美國(guó) ASCO公司可燃?xì)怏w爆炸事故

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(guó)化學(xué)品安全與危害調(diào)查委員會(huì)（CSB）對(duì)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(xì)介紹了該起事故的發(fā)生背景、過(guò)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(yàn)教訓(xùn)和建議措施。

圖1 平面布置示意圖

事故背景及過(guò)程

事故背景

位于美國(guó)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(gè)家族式自營(yíng)企業(yè)， 1982年開始在紐約和費(fèi)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(guò)循環(huán)水管線逆流并泄漏進(jìn)入封閉空間聚集，遇點(diǎn)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(yán)重受損。事故發(fā)生時(shí)，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(gòu)買乙炔氣，以補(bǔ)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(hào)廠房?jī)?nèi)，如圖1所示。在46號(hào)廠房外部緊挨著設(shè)有6個(gè)沉降罐，中間是一個(gè)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(gòu)買的乙炔氣，另外還有一個(gè)丙酮儲(chǔ)罐。

ASCO公司使用6個(gè)敞口的串聯(lián)沉降罐臨時(shí)儲(chǔ)存副產(chǎn)品石灰漿，也用于準(zhǔn)備和儲(chǔ)存發(fā)生器循環(huán)使用的水。這6個(gè)鋼制的常壓儲(chǔ)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(chǔ)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(jìn)一步沉降分離，水繼續(xù)進(jìn)入到下游沉降罐。當(dāng)水進(jìn)入到5#和6#沉降罐時(shí)，水中的石灰含量已很少，如圖2所示。各個(gè)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(yùn)走。根據(jù)生產(chǎn)需要，5#和6#沉降罐里集聚的水可以通過(guò)泵輸送回發(fā)生器循環(huán)使用。

ASCO裝置區(qū)域的6個(gè)沉降罐之間建有一個(gè)木制廠棚，長(zhǎng)約8.5 m，寬約4.6 m，6個(gè)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(gè)電動(dòng)泵，一個(gè)用于從沉降罐抽出沉積的石灰泥，另一個(gè)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(gè)安裝在墻面上的丙烷加熱器供暖，防止機(jī)泵和附屬管線發(fā)生凍結(jié)。廠棚沒(méi)有機(jī)械通風(fēng)設(shè)備。

廠棚的一處墻面上安裝了一個(gè)家用的直噴丙烷加熱器，如圖3所示。加熱器通過(guò)兩個(gè)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^(guò)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(huì)和火焰或者燃燒產(chǎn)物接觸。

加熱器通過(guò)自然對(duì)流提高室內(nèi)溫度，運(yùn)行過(guò)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(gè)自動(dòng)切斷閥，用于當(dāng)長(zhǎng)明燈熄滅時(shí)自動(dòng)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(gè)自動(dòng)切斷閥實(shí)現(xiàn)了預(yù)定的功能。

圖2 沉降罐流程簡(jiǎn)圖

圖3 丙烷加熱器示意圖

發(fā)生過(guò)程

2005年1月25日 早 上，ASCO公司的員工把購(gòu)買的乙炔氣充裝到專用氣瓶中，約9時(shí)30分，他們開始用電石生產(chǎn)乙炔氣。由于當(dāng)時(shí)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(shí)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(chǎng)死亡，更靠近裝貨碼頭的1名工人重傷，送到紐約救護(hù)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(yán)重?fù)p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(huì)產(chǎn)生超音速的壓力沖擊波）產(chǎn)生的高強(qiáng)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(chǎng)約137 m的地方，還在46號(hào)廠房的砌筑墻上炸出兩個(gè)大洞，乙炔氣瓶被爆炸沖擊到各個(gè)地方。爆炸后沒(méi)有發(fā)生后續(xù)火災(zāi)。

事故分析

燃料來(lái)源

ASCO公司裝置的生產(chǎn)過(guò)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(chǎng)景是，發(fā)生器中的乙炔氣可能通過(guò)沉降罐水管線上的排水閥泄漏進(jìn)入廠棚區(qū)域，這個(gè)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(chǎng)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(lái)進(jìn)入廠棚區(qū)域。根據(jù)事故現(xiàn)場(chǎng)的破壞機(jī)理和爆炸現(xiàn)象來(lái)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(rèn)為，蒸氣云爆炸的強(qiáng)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(chǎng)證據(jù)和事故調(diào)查分析（如表1所示），都認(rèn)為導(dǎo)致這次爆炸的物質(zhì)是乙炔氣。

