英國康力斯公司高爐爆炸事故分析

王夢蓉｜編譯

2001年11月8日17時13分，位于英國塔爾博特港的康力斯公司發(fā)生一起高爐爆炸事故，爐內(nèi)約200 t的高溫物料和氣體泄漏，導致3名員工死亡、12名員工及承包商重傷，另有多人受輕傷。事故后果之嚴重，在煉鋼行業(yè)前所未有。

事故主要原因為該公司長期以來在安全管理上存在種種問題。事發(fā)前2天，冷水進入到爐膛內(nèi)，導致5號高爐的爐缸凍結，在試圖恢復正常作業(yè)的過程中發(fā)生爆炸。事故直接原因是水與高溫物料混合。

圖1 事故工廠鳥瞰圖（左側為5號高爐，右側為4號高爐）

背景介紹

事故工廠

康力斯公司在塔爾博特港的工廠主要生產(chǎn)扁鋼。按照生產(chǎn)工藝，首先在4號、5號高爐中把鐵礦石煉成生鐵，燃燒后用生鐵水煉成鋼。4號高爐由日本設計，90年代初建成；5號爐設計于50年代，之后被數(shù)次改造。

煉鐵過程

高爐的用途是通過化學反應將鐵的氧化物（鐵礦石）轉化成鐵水，生產(chǎn)生鐵。煉鐵過程中，首先將鐵礦石、焦炭等從高爐頂部加入，這些物料在爐膛緩慢下移的過程中會發(fā)生化學反應和熱反應。爐內(nèi)物料一直保持在1 800～2 000 t。爐頂加入的物料通常要經(jīng)過6～8 h到達爐底，生成鐵水和熔渣（即高爐中熔化的廢物）。鐵水和熔渣會定期從爐中排出（抽出）。

此外，高爐還會產(chǎn)生大量熱氣。氣體通過下降管的“煤氣出口”從爐內(nèi)排出，從下降管中排出的煤氣凈化冷卻后被燒掉。部分被凈化過的煤氣進入到熱風爐中，經(jīng)燃燒生成熱風供高爐使用。

煉鐵過程中，由于爐內(nèi)會發(fā)生強烈的放熱反應，因此會生成大量的熱，這就需要對爐殼和襯里進行冷卻。

5號高爐

5號高爐建成于1959年，為爐腰或支柱支撐型高爐。爐腰是對爐身起支撐作用的大型結構鋼環(huán)。20世紀以來建成的高爐大多都采用了這種設計，并且大部分都還在用。高爐基本上分為兩部分，上部為爐身，下部包括“爐缸”——用來容納熔化的金屬和熔渣的熔爐 、“爐腹”——爐缸上部向外傾斜的區(qū)域。上下兩部分通過搭接接頭連接。

爐殼內(nèi)部安裝了耐火襯里，還配備了冷卻元件以確保循環(huán)冷卻水的恒定流量。整個殼體內(nèi)部冷卻器遍布，但高爐底部由于熱量產(chǎn)生的最多，冷卻器的數(shù)量也最多。

圖2 5號高爐

圖3 高爐簡圖

高爐是將鐵礦石轉化成生鐵的設施。進料通過爬式加料機經(jīng)過大斜橋從爐頂上的氣密分布系統(tǒng)加入到高爐中。此氣密系統(tǒng)也可以防止爐內(nèi)煤氣在加料過程中發(fā)生泄漏。

煉鐵過程中產(chǎn)生的煤氣通過下降管運送到附近的煤氣廠。熱空氣從加熱爐通過環(huán)狀風管通入到高爐中。環(huán)狀風管是圍繞在高爐下部的大型環(huán)狀管道，通過風口供應熱空氣。在5號高爐上共有24個風口。風口與環(huán)狀風管相連，將熱空氣送入爐缸護板中。

煤氣產(chǎn)生的壓力由大型閥門控制。多余的壓力從爐頂?shù)?個泄放閥排出。5號高爐的泄放閥可自動操作也可手動操作。

5號高爐上有2個用于卸除鐵水和液體熔渣的水冷出鐵口。高爐下部的操作區(qū)是“出鐵場”。5號高爐的出鐵場內(nèi)還包括1個控制室，為了便于對運行和高爐的狀況進行連續(xù)監(jiān)測和記錄，電子監(jiān)測設備和計算機仿真系統(tǒng)都放在這里。操作員在控制室內(nèi)可密切觀察高爐風口和出鐵口的運行狀況。

冷卻水系統(tǒng)

