美國(guó)德瑞德造紙廠非冷凝氣體爆炸事故

王宇航｜編譯

2017年2月8日 約11∶05分，位于路易斯安那州的美國(guó)包裝 公 司（Packaging Corporation of America）德瑞德造紙廠（DeRidder Paper Mill），一個(gè)污冷凝水罐發(fā)生爆炸，造成3人死亡，7人受傷，死傷人員都是承包商員工；爆炸還對(duì)周?chē)纳a(chǎn)工藝造成了嚴(yán)重破壞。美國(guó)化學(xué)品安全與危害調(diào)查委員會(huì)（簡(jiǎn)稱(chēng)CSB）認(rèn)為，事故原因是空氣進(jìn)入污冷凝水罐后與易燃松節(jié)油蒸氣混合，在罐內(nèi)形成爆炸性氣體，引發(fā)爆炸的火源可能來(lái)自水罐上方的焊接作業(yè)。基于調(diào)查的結(jié)果，CSB編制并頒布了制漿造紙業(yè)安全指南，并向美國(guó)包裝公司提出了安全改進(jìn)建議。

事故背景及過(guò)程

美國(guó)包裝公司德瑞德造紙廠

美國(guó)包裝公司總部位于伊利諾伊州森林湖，現(xiàn)雇員約1.4萬(wàn)人。2017年2月8日（事發(fā)當(dāng)天），美國(guó)包裝公司擁有并經(jīng)營(yíng)5家箱板紙廠，3家造紙廠和94家瓦楞紙制品生產(chǎn)廠。德瑞德造紙廠建于1969年，是一個(gè)綜合性紙板廠。2013年10月，美國(guó)包裝公司收購(gòu)了德瑞德造紙廠的前所有者和運(yùn)營(yíng)商博伊西股份有限公司，德瑞德造紙廠生產(chǎn)不同等級(jí)的紙板，其客戶(hù)使用紙箱板來(lái)生產(chǎn)各種不同的包裝產(chǎn)品。德瑞德造紙廠由紙漿區(qū)和造紙區(qū)組成，在紙漿區(qū)將軟木屑和回收的瓦楞紙制成紙漿，然后在造紙區(qū)將紙漿制成紙制品。紙漿區(qū)由若干小型加工工段組成。與2017年2月8日爆炸事故關(guān)系最密切的兩個(gè)設(shè)施為：廠內(nèi)發(fā)電車(chē)間和紙漿生產(chǎn)車(chē)間。

圖1 美國(guó)包裝公司德瑞德造紙廠俯視圖，右下角是造紙區(qū)

圖2 事故前的污冷凝水罐

圖3 黃色圓圈指污冷凝水罐事故之前所在位置，黃色線(xiàn)段指爆炸后水罐飛行路徑，箭頭指水罐墜落在動(dòng)力車(chē)間燃料堆基礎(chǔ)上

圖4 美國(guó)包裝公司德瑞德造紙廠事故現(xiàn)場(chǎng)，右下角指污冷凝水罐基座被倒置，水罐與底座分離

事故過(guò)程

2017年2月8日中部夏令時(shí)間約11∶05分，位于路易斯安那州的美國(guó)包裝公司德瑞德造紙廠（簡(jiǎn)稱(chēng)德瑞德造紙廠）有一臺(tái)污冷凝水罐（見(jiàn)圖2）發(fā)生爆炸。爆炸使該水罐罐體從底部脫離出來(lái)，從地面位置向上飛起并跨過(guò)一個(gè)6層樓高的結(jié)構(gòu)，然后在大約114.3 m遠(yuǎn)處落下（見(jiàn)圖3）。爆炸造成3人死亡，7人受傷。傷亡的10名工人都是在污冷凝水罐附近作業(yè)的承包商員工，傷害類(lèi)型包括挫傷和燒傷等，其中至少有1名承包商員工被高溫液體灼傷。爆炸損壞了位于水罐上方的管架結(jié)構(gòu)和管道（見(jiàn)圖4），動(dòng)力車(chē)間燃料堆上方的工作平臺(tái)和除塵管道系統(tǒng)及其他地點(diǎn)遭到破壞。 2017年2月5日，即事件發(fā)生前3天，該工廠開(kāi)始設(shè)備年度檢修維護(hù)工作，維修工作原計(jì)劃于2月12日結(jié)束，可是卻在2月8日發(fā)生了事故。