表1 爆炸燃料的來(lái)源對(duì)比分析

圖4 乙炔生產(chǎn)流程簡(jiǎn)圖

事故場(chǎng)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(guò)失效的單向閥，通過(guò)循環(huán)水管線上處于打開狀態(tài)的排水閥泄漏進(jìn)入廠棚內(nèi)部區(qū)域，乙炔氣在廠棚內(nèi)部聚集，遇到點(diǎn)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(shí)，這種方法在互聯(lián)網(wǎng)上流傳已久，并非我的獨(dú)創(chuàng)。當(dāng)我們身臨其境時(shí)，會(huì)更加真切地感受到孩子無(wú)條件的愛，如果再給您一次機(jī)會(huì)，您會(huì)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(guò)設(shè)置在低點(diǎn)的閥門把水排到廠棚地面上，防止冬季時(shí)管線外部被凍壞。這個(gè)處于打開狀態(tài)的排水閥為發(fā)生器內(nèi)乙炔氣泄漏進(jìn)入廠棚內(nèi)部區(qū)域提供了一個(gè)潛在通道，而且廠棚封閉空間的設(shè)計(jì)也沒(méi)有考慮可能出現(xiàn)乙炔氣的工況，沒(méi)有設(shè)置機(jī)械通風(fēng)。

工藝危害分析（Process hazards analysis, PHA）是一個(gè)基于團(tuán)隊(duì)合作、頭腦風(fēng)暴的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別技術(shù)，也是OSHA“過(guò)程安全管理”法規(guī)（Process Safety Management, PSM）中的一個(gè)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(guò)了4 536 kg（1萬(wàn)磅），屬于OSHA（美國(guó)職業(yè)安全健康局）“過(guò)程安全管理”法規(guī)（29 CFR 1910.119）管轄范圍。通過(guò)進(jìn)行PHA，可以幫助識(shí)別工藝流程和操作過(guò)程中存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)、可能后果，以及相應(yīng)的保護(hù)措施，通過(guò)采取系統(tǒng)的建議措施來(lái)消除或控制識(shí)別出來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

ASCO公司在1996年進(jìn)行的PHA活動(dòng)沒(méi)有識(shí)別出廠棚內(nèi)沉降水管線排水位置可能帶來(lái)的潛在風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)OSHA“過(guò)程安全管理”法規(guī)的要求，ASCO公司在2001年應(yīng)再次進(jìn)行PHA，但是ASCO公司沒(méi)有按照要求做這項(xiàng)工作，又一次錯(cuò)失了發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致這次爆炸事故的原因的機(jī)會(huì)。

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(shuō)明事故發(fā)生時(shí)循環(huán)系統(tǒng)并不處于運(yùn)行狀態(tài)。CSB調(diào)查組認(rèn)為，在循環(huán)水系統(tǒng)啟動(dòng)之前，操作人員關(guān)閉了自來(lái)水供給閥，導(dǎo)致發(fā)生器系統(tǒng)沒(méi)有帶壓水去防止乙炔氣的逆流工況。如果在關(guān)停自來(lái)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(jìn)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(cè)，但是手冊(cè)中沒(méi)有涉及循環(huán)水系統(tǒng)的內(nèi)容。所以，對(duì)于如何正確操作循環(huán)水系統(tǒng)，操作人員沒(méi)有相關(guān)的書面指導(dǎo)手冊(cè)，也不清楚操作程序出現(xiàn)偏離時(shí)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(méi)有涉及向發(fā)生器加水（循環(huán)水或者自來(lái)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(gè)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(jì)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(jìn)入廠棚區(qū)域。根據(jù)爆炸后對(duì)單向閥的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)可燃?xì)饽媪魍ㄟ^(guò)了該單向閥，而且OSHA進(jìn)行X射線檢測(cè)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(diǎn)處，如圖5所示。ASCO公司員工曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)過(guò)這個(gè)單向閥發(fā)生泄漏，當(dāng)時(shí)是由這名員工對(duì)閥門進(jìn)行了拆卸、清潔和重新組裝。

該單向閥依靠重力和背壓實(shí)驗(yàn)密封，沒(méi)有彈簧輔助進(jìn)行閥塞的密封；閥塞沒(méi)有被有效地導(dǎo)向，出現(xiàn)了未對(duì)中的趨勢(shì)；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(duì)于防止出現(xiàn)逆流工況很關(guān)鍵時(shí)，涉及危險(xiǎn)物料時(shí)不應(yīng)該單獨(dú)依靠單向閥保護(hù)逆流場(chǎng)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(gè)單向閥外，再設(shè)置2個(gè)截止閥和1個(gè)放空閥（排放至安全位置），從而確保不會(huì)發(fā)生爆炸性氣體逆流的工況。