煉鐵會放出大量的熱，爐內(nèi)溫度會超過2 000℃，因此，冷卻水的供應非常重要。正常情況下，5號高爐冷卻系統(tǒng)每分鐘需要消耗8萬～9萬L冷卻水。

高爐內(nèi)部還有很多管式銅冷卻元件。冷卻器的持續(xù)效率和完整性完全取決于通過冷卻器內(nèi)部通道的冷卻水的流量是否穩(wěn)定。如果水供應中斷，存留在冷卻器里的水就會沸騰并蒸發(fā)。進而會迅速導致冷卻器融化或燒壞；銅的熔點為1 083℃左右，比高爐內(nèi)的溫度低得多。

冷卻器燒壞的速度和程度與多種因素有關：在高爐中的位置（爐腹和爐身下部的冷卻器更易受損）；水供應中斷的時間；冷卻器的現(xiàn)有狀況；冷卻器是否受到“結垢”（固體硅類物質(zhì)附著在冷卻器的堆積層）保護。最初安裝時，冷卻器上會覆蓋耐火材料進行保護。隨著耐火材料不斷被磨掉，會逐漸失去這層保護。

圖4 拆解開的高爐，內(nèi)壁上的冷卻器清晰可見

圖5 供應冷卻水的渦輪水泵

運行中的高爐中的煤氣壓力要小于供水壓力。一旦冷卻器發(fā)生故障，從帶壓系統(tǒng)中泄漏出來的水會直接流向高爐內(nèi)部，很可能會干擾爐內(nèi)的平穩(wěn)運行，如果水量較大，甚至會引發(fā)安全運行風險。值得注意的是，如果向發(fā)生故障的冷卻器恢復供水，很可能會使大量水泄漏進爐內(nèi)。一旦冷卻器發(fā)生故障，通常會將其拆除更換或灌入氧化鋁泥漿。

冷卻水供應系統(tǒng)

5號高爐的冷卻水供應設施包括2臺“蘇爾壽”泵，2臺渦輪泵（T1和T2），3臺電動冷卻水泵，1套冷卻水塔及附屬風扇，1套應急補充水系統(tǒng)。

每臺蘇爾壽電動泵的供水量為 4.5萬 L/min。T1和 T2的供水能力分別為4.5萬 L/min和3.4萬 L/min。正常情況下，2臺4.5萬 L/min的泵同時運行就能為高爐提供足夠的冷卻水。

按慣例，5號高爐使用1臺電泵和1臺渦輪泵供水，另一臺蘇爾壽泵備用。當冷卻水壓力降到預定值以下時，壓力開關檢測到壓力損失情況后會立即啟動備用泵。

工廠在部分裝置上安裝了儀表，監(jiān)測水流量和溫度，但冷卻水供應系統(tǒng)未配備儀表來測量從系統(tǒng)泄漏到高爐內(nèi)的水量。

事故情況

2001年11月8日17時13分，由于水和熔化物料之間的相互作用，導致爐腹區(qū)域發(fā)生超壓，該部分被拔出搭接接頭，爐腰從支承高爐的柱頭上竄出。高爐上部拔起后，在搭接接頭的整個圓周附近留下了一處開口，氣體和熱物料從中噴出。約200 t的液體、固體和半固體物料噴射到出鐵場地面上。氣態(tài)物料和粉塵騰起，飛入出鐵場，從樓內(nèi)各個開放處噴到大氣中，發(fā)生燃燒。燃燒的粉塵和氣態(tài)物料飛到高爐上空。爐頂?shù)男狗砰y也被打開，從閥門里泄放出的氣體進入到大氣后也發(fā)生燃燒。

隨著壓力下降，高爐又垂直回落下來。在爆炸過程中，爐身發(fā)生形變，偏離中心位置大約100 mm，落在了下部搭接接頭板上，爐腰的安裝位置無法接觸到柱頂法蘭。這意味著整個爐身的重量都偏壓在下部搭接接縫板上。

高爐移動的過程中，多條供水管爆裂；一段時間內(nèi)，水不斷流入出鐵場，落在噴出的熱物料上，使出鐵場充滿熱水和蒸汽。煤氣排出系統(tǒng)受到猛烈沖擊，但煤氣廠和爐頂容器的煤氣控制能力未受影響。

整個爆炸只持續(xù)了幾秒鐘，導致3人死亡，12人重傷，數(shù)人受輕傷。事發(fā)前事件

2001年9月30日至11月5日，5號高爐的水泵出現(xiàn)6次停泵和6次嚴重的故障，多次無法自動重啟?？傊诖似陂g整個泵系統(tǒng)的可靠性非常差。

事發(fā)前的一段時間內(nèi)，一直由2臺蘇爾壽電泵向5號高爐供水，蒸汽渦輪泵T1由于齒輪箱損壞尚未修復，從2001年10月初就已停用。直到事發(fā)時，該泵還無法使用。