停產(chǎn)檢修工作需要眾多相關(guān)方在廠內(nèi)同時(shí)作業(yè)，盡管污冷凝水罐不需要檢修，但是在整個(gè)檢修期間，水罐所在區(qū)域還是需要開(kāi)展一些作業(yè)活動(dòng)，隨時(shí)會(huì)有多個(gè)承包商在水罐附近作業(yè)。

2017年年度停產(chǎn)檢修期間，德瑞德造紙廠沒(méi)有清空污冷凝水罐中的液體。在事發(fā)當(dāng)天，這個(gè)30 ft（9.14 m）高的水罐內(nèi)液體的液位約10 ft（3.04 m），德瑞德造紙廠員工認(rèn)為剩余的20 ft（6.1 m）蒸氣空間主要含有非冷凝氣體和水蒸氣，而其中的空氣不足以支持燃燒。CSB訪(fǎng)談德瑞德造紙廠員工時(shí)，員工表示在儲(chǔ)罐里留存液體的原因有4點(diǎn)：實(shí)施工藝改進(jìn)之后，每年不再需要對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行停產(chǎn)檢修和清洗；工廠工作人員未發(fā)現(xiàn)罐內(nèi)液體存在風(fēng)險(xiǎn)；在停產(chǎn)檢修期間沒(méi)有直接針對(duì)水罐的作業(yè)計(jì)劃；年度停產(chǎn)檢修期間工作任務(wù)繁重，人力資源緊張。

雖然在停產(chǎn)檢修期間沒(méi)有直接針對(duì)水罐的作業(yè)計(jì)劃，但是在污冷凝水罐上方有水管維修作業(yè)。幾個(gè)月前，水管從支架上脫落，并且在連接到污冷凝水罐的8 ft（20.3 cm）管線(xiàn)和3 ft(7.6 cm)管線(xiàn)的轉(zhuǎn)接交叉處裂開(kāi)（圖5），有明顯的泄漏，制定維修計(jì)劃的員工在之前拍攝了相關(guān)視頻。為了修理水管，承包商需要先斷開(kāi)管道，然后將水管移歸原位，之后再修補(bǔ)管道裂縫，并且在管道架上安裝管道導(dǎo)軌，防止管道今后從管架滑脫出來(lái)。維修過(guò)程需要實(shí)施焊接作業(yè)。工作人員告訴CSB，在焊接作業(yè)開(kāi)始之前，德瑞德造紙廠關(guān)閉了連接污冷凝水罐一側(cè)管道的閥門(mén)，并將其鎖定，但是爆炸之后該閥門(mén)再也沒(méi)有找到。

2017年2月7日，德瑞德造紙廠作業(yè)人員關(guān)閉并鎖定了系統(tǒng)閥門(mén)，使水管與系統(tǒng)隔離。承包商作業(yè)人員在法蘭處斷開(kāi)了水管，執(zhí)行第一項(xiàng)任務(wù)，即將水管恢復(fù)到原來(lái)的位置。在閥門(mén)與水管斷開(kāi)之后，德瑞德造紙廠沒(méi)有要求在閥門(mén)的開(kāi)口端對(duì)裝置實(shí)施隔離，如安裝盲板；承包商作業(yè)人員也沒(méi)有在水管開(kāi)口端安裝隔離盲板。2月7日的作業(yè)活動(dòng)不涉及焊接或其他動(dòng)火作業(yè)。德瑞德造紙廠指定了一名接受過(guò)培訓(xùn)的安全協(xié)調(diào)員協(xié)調(diào)停產(chǎn)檢修作業(yè)活動(dòng)，主要執(zhí)行掛牌上鎖，簽發(fā)進(jìn)入密閉空間以及動(dòng)火作業(yè)等作業(yè)許可。

