸氣云爆炸的強度取決于燃料的反應(yīng)活性、空間阻塞度和爆炸區(qū)域的擁擠度。反應(yīng)活性和物料的火焰速度有關(guān)。根據(jù)收集的現(xiàn)場證據(jù)和事故調(diào)查分析（如表1所示），都認為導(dǎo)致這次爆炸的物質(zhì)是乙炔氣。

表1 爆炸燃料的來源對比分析

圖4 乙炔生產(chǎn)流程簡圖

事故場景

如圖4所示，由于乙炔氣發(fā)生器循環(huán)水管線上的單向閥發(fā)生內(nèi)漏，導(dǎo)致發(fā)生器內(nèi)生成的乙炔氣穿過失效的單向閥，通過循環(huán)水管線上處于打開狀態(tài)的排水閥泄漏進入廠棚內(nèi)部區(qū)域，乙炔氣在廠棚內(nèi)部聚集，遇到點火源后發(fā)生爆炸。

片刻的沉吟，我的情緒平復(fù)了許多：“其實，這種方法在互聯(lián)網(wǎng)上流傳已久，并非我的獨創(chuàng)。當(dāng)我們身臨其境時，會更加真切地感受到孩子無條件的愛，如果再給您一次機會，您會給您的孩子打幾分？”

ASCO公司的常規(guī)做法是在晚上保持沉降水管線處于打開狀態(tài)，通過設(shè)置在低點的閥門把水排到廠棚地面上，防止冬季時管線外部被凍壞。這個處于打開狀態(tài)的排水閥為發(fā)生器內(nèi)乙炔氣泄漏進入廠棚內(nèi)部區(qū)域提供了一個潛在通道，而且廠棚封閉空間的設(shè)計也沒有考慮可能出現(xiàn)乙炔氣的工況，沒有設(shè)置機械通風(fēng)。

工藝危害分析（Process hazards analysis, PHA）是一個基于團隊合作、頭腦風(fēng)暴的風(fēng)險識別技術(shù)，也是OSHA“過程安全管理”法規(guī)（Process Safety Management, PSM）中的一個重要要素。ASCO公司乙炔生產(chǎn)裝置涉及的可燃液體或氣體量(包括乙炔和丙酮)超過了4 536 kg（1萬磅），屬于OSHA（美國職業(yè)安全健康局）“過程安全管理”法規(guī)（29 CFR 1910.119）管轄范圍。通過進行PHA，可以幫助識別工藝流程和操作過程中存在的潛在風(fēng)險、可能后果，以及相應(yīng)的保護措施，通過采取系統(tǒng)的建議措施來消除或控制識別出來的潛在風(fēng)險。

ASCO公司在1996年進行的PHA活動沒有識別出廠棚內(nèi)沉降水管線排水位置可能帶來的潛在風(fēng)險。根據(jù)OSHA“過程安全管理”法規(guī)的要求，ASCO公司在2001年應(yīng)再次進行PHA，但是ASCO公司沒有按照要求做這項工作，又一次錯失了發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致這次爆炸事故的原因的機會。

圖5 單向閥失效示意圖

操作順序

爆炸發(fā)生后，發(fā)現(xiàn)乙炔氣發(fā)生器的循環(huán)水管線上的排水閥是處于打開位置的，這說明事故發(fā)生時循環(huán)系統(tǒng)并不處于運行狀態(tài)。CSB調(diào)查組認為，在循環(huán)水系統(tǒng)啟動之前，操作人員關(guān)閉了自來水供給閥，導(dǎo)致發(fā)生器系統(tǒng)沒有帶壓水去防止乙炔氣的逆流工況。如果在關(guān)停自來水供給之前，關(guān)閉排水閥并投用循環(huán)水系統(tǒng)，就可能阻止乙炔氣逆流泄漏進入廠棚內(nèi)部。

ASCO公司制定了關(guān)于乙炔氣發(fā)生器的操作手冊，但是手冊中沒有涉及循環(huán)水系統(tǒng)的內(nèi)容。所以，對于如何正確操作循環(huán)水系統(tǒng)，操作人員沒有相關(guān)的書面指導(dǎo)手冊，也不清楚操作程序出現(xiàn)偏離時可能導(dǎo)致的后果。