石灰棚設(shè)計(jì)

由于冬季氣溫很低，而且石灰棚沒(méi)有保溫，所以在爆炸事故發(fā)生時(shí)，加熱器很可能正在運(yùn)行或者處于頻繁啟停狀態(tài)。乙炔氣的自燃溫度約304℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)也可能出現(xiàn)了其他點(diǎn)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(shí)哪個(gè)電氣設(shè)備處于帶電狀態(tài)，所以，加熱器是最可能的點(diǎn)火源。

根據(jù)NFPA（美國(guó)消防協(xié)會(huì)）發(fā)布的美國(guó)國(guó)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(gè)房間、部分或者區(qū)域都需要單獨(dú)考慮。NEC針對(duì)I級(jí)物料（可燃?xì)怏w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(diǎn)燃濃度可燃?xì)怏w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(yùn)行異常條件下存在點(diǎn)燃濃度的可燃?xì)怏w或蒸氣。

所有的可燃?xì)怏w或蒸氣根據(jù)其爆炸特性都被進(jìn)行了分類，乙炔是唯一一種因?yàn)槠錁O度爆炸性特點(diǎn)而被定義為A類的物料。綜上所述，石灰棚的設(shè)計(jì)、建造以及內(nèi)部安裝的電氣設(shè)備應(yīng)滿足NEC I級(jí)，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(jì)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(jī)因潤(rùn)滑油壓力低而停機(jī)后，加氫原料進(jìn)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(shí)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(guò)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(wèn)題：一是事故裝置建成于1990年，其加氫原料進(jìn)料泵出口當(dāng)時(shí)沒(méi)有設(shè)置緊急切斷閥，在后來(lái)多次改造中也沒(méi)有進(jìn)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(hù)保養(yǎng)不到位，未及時(shí)對(duì)泵出口單向閥進(jìn)行檢查維護(hù)，事故后拆檢發(fā)現(xiàn)單向閥已失效。三是風(fēng)險(xiǎn)管控不到位，應(yīng)用HAZOP等分析工具進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、評(píng)估和管控的能力不足，對(duì)加氫裝置高壓竄低壓的危害認(rèn)識(shí)不足。四是應(yīng)急處置不到位。循環(huán)氫壓縮機(jī)潤(rùn)滑油壓低報(bào)警后，長(zhǎng)時(shí)間未能排除故障，處理過(guò)程中引起潤(rùn)滑油壓力低低聯(lián)鎖停機(jī)；循環(huán)氫壓縮機(jī)停機(jī)后，未能第一時(shí)間關(guān)閉加氫原料進(jìn)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(lái)防止物料倒流的一道保護(hù)措施，設(shè)計(jì)院通常設(shè)計(jì)一道單向閥來(lái)降低物料逆流導(dǎo)致重大過(guò)程安全事故的可能性。目前，關(guān)于單向閥的設(shè)計(jì)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。例如，G B 50160—2008《石油化工企業(yè)防火設(shè)計(jì)規(guī)范》中“7.2.11條”規(guī)定：離心式可燃?xì)怏w壓縮機(jī)和可燃液體泵在其出口管道上安裝止回閥。通常來(lái)說(shuō)，單向閥可以作為一道保護(hù)措施，但依據(jù)AQ/T 3054—2015《保護(hù)層分析（LOPA）方法應(yīng)用導(dǎo)則》的要求，單向閥不是一道獨(dú)立的保護(hù)層（IPL），沒(méi)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。可見，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(duì)于OSHA“過(guò)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(dòng)項(xiàng)是強(qiáng)制要求必須遵守的。針對(duì)處理危險(xiǎn)物料的裝置，甚至包括不在“過(guò)程安全管理”法規(guī)范圍內(nèi)的設(shè)施，這些行動(dòng)項(xiàng)被認(rèn)為是很好的安全作業(yè)實(shí)踐，須遵守執(zhí)行。總結(jié)如下：

1.檢查連接至裝有乙炔設(shè)備上的所有管線，識(shí)別出在出現(xiàn)乙炔氣逆流或泄漏時(shí)可能導(dǎo)致危險(xiǎn)的排氣口和排液點(diǎn)，將所有這些排氣口和排液點(diǎn)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(jí)的電氣設(shè)備和低溫加熱措施等。

3.通過(guò)定期檢查和測(cè)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(gè)截止閥和1個(gè)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(huì)發(fā)生。

5.針對(duì)裝置整個(gè)操作流程，制定詳細(xì)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(duì)操作人員進(jìn)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。