基于HFACS-PE的典型危險化學(xué)品爆炸事故分析

楊 玲，李英輝，陳萌萌

(中國消防救援學(xué)院消防工程系，北京 102202)

危險化學(xué)品火災(zāi)事故頻發(fā)，造成嚴(yán)重的人員傷亡與經(jīng)濟(jì)損失，同時嚴(yán)重威脅社會的穩(wěn)定。近年來國內(nèi)危險化學(xué)品生產(chǎn)企業(yè)火災(zāi)與爆炸事故時有發(fā)生，造成了極為嚴(yán)重的后果。例如，2006年7月28日，江蘇省鹽城市鹽城氟源化工有限公司臨海分公司發(fā)生爆炸，導(dǎo)致22人死亡；2015年8月12日，天津濱海新區(qū)瑞海公司危險品倉庫發(fā)生危險化學(xué)品爆炸事故，造成165人死亡；2017年6月5日山東臨沂金譽(yù)石化發(fā)生爆炸，最終使得10人失去寶貴的生命。人為因素是導(dǎo)致化工類火災(zāi)爆炸事故發(fā)生的主要原因之一[1-2]。為找到化工類爆炸著火事故的原因，周愛桃[3]對“天津8·12著火爆炸事故”進(jìn)行事故責(zé)任分析，并提出糾正措施；付凈等[4]建立適用于化工事故分析的FTA-24Model模型，并以一起重大爆炸事故為例進(jìn)行了應(yīng)用研究；裴甲坤等[5]改進(jìn)傳統(tǒng)的事故致因尖點突變模型，將其用來研究化工事故致因過程和致因條件，并實例驗證其有效性。本文為修正了適用于危險化學(xué)品類事故分析的HFACS框架，并以四川宜賓恒大科技有限公司“7·12”重大爆炸著火事故為例，對該事故的起火原因進(jìn)行分析，根據(jù)反應(yīng)釜通常的操作流程及事故統(tǒng)計，使用Phast 8.2對該場景下，甲苯災(zāi)難性破裂產(chǎn)生的爆炸及火災(zāi)參數(shù)進(jìn)行計算。

1 HFACS-PE模型分析

1.1 HFACS模型介紹

HFACS分析模型由Wiegmann和Shappell[6]提出，該模型是根據(jù)James Reason的事故奶酪模型提出來的。HFACS模型分為不安全動作、不安全動作前兆、不安全監(jiān)督和組織影響四個層面[7]。其中，不安全動作分為差錯和違規(guī)，差錯包括：技能差錯、決策失誤、認(rèn)知差錯，違規(guī)包括偶然性違規(guī)和習(xí)慣性違規(guī)；不安全動作前兆包含環(huán)境因素、操作者狀態(tài)和人員因素，環(huán)境因素被分為物理環(huán)境和技術(shù)環(huán)境，操作者狀態(tài)主要指操作人員的生理狀態(tài)、精神狀態(tài)、身體和智力的局限，人員因素指的是機(jī)組資源管理和個人準(zhǔn)備狀態(tài)；不安全監(jiān)督包含4個方面，分別是監(jiān)督不充分、違規(guī)監(jiān)督、運行計劃不恰當(dāng)、沒有發(fā)現(xiàn)/糾正問題；組織影響包含管理過程漏洞、管理文化缺失和資源管理不到位。

1.2 HFACS框架修正

為使HFACS框架適用于分析化工企業(yè)爆炸著火事故，本文對初始的HFACS進(jìn)行兩個方面的修改，如圖1所示。HFACS框架最初是用來分析航空事故，原框架中不安全動作的前兆層的“飛行人員資源管理”不適合分析化工類事故，因此，將該因素修改為“部門、員工交流協(xié)調(diào)不足”。此外，在原有4個層次的基礎(chǔ)上增加“危險源”，作為第5層，主要包含危險物質(zhì)、危險操作、事故環(huán)境和其他等4個因素。其他因素主要包含風(fēng)向、溫度等因素。

修正后的模型為HFACS-PE，其中各指標(biāo)的解釋如圖1所示。

圖1 HFACS-PE框架圖Fig.1 HFACS-PE frame diagram

1.3 HFACS框架分析

根據(jù)HFACS-PE框架，宜賓恒達(dá)“7.12”爆炸著火事故中，危險源是此次爆炸事故發(fā)生的主要原因，其中危險物質(zhì)是導(dǎo)致事故發(fā)生的主要因素。而技能差錯、認(rèn)知差錯、習(xí)慣性違規(guī)、技術(shù)環(huán)境、身體/智力局限、部門/員工間交流協(xié)調(diào)不足、個人準(zhǔn)備狀態(tài)是該次爆炸著火的次要因素。