發(fā)生器所在房間的墻上張貼了一些常規(guī)操作程序，但是沒有涉及向發(fā)生器加水（循環(huán)水或者自來水）的正確操作步驟的有關(guān)內(nèi)容。員工培訓(xùn)記錄不完整，而且每個員工的操作步驟也不一致。

單向閥逆流

發(fā)生器循環(huán)水管線上安裝的單向閥是由Rexarc公司設(shè)計和提供的，由于該單向閥內(nèi)漏發(fā)生失效，導(dǎo)致發(fā)生器內(nèi)的乙炔氣發(fā)生逆流，并從打開的排水閥處泄漏進入廠棚區(qū)域。根據(jù)爆炸后對單向閥的測試，發(fā)現(xiàn)可燃氣逆流通過了該單向閥，而且OSHA進行X射線檢測后發(fā)現(xiàn)單向閥內(nèi)部的導(dǎo)向針被卡在了下部管線凸點處，如圖5所示。ASCO公司員工曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)過這個單向閥發(fā)生泄漏，當(dāng)時是由這名員工對閥門進行了拆卸、清潔和重新組裝。

該單向閥依靠重力和背壓實驗密封，沒有彈簧輔助進行閥塞的密封；閥塞沒有被有效地導(dǎo)向，出現(xiàn)了未對中的趨勢；單向閥內(nèi)部表面容易出現(xiàn)固體聚集，例如結(jié)垢或者循環(huán)水中攜帶的石灰顆粒等。

當(dāng)工藝管線上設(shè)置的單向閥對于防止出現(xiàn)逆流工況很關(guān)鍵時，涉及危險物料時不應(yīng)該單獨依靠單向閥保護逆流場景。好的做法是提供一種更加可靠的隔離方案，例如，除了設(shè)置一個單向閥外，再設(shè)置2個截止閥和1個放空閥（排放至安全位置），從而確保不會發(fā)生爆炸性氣體逆流的工況。

石灰棚設(shè)計

由于冬季氣溫很低，而且石灰棚沒有保溫，所以在爆炸事故發(fā)生時，加熱器很可能正在運行或者處于頻繁啟停狀態(tài)。乙炔氣的自燃溫度約304℃，遠遠低于加熱器燃燒室表面的溫度（約593℃）。

石灰棚內(nèi)的電氣設(shè)備是按照一般工業(yè)應(yīng)用安裝的，非防爆設(shè)備，應(yīng)用于可能存在乙炔氣的環(huán)境中是不安全的。所以，事故發(fā)生時也可能出現(xiàn)了其他點火源，例如電開關(guān)產(chǎn)生的火花或者某種電氣故障。CSB調(diào)查組并不能確定爆炸發(fā)生時哪個電氣設(shè)備處于帶電狀態(tài)，所以，加熱器是最可能的點火源。

根據(jù)NFPA（美國消防協(xié)會）發(fā)布的美國國家電氣規(guī)范（National Electric Code, NEC），根據(jù)可能出現(xiàn)的可燃物質(zhì)的特性，相應(yīng)的電氣設(shè)備應(yīng)滿足特定的要求，每個房間、部分或者區(qū)域都需要單獨考慮。NEC針對I級物料（可燃氣體和蒸氣）分為兩區(qū)（1區(qū)和2區(qū)）和四類（A類、B類、C類、D類）。1區(qū)定義為：在正常操作條件下存在點燃濃度可燃氣體或蒸氣的區(qū)域，2區(qū)定義為：處理可燃物料的封閉系統(tǒng)，且只在容器失效或者設(shè)備運行異常條件下存在點燃濃度的可燃氣體或蒸氣。

所有的可燃氣體或蒸氣根據(jù)其爆炸特性都被進行了分類，乙炔是唯一一種因為其極度爆炸性特點而被定義為A類的物料。綜上所述，石灰棚的設(shè)計、建造以及內(nèi)部安裝的電氣設(shè)備應(yīng)滿足NEC I級，2區(qū)，A類的要求。