2月8日上午，德瑞德造紙廠一位安全協(xié)調(diào)員簽發(fā)了一張水管焊接動(dòng)火作業(yè)許可證，這是停產(chǎn)檢修作業(yè)中的一項(xiàng)例行程序。德瑞德造紙廠的另一位員工使用氣體探測(cè)器檢查了水管周?chē)蛢?nèi)部，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)水管周?chē)皠?dòng)火作業(yè)區(qū)存在易燃?xì)怏w，于是在當(dāng)日8時(shí)左右簽發(fā)了動(dòng)火作業(yè)許可證。作業(yè)許可適用于水管、管橋和周?chē)钠脚_(tái)，但是沒(méi)有考慮到相鄰的容器或管道存在潛在危險(xiǎn)，如污冷凝水罐。德瑞德造紙廠簽發(fā)動(dòng)火作業(yè)許可的員工熟悉動(dòng)火作業(yè)程序，但是他們不知道儲(chǔ)罐內(nèi)的蒸氣是爆炸性的。

爆炸之前工人們已經(jīng)將8 ft（20.3 cm）水管移回到支架合適的位置，并修復(fù)了3 ft（7.6 cm）水管中的裂縫，事發(fā)時(shí)他們正在焊接導(dǎo)軌，以便將水管固定支架上(見(jiàn)圖6)。管架上的兩名焊工和在相鄰結(jié)構(gòu)上的另一名管道工人在隨后的爆炸中遇難。

CSB未能完全了解爆炸發(fā)生時(shí)的確切作業(yè)活動(dòng)，因?yàn)楣S的污冷凝水罐附近沒(méi)有監(jiān)控?cái)z像頭，污冷凝水罐附近的作業(yè)缺乏音像資料，目擊者也不能完整陳述事件的經(jīng)過(guò)。中控室計(jì)算機(jī)有數(shù)據(jù)表明，大約在11∶05分，與污冷凝水罐相連的濃縮非冷凝氣體總管壓力傳感器有一次壓力峰值，與事故目擊者所說(shuō)的爆炸時(shí)間一致。德瑞德造紙廠未有效執(zhí)行應(yīng)急預(yù)案。據(jù)美國(guó)職業(yè)安全與健康管理局(OSHA)介紹，爆炸發(fā)生1 h之后，還有一些員工沒(méi)有從工廠撤離，也沒(méi)有人統(tǒng)計(jì)承包商人員數(shù)量，而且工廠電話(huà)壞了。因?yàn)榇嬖谶@些違法行為，2017年8月3日，OSHA傳訊了美國(guó)包裝公司。

圖5 事故之前8 ft（20.3 cm）水管與3 ft（7.6 cm）水管轉(zhuǎn)接處的裂紋（黃色圓圈所示）

圖6 2017年2月8日事故之前水管作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

技術(shù)問(wèn)題分析

最有可能的事故原因

結(jié)合物理數(shù)據(jù)、目擊者證言和事故前后工藝壓力的變化，表明設(shè)備在正常運(yùn)行期間有空氣進(jìn)入污冷凝水罐?？諝庾钣锌赡苁峭ㄟ^(guò)壓力和真空安全閥進(jìn)入水罐，在污冷凝水罐液位周期性升降的過(guò)程中，當(dāng)罐內(nèi)處于低壓狀態(tài)時(shí)，引起真空安全閥動(dòng)作，空氣因此會(huì)進(jìn)入罐內(nèi)。水罐內(nèi)的負(fù)壓比真空安全閥動(dòng)作壓力低6 ft（15.24 cm）的水位。在工廠年度停產(chǎn)檢修期間，有更多的空氣進(jìn)入了污冷凝水罐。由于水罐已被隔離，罐內(nèi)溫度低于185oF(85℃)，有些蒸氣已經(jīng)冷凝?？諝獾倪M(jìn)入和液體環(huán)境的冷卻，使罐內(nèi)非冷凝氣體濃度低于爆炸極限上限，形成爆炸性氣氛。