2 案例應(yīng)用分析

2.1 事故過程描述

據(jù)該起事故調(diào)查報告[8]可知，當(dāng)日11時13分，該公司副總接到營業(yè)部送貨員電話，得知有一批貨物到達(dá)，該副總通知生產(chǎn)部部長；約11時30分，貨物送達(dá)至宜賓恒達(dá)公司倉庫，雖然貨物標(biāo)注COD去除劑的原料，但實際上則為氯酸鈉，總重量約2噸。此后，三名工人按照要求完成卸貨。隨后，庫管員將貨物按照丁酰胺辦理入庫，并未對原料認(rèn)真核實；14時左右，二車間副主任按程序開具領(lǐng)料單后，到庫房申請領(lǐng)取20袋丁酰胺；該庫管員收到領(lǐng)料單后，簽字確認(rèn)后發(fā)給二車間副主任33袋實際上為氯酸鈉的“丁酰胺”；14時30分，二車間副主任將33袋“丁酰胺”交給叉車工，叉車工將其運送到二車間一樓；15時30分左右，通過升降機(jī)，“丁酰胺”被送到二車間三樓后，暫時儲存在2R302釜的北側(cè)欄桿；17時20分，2R301釜完成投料，此時釜內(nèi)物質(zhì)“丁酰胺”，實際為甲苯、丁酰胺和氯酸鈉；18時42分，交接班時，二車間三樓2R301釜突然發(fā)生火災(zāi)爆炸事故。事故現(xiàn)場如圖2所示。

圖2 事故現(xiàn)場圖Fig.2 Accident scene map

2.2 事故后果

事故車間為地上三層鋼梁框架結(jié)構(gòu)，頂為鋼梁和彩鋼板，四周無隔墻，總高13.85 m；車間東西為4跨，南北為2跨，共3層。事故發(fā)生前，車間二、三層各有9臺釜(原設(shè)計分別各為6臺)，按南北分列，北部5臺，南部4臺；每個釜安置在車間的工字型鋼梁上，但是釜上的4個支座未與鋼梁固定。釜體在樓板上下各約1/2，懸掛設(shè)置于三層，并貫穿樓板。

據(jù)事故發(fā)生時的目擊者稱，事故發(fā)生時，2R301釜發(fā)生了嚴(yán)重爆炸。從釜內(nèi)沖出的高溫蒸氣，迅速與周圍空氣形成爆炸性混合物，并產(chǎn)生了二次爆炸。爆炸產(chǎn)生的大量沖擊波，把存放在車間內(nèi)的氯酸鈉、甲苯與甲醇等物料也發(fā)生了猛烈的爆炸和燃燒，導(dǎo)致二車間和三車間的迅速著火燃燒。

從物理爆炸的損失情況來看，除了被炸毀的2R301 釜以外，事故還造成了車間西北角三層主體結(jié)構(gòu)遭到不可逆的破壞，并導(dǎo)致二、三車間發(fā)生嚴(yán)重的火災(zāi)，過火面積約1800 m2。二車間二層與三層之間的鋼結(jié)構(gòu)樓面，西北角損毀最為嚴(yán)重，周邊金屬變形嚴(yán)重；經(jīng)現(xiàn)場比對，二車間地面的罐體以及一層與二層之間的釜均在原位置未移動；二層與三層之間西北角搪瓷釜消失不見，北側(cè)由西向東第二個釜掉落至二層結(jié)構(gòu)樓面上，其余釜均在原位置未移動。

此外，爆炸產(chǎn)生的沖擊波造成二車間周邊建筑受到不同程度破壞。一車間屋頂南面彩鋼板受爆炸沖擊波影響，向北凹陷；三車間屋頂北面彩鋼板受爆炸沖擊波影響，向南凹陷；辦公樓南側(cè)立面受爆炸沖擊波損毀嚴(yán)重，窗戶玻璃基本破碎，窗框嚴(yán)重變形，大多向內(nèi)凹陷或傾倒；庫房一和庫房二建筑西側(cè)立面鋼質(zhì)墻面受爆炸沖擊嚴(yán)重，向東凹陷；制冷機(jī)房北側(cè)立面受爆炸沖擊波影響，向南凹陷；變配電室東側(cè)立面受爆炸沖擊波影響，木質(zhì)門損毀，部分門框向西凹陷；分析室西側(cè)立面窗戶玻璃破碎嚴(yán)重，窗框變形，空調(diào)百葉窗受爆炸沖擊嚴(yán)重，向東凹陷。經(jīng)勘驗，在事故現(xiàn)場爆炸部位周圍發(fā)現(xiàn)14塊較大的設(shè)備殘留物，分別為2R301釜的內(nèi)外夾套、電機(jī)、線圈以及攪拌葉片等；在廠區(qū)內(nèi)及廠區(qū)西側(cè)的沙石廠發(fā)現(xiàn)了多處爆炸拋出的碎片，尤其是在距爆炸中心現(xiàn)場距離363 m處，發(fā)現(xiàn)了釜頂蓋(上封頭)碎片，其凈重達(dá)520 kg，這也是最遠(yuǎn)的碎片。