單向閥失效：九江石化爆炸事故原因之一

2018年3月12日，江西省九江市一石化企業(yè)柴油加氫裝置原料緩沖罐（設(shè)計壓力0.38 MPa）發(fā)生爆炸著火事故，造成2人死亡、1人輕傷。經(jīng)初步分析，事故直接原因是循環(huán)氫壓縮機因潤滑油壓力低而停機后，加氫原料進料泵隨即聯(lián)鎖停泵，但因泵出口未設(shè)置緊急切斷且單向閥功能失效，加之操作人員未能第一時間關(guān)閉泵出口手閥，反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)高壓介質(zhì)（壓力5.7 MPa）通過原料泵出入口倒竄入加氫原料緩沖罐，導(dǎo)致緩沖罐超壓爆炸著火。

事故暴露出以下突出問題：一是事故裝置建成于1990年，其加氫原料進料泵出口當(dāng)時沒有設(shè)置緊急切斷閥，在后來多次改造中也沒有進行完善，本質(zhì)安全水平低，埋下安全隱患。二是設(shè)備設(shè)施維護保養(yǎng)不到位，未及時對泵出口單向閥進行檢查維護，事故后拆檢發(fā)現(xiàn)單向閥已失效。三是風(fēng)險管控不到位，應(yīng)用HAZOP等分析工具進行風(fēng)險辨識、評估和管控的能力不足，對加氫裝置高壓竄低壓的危害認識不足。四是應(yīng)急處置不到位。循環(huán)氫壓縮機潤滑油壓低報警后，長時間未能排除故障，處理過程中引起潤滑油壓力低低聯(lián)鎖停機；循環(huán)氫壓縮機停機后，未能第一時間關(guān)閉加氫原料進料泵出口手閥，切斷高壓竄低壓的通路。

單向閥是化工企業(yè)常見的用來防止物料倒流的一道保護措施，設(shè)計院通常設(shè)計一道單向閥來降低物料逆流導(dǎo)致重大過程安全事故的可能性。目前，關(guān)于單向閥的設(shè)計有相關(guān)的標準規(guī)范。例如，G B 50160—2008《石油化工企業(yè)防火設(shè)計規(guī)范》中“7.2.11條”規(guī)定：離心式可燃氣體壓縮機和可燃液體泵在其出口管道上安裝止回閥。通常來說，單向閥可以作為一道保護措施，但依據(jù)AQ/T 3054—2015《保護層分析（LOPA）方法應(yīng)用導(dǎo)則》的要求，單向閥不是一道獨立的保護層（IPL），沒有數(shù)據(jù)支持其平均要求失效概率（PFD），也就意味著其不能有效降低事故發(fā)生的頻率?？梢?，單向閥是不可靠的，應(yīng)配合使用更加可靠的防逆流措施。

事故啟示

從ASCO公司發(fā)生的災(zāi)難性爆炸事故中吸取教訓(xùn)，可以幫助我們避免今后再次發(fā)生類似的事故。對于OSHA“過程安全管理”法規(guī)（29 CFR 1910.119）適用范圍內(nèi)的裝置（例如ASCO公司的乙炔生產(chǎn)裝置），這些建議行動項是強制要求必須遵守的。針對處理危險物料的裝置，甚至包括不在“過程安全管理”法規(guī)范圍內(nèi)的設(shè)施，這些行動項被認為是很好的安全作業(yè)實踐，須遵守執(zhí)行?？偨Y(jié)如下：

1.檢查連接至裝有乙炔設(shè)備上的所有管線，識別出在出現(xiàn)乙炔氣逆流或泄漏時可能導(dǎo)致危險的排氣口和排液點，將所有這些排氣口和排液點都引至安全位置，最好是裝置外部區(qū)域。

2.確?？赡艽嬖谝胰矚獾慕ㄖ锘蛘叻忾]空間具備適用于乙炔服務(wù)的條件。根據(jù)最新版的NFPA 51A《乙炔氣瓶充裝裝置》的要求，提供通風(fēng)設(shè)備、正確分級的電氣設(shè)備和低溫加熱措施等。

3.通過定期檢查和測試，確保單向閥和截止閥具備正常工作功能。

4.除了單向閥以外，提供一套更可靠的隔離方案，例如，再設(shè)置2個截止閥和1個放空閥（排放至安全位置），以確保爆炸性氣體逆流的工況不會發(fā)生。

5.針對裝置整個操作流程，制定詳細的書面操作規(guī)程和檢查表，包括輔助系統(tǒng)（例如循環(huán)水系統(tǒng)）。對操作人員進行書面操作規(guī)程的全面培訓(xùn)，要求他們具備正確執(zhí)行操作規(guī)程的能力。