1996年，1號蘇爾壽泵被更換，由于生產(chǎn)商無法供應所需規(guī)格的電機，不得不降級使用。而安裝新電機時，熱過載保護器未得到正確調(diào)整，使之無法適應新電機的較高功率。因此，在11月7日發(fā)生故障時，該泵很快就停機了。

11月7日，工廠能源部安排對蘇爾壽泵的相關電氣設備進行維修。5號高爐的工作人員并不知道此次維修的目的。由于蒸汽進入變壓器控制柜，因此這項維修作業(yè)是必要的。為了便于維修，對電力供應進行了調(diào)整，導致蘇爾壽1號泵因電流上升而停機，原因是輸入電壓對該泵的電流影響很大。工廠的書面程序中未要求在切換變壓器時檢查電壓輸出，盡管這是眾所周知的基礎性工作。

大約9時16分，處理量較小T2自動啟動，對1號蘇爾壽泵停機造成的供水中斷進行補償。但沒過幾秒，T2泵也停機（自身超速保護），致使高爐的進水量僅為需求量的55%。應急水塔也未能起作用，因為水壓過低無法使該塔運行。

9時25分左右，蘇爾壽1號泵的供電恢復。發(fā)現(xiàn)冷卻水流量減少后，作業(yè)人員按照已有程序，減少了風口進入的熱空氣量。隨著水流量回升，高爐又恢復了正常供氣狀態(tài)。后來發(fā)現(xiàn)氫氣讀數(shù)升高后（說明有水進入到爐中），工人又開始查找是否有冷卻器泄漏，最初認為泄漏原因是冷卻水供應減少導致冷卻器被燒壞。后來，這一推斷得到了證實。

10時11分，屏幕警告表明爐內(nèi)氫氣含量明顯升高，但仍未找到漏點。11時30分，進風切斷。但由于仍有鐵水和熔渣從爐中流出，高爐的停運時間被推遲到14時30分。

13時左右，停止進料。這時一名技術專家在3號風口附近發(fā)現(xiàn)了黃綠色火苗，認為是水進入而產(chǎn)生的氫氣燃燒的火苗。對所有的風口進行檢查后發(fā)現(xiàn)，除3號和4號風口發(fā)濕之外，其余均正常。從風口的觀察孔可以看到水在爐內(nèi)滴流。下午再次對水系統(tǒng)進行了檢查，發(fā)現(xiàn)有一組Sorrelor冷卻器未檢測。

19時，開始對高爐進行通風，重新恢復作業(yè)。此時有人在3層平臺上發(fā)現(xiàn)有3臺冷卻器發(fā)生故障，于是通過旁路和灌漿進行隔離。當時，冷卻器已經(jīng)泄漏了約10 h。23時30分，高爐開始進風并重新進料。

11月8日午夜過后，員工試圖通過在出鐵口上鉆孔與鐵水“建立連接”。但幾次嘗試都未成功。并且在第二次嘗試過程中有橘色火苗從出鐵口中竄出，說明有氫氣存在。

之后就開始在出鐵口上“穿刺”。該過程是利用熱噴槍使爐內(nèi)的固化物質(zhì)燃燒，以便引出熔化的鐵水或熔渣。0時30分，有氣體火苗和一些熔渣從南部的出鐵口流出，但沒有鐵水。2時30分，鐵水慢慢流出。

11月18日12時50分，氫氣濃度超出7%，說明又有大量水進入爐中。高爐仍在繼續(xù)進風，同時也在進行查漏作業(yè)。

17時12分，一名在出鐵口周圍的員工發(fā)現(xiàn)在搭接接頭處有異物出現(xiàn)，認為肯定是漏鋼了，喊了一聲“快跑”，幾乎就在此時，高爐發(fā)生爆炸。

事故原因

第一，直接原因是水和熔化的熱物料在高爐下部發(fā)生反應，致使爐內(nèi)超壓。第二，關鍵性水冷系統(tǒng)發(fā)生故障，導致水從冷卻系統(tǒng)進入爐中。第三，該廠的安全工作一直存在重大問題。除了高爐廠之外，這些問題在全公司范圍內(nèi)都存在，尤其是向高爐提供冷卻水的能源部門存在很大問題。