流入罐中的污冷凝液，除含有大量揮發(fā)性組分（如總還原硫和甲醇）外通常還含有少量松節(jié)油。然而在污冷凝水罐中，松節(jié)油漂浮在污冷凝液頂部，形成不混溶的液體層，類(lèi)似油/水的不相溶。在爆炸之前，罐內(nèi)的松節(jié)油層約有3個(gè)月未被清除，水罐內(nèi)可能積聚了大量的松節(jié)油。

德瑞德造紙廠沒(méi)有對(duì)污冷凝水罐進(jìn)行危害分析，沒(méi)有明確由哪個(gè)班組負(fù)責(zé)水罐的清潔工作，也沒(méi)有在水罐上安裝可燃物質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器，無(wú)法了解罐內(nèi)氣體是否達(dá)到爆炸范圍。德瑞德造紙廠本應(yīng)該將該罐作為易燃儲(chǔ)罐進(jìn)行管理，但是因?yàn)椴涣私夤迌?nèi)松節(jié)油積聚和空氣進(jìn)入等實(shí)際情況，工廠既沒(méi)有將風(fēng)險(xiǎn)傳達(dá)給員工和承包商，又沒(méi)有對(duì)罐內(nèi)氣體進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)和控制。

依據(jù)人員訪(fǎng)談和物理證據(jù)，引發(fā)爆炸的火源可能來(lái)自承包商在污冷凝水罐上方的焊接作業(yè)。由于缺乏確鑿的證據(jù)，無(wú)法完全確定火源，不能排除有其他火源的可能性。

水管動(dòng)火作業(yè)許可

德瑞德造紙廠要求作業(yè)人員在開(kāi)展任何產(chǎn)生火源的作業(yè)活動(dòng)（如焊接或釬焊）之前，必須辦理動(dòng)火作業(yè)許可證(示例見(jiàn)圖7)。。德瑞德造紙廠工作人員在簽發(fā)動(dòng)火作業(yè)許可證之前，使用可燃?xì)怏w檢測(cè)儀對(duì)工作區(qū)域周?chē)h(huán)境進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)焊接點(diǎn)周?chē)白鳂I(yè)平臺(tái)存在易燃蒸氣。但是，沒(méi)有人檢測(cè)污冷凝水罐內(nèi)部是否存在易燃?xì)怏w，檢測(cè)人員沒(méi)有意識(shí)到污冷凝水罐內(nèi)可能存在爆炸的危險(xiǎn)。因此，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)完成之后工廠的安全協(xié)調(diào)員在當(dāng)日8時(shí)左右簽發(fā)了動(dòng)火作業(yè)許可證。

從德瑞德造紙廠員工采取的行動(dòng)看來(lái)，員工試圖保障水管維修作業(yè)的安全，但是他們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)污冷凝水罐內(nèi)存在爆炸的危險(xiǎn)。由于缺乏對(duì)污冷凝水罐內(nèi)爆炸危險(xiǎn)的了解，安全協(xié)調(diào)員和承包商不知道需要采取必要的安全措施。

可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)

根據(jù)德瑞德造紙廠的作業(yè)規(guī)則和程序要求，在焊接作業(yè)過(guò)程中須持續(xù)監(jiān)測(cè)可燃?xì)怏w。承包商遵守了這一規(guī)定，在2017年2月8日分配工作任務(wù)時(shí)安排了監(jiān)火人員。在維修作業(yè)實(shí)施的同時(shí)，承包商的監(jiān)火人員在地面上進(jìn)行了易燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)，直到爆炸之前一直沒(méi)有監(jiān)測(cè)到易燃?xì)怏w。因?yàn)樗诘孛嫠幍奈恢脽o(wú)法監(jiān)測(cè)到水罐上方空間的可燃物，無(wú)法對(duì)動(dòng)火作業(yè)人員所在管架及附近位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也無(wú)法對(duì)通往污冷凝水罐的清潔水管道閥門(mén)以及壓力與真空安全閥附近進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在高處管架上實(shí)施動(dòng)火作業(yè)的地點(diǎn)沒(méi)有配備監(jiān)火人員，遇害的3名工人在水罐頂部實(shí)施動(dòng)火作業(yè)，但是當(dāng)時(shí)沒(méi)有人在焊接作業(yè)點(diǎn)開(kāi)展可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)。