2.3 事故原因分析

導(dǎo)致釜體解體的重要原因有五個：一是在攪拌狀態(tài)下，丁酰胺和氯酸鈉形成的爆炸混合物，具有超級爆燃能力；二是開啟蒸汽加熱后，丁酰胺和氯酸鈉形成的爆炸性混合物，在受熱狀態(tài)下，與釜內(nèi)附件和內(nèi)壁發(fā)生劇烈的相互撞擊和摩擦，進(jìn)而引起化學(xué)爆炸；三是隨釜體解體過程沖出的高溫甲苯蒸氣，迅速與外部空氣形成爆炸性混合物并產(chǎn)生二次爆炸；四是車間存放的氯酸鈉、甲苯與甲醇等物質(zhì)本身具有極大的火災(zāi)爆炸危險性，并直接導(dǎo)致二車間、三車間著火燃燒。

3 事故模擬

評估所有已發(fā)生事件的傷害、損害和其他物理后果是可靠和準(zhǔn)確地調(diào)查事故的基本步驟。由于丁酰胺-氯酸鈉混合物的爆炸反應(yīng)機(jī)理受成分、溫度、壓力等眾多因素影響，難以獲得一次爆炸的準(zhǔn)確參數(shù)。因此，我們對甲苯蒸氣與空氣混合形成的二次爆炸后果進(jìn)行模擬，并與現(xiàn)場結(jié)果進(jìn)行驗證，有助于幫助識別每個事故過程中的主要參數(shù)。

3.1 甲苯的火災(zāi)危險性分析

常溫下，甲苯呈無色澄清狀，是有苯樣氣味的液體。它能溶于酒精、乙醚、丙酮、氯仿、二硫化碳和冰乙酸等常見有機(jī)溶劑，極微溶于水。甲苯比水輕，其相對密度為0.866。其沸點為110.6 ℃。常溫下做閃點(閉杯)實驗，其閃點為4.4 ℃，因此其在常溫下具有很好的揮發(fā)性能，具有易燃易爆性。根據(jù)GB50016-2014《建筑設(shè)計防火規(guī)范》，甲苯液體屬于甲類火災(zāi)危險性的液體。

此外，甲苯蒸氣能與空氣形成爆炸性混合物，發(fā)生爆炸的極限范圍為1.2%～7.0%(體積)。根據(jù)《建筑設(shè)計防火規(guī)范》，因其爆炸下限小于10%，所以，甲苯蒸汽的火災(zāi)危險性也屬于甲類。常溫常壓下，甲苯一旦泄露極易形成爆炸性混合氣體，發(fā)生嚴(yán)重的爆炸事故。且甲苯具有低毒性，其半數(shù)致死量為5000 mg/kg。而高濃度的甲苯氣體還具有一定的麻醉性，也有一定的刺激性。所以一旦發(fā)生甲苯的泄漏事故，可能會造成大量人員傷亡，也極易發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，產(chǎn)生二次危害。所以甲苯屬于重大危險源。當(dāng)儲量超過規(guī)定值，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《重大危險源辨識》，應(yīng)當(dāng)將該場所列為重大危險源進(jìn)行監(jiān)管。同時，還要根據(jù)《危險化學(xué)品安全管理條例》、《易制毒化學(xué)品管理條例》受公安部門管制。事故中，反應(yīng)釜中的主要物料為甲苯。因此，甲苯為該起事故發(fā)生最重要的危險源。

3.2 條件假設(shè)

根據(jù)反應(yīng)釜通常的操作流程及事故統(tǒng)計，2R301釜的容積為3000 L，假設(shè)發(fā)生事故時加入甲苯900 L，事故當(dāng)天風(fēng)速1.5 m/s，大氣穩(wěn)定度D，環(huán)境溫度25 ℃，高度13.85 m。使用Phast 8.2對該場景下，甲苯災(zāi)難性破裂產(chǎn)生的爆炸及火災(zāi)參數(shù)進(jìn)行計算。

3.3 事故模擬

(1)甲苯災(zāi)