由于未能對高爐作業(yè)進行充分的風險評價，導致無法進行技術和程序控制。冷卻水供應的裕量和安全性不足，冷卻系統(tǒng)的可靠性在幾個月內(nèi)不斷下降，呈惡化趨勢。

事故教訓

安全管理

公司應該對安全部門的職能和作用進行審查。將其更好地融入運行和工程管理。

高爐目前屬于重大事故危險控制條例（COMAH）管制的范圍，對重大危險進行識別和評價是法律要求。在這之前，預測工具和技術在鋼鐵行業(yè)的用途有限。危險與可操作性分析（HAZOPS）、失效模式與效應分析（Failure Mode and Effects Analysis）、故障樹分析（FTA）、過程危險審查（PHR）及保護層分析（LoPAl）等風險評價和管理預測工具，均應在鋼鐵行業(yè)和其他過程行業(yè)得到了廣泛應用。冷卻水

應該保證冷卻水的供應。供水系統(tǒng)本身要具有較高可靠性。這種可靠性來自于良好的工程設計（包括適當?shù)脑Ａ浚?、適當?shù)木S護，還要進行密切的監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)可能會影響完整性的危險因素。

要運用可靠工程技術來識別關鍵安全裝置，并采取適當?shù)陌脖４胧?。在合理可行的情況下，應該將高爐冷卻水系統(tǒng)建成密閉系統(tǒng)。

泄漏檢測

迅速發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)冷卻水的泄漏點至關重要。泄漏點的快速檢測離不開良好的工程、合適的檢測方法及經(jīng)過充分培訓且合格的操作員。水冷高爐的所有操作員都應掌握快速檢測泄漏的措施。

在合理可行的情況下，應為水冷高爐安裝專門為發(fā)現(xiàn)泄漏用的儀表，以便更早、更精確地檢測到泄漏的元件。

維修

高爐供水裝置的維修、檢查或測試工作非常重要。要清楚維修、檢查及測試不當會對安全造成的影響。各相關部門在進行可能影響裝置安全操作或可靠性的維修或其他作業(yè)前，要適當溝通，簽訂正式協(xié)議。要對關鍵安全設備進行識別，并對這些設備的維修、檢查和測試加以優(yōu)先考慮。

高爐恢復及異常情況

高爐恢復過程比正常操作時的風險大得多。所有相關人員都要了解這些風險及控制措施，包括進行有效溝通，以保持對風險的控制。

5號高爐恢復作業(yè)的過程中，存在一個嚴重問題，即無法了解爐內(nèi)的變化情況。裝置發(fā)生異常時，應由經(jīng)驗豐富的高級管理者負責整個情況，專門對關鍵的參數(shù)進行監(jiān)控，以便為處理異常狀況的人員出謀劃策。在高爐恢復作業(yè)中的專業(yè)參數(shù)應包括鐵水、氫氣和相關趨勢的關鍵數(shù)據(jù)。

變更管理

改變安全相關裝置和設備（包括操作參數(shù)變化）前，應建立正式的改造前風險評價體系，同樣也要有改造后安全審查體系。變更管理體系不僅包括工程和運行職能部門，還要有經(jīng)驗豐富的安全專業(yè)人員參與評估。另外要明確各方的責任和義務。對裝置進行任何物理改變都要進行評價、詳細記錄和再評估。

決策

對于緊急情況的管理，應該建立明確的“直線責任”。裝置或過程出現(xiàn)不良情況時，管理者在壓力下做出的決策可能會產(chǎn)生重大錯誤。適當?shù)呐嘤柡拓S富的經(jīng)驗非常重要，但對于可預見的情況，應該制定更精確的協(xié)議來指導決策。進行應急事件模擬培訓時,要注意培養(yǎng)操作人員在緊急或異常情況下的信心和技能。

設計問題

通過徹底改進高爐設計方案來削減風險的方法，并不常見。對新的或大部分需要重建的高爐進行設計時，應考慮提高冷卻水供應的可靠性、更合適的管網(wǎng)布局、閥門位置和水監(jiān)測系統(tǒng)，以便快速發(fā)現(xiàn)漏點，采取補救措施。

為加強對高爐冷卻水參數(shù)的監(jiān)測，應改進監(jiān)測系統(tǒng)。設計并安裝精度更高的安全儀表。

人為因素

裝置或過程出現(xiàn)異常時，所有人都應了解誰負責制定決策，確保響應人員之間有正確的溝通方式。員工也要了解自己的職責。

還要提高員工的安全意識，充分重視水和金屬、水和熔渣產(chǎn)生的爆炸風險。最后，熔化的物質(zhì)與水接觸后會帶來多大風險仍需持續(xù)探索。