持續(xù)開(kāi)展可燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)并不能有效預(yù)防2月8日的事故，有兩個(gè)原因：一是，連續(xù)監(jiān)測(cè)的假設(shè)是監(jiān)測(cè)地點(diǎn)附近有可燃?xì)怏w泄漏，然而在沒(méi)泄漏的情況下，水罐仍然可能發(fā)生爆炸，并且在這種情況下靠近水罐監(jiān)測(cè)也無(wú)法判斷水罐內(nèi)的爆炸性氣體。二是，如果可燃?xì)怏w從約10萬(wàn)gal（約38萬(wàn) L）的水罐中泄漏，則需要在多個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，而實(shí)際上只安排了一位監(jiān)火人員，對(duì)多點(diǎn)實(shí)施連續(xù)監(jiān)測(cè)是不切實(shí)際的。

讓人員進(jìn)入污冷凝水罐監(jiān)測(cè)爆炸性氣體是不現(xiàn)實(shí)的，最有效的監(jiān)測(cè)方法是在罐內(nèi)安置固定儀器進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。水罐內(nèi)外存在壓差，空氣可能被吸入水罐中，或者非冷凝氣體會(huì)釋放到大氣中，因此，在水罐內(nèi)安裝固定的監(jiān)測(cè)儀器或從水罐頂部取樣監(jiān)測(cè)比較現(xiàn)實(shí)。此外，事先正確開(kāi)展預(yù)先危險(xiǎn)性分析（PHA），提醒工作人員水罐內(nèi)含有易燃?xì)怏w至關(guān)重要。如果員工掌握了這些知識(shí)，在年度停產(chǎn)檢修期間對(duì)污冷凝水罐進(jìn)行清洗和惰化之后再實(shí)施動(dòng)火作業(yè)，事故可有效防止。

圖7 動(dòng)火作業(yè)許可證示例

動(dòng)火作業(yè)與可燃物隔離

如果德瑞德造紙廠認(rèn)識(shí)到了在含有爆炸性氣體的水罐上方進(jìn)行動(dòng)火作業(yè)有爆炸的危險(xiǎn)，則應(yīng)事先采取措施清除罐內(nèi)爆炸性氣體。如果清除罐內(nèi)爆炸性氣體不切實(shí)際，則應(yīng)采取屏蔽或覆蓋等措施使熱源與污冷凝水罐隔離。CSB訪(fǎng)談工廠員工后了解到，德瑞德造紙廠將污冷凝水罐壁面作為動(dòng)火作業(yè)的屏障，這種做法顯然是錯(cuò)誤的。

美國(guó)消防協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)NFPA 51有一條35 ft（約11 m）規(guī)則，辨識(shí)動(dòng)火作業(yè)區(qū)域的潛在危險(xiǎn)：動(dòng)火作業(yè)點(diǎn)35 ft（約11 m）范圍內(nèi)的所有可燃物均應(yīng)清除干凈，并且……可燃物轉(zhuǎn)移不切實(shí)際時(shí)，可以采用焊接防火簾、防火毯或類(lèi)似屏障物對(duì)可燃物實(shí)施隔離保護(hù)。如果是在高處實(shí)施動(dòng)火作業(yè)，如德瑞德造紙廠一樣，35 ft（約11 m）規(guī)則的半徑需要擴(kuò)大。

污冷凝水罐位于動(dòng)火作業(yè)點(diǎn)35 ft（約11 m）范圍內(nèi)，水罐外壁成為動(dòng)火作業(yè)和易燃環(huán)境之間的主要屏障。這種情況是不合適的，因?yàn)樗迌?nèi)可燃?xì)怏w可能會(huì)泄漏，水罐外壁也可以導(dǎo)熱，不能杜絕點(diǎn)火源與水罐的接觸。本來(lái)可以用焊盤(pán)、防火毯、防火簾或防火帆布等屏障物隔離水罐與點(diǎn)火源，在焊接過(guò)程中，似乎已經(jīng)使用了防火毯，但是只覆蓋了水罐的一部分，沒(méi)有將水罐整個(gè)保護(hù)起來(lái)，以免受火源的影響。

盡管德瑞德造紙廠并未將非冷凝氣體濃縮系統(tǒng)納入過(guò)程安全管理體系，但是仍然應(yīng)該根據(jù)公司內(nèi)部和外部標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)動(dòng)火作業(yè)點(diǎn)至少35 ft（約11 m）范圍實(shí)施安全評(píng)估，辨識(shí)是否存在易燃?xì)怏w，可是該工廠沒(méi)有做到。未能消除水罐內(nèi)的易燃環(huán)境，也沒(méi)有采用屏障物（如水罐與動(dòng)火作業(yè)之間的防火毯）將動(dòng)火作業(yè)與易燃環(huán)境有效隔離。在沒(méi)有有效執(zhí)行安全保障措施之前，2月8日的動(dòng)火作業(yè)許可證不應(yīng)該簽發(fā)。

表1 美國(guó)包裝公司事后改進(jìn)措施建議

圖8 事后的警示標(biāo)識(shí)，以警告工廠員工容器內(nèi)存在易燃?xì)怏w相關(guān)危險(xiǎn)

美國(guó)包裝公司提出的改進(jìn)建議

在2017年2月8日爆炸事故之后的幾個(gè)月里，美國(guó)包裝公司對(duì)德瑞德造紙廠實(shí)施全面安全檢查，提出若干對(duì)策措施建議（具體如表1所示）。

CSB提供的建議

根據(jù)事故調(diào)查的結(jié)果，為了提升美國(guó)化學(xué)品企業(yè)的作業(yè)安全，保護(hù)工作人員和社區(qū)免受非冷凝氣體爆炸的危害，CSB針對(duì)美國(guó)包裝公司提出如下5點(diǎn)建議：

1.對(duì)非冷凝氣體系統(tǒng)有效實(shí)施過(guò)程安全管理的要素，應(yīng)用良好實(shí)踐指南，如化工過(guò)程安全中心的《基于風(fēng)險(xiǎn)的過(guò)程安全指南》和《過(guò)程安全管理實(shí)施指南》；

2.適當(dāng)擴(kuò)大過(guò)程安全管理計(jì)劃的應(yīng)用范圍，除非達(dá)到法定的最低要求外，提高流程安全涵蓋范圍的標(biāo)準(zhǔn)；

3. 應(yīng)用 NFPA 69—2014《防爆系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)》，采取有效的防爆措施；如果執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)還不足以防止爆炸，須應(yīng)用NFPA 68—2013《爆燃泄壓與通風(fēng)導(dǎo)則》，采取爆炸防護(hù)措施；

4.應(yīng)用ISA—84《功能安全：流程工業(yè)部門(mén)的安全儀表系統(tǒng)》，采取全生命周期的安全措施，確保監(jiān)測(cè)聯(lián)鎖裝置有效降低系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)；應(yīng)用 TIP 0416—09—2014《濃縮非冷凝氣體的收集和燃燒：規(guī)定、設(shè)計(jì)和操作》，有效實(shí)現(xiàn)非冷凝氣體系統(tǒng)設(shè)計(jì)和操作；

5.定期培訓(xùn)員工，確保他們理解崗位職責(zé)和相關(guān)過(guò)程安全危害，包括實(shí)施動(dòng)火作業(yè)的安全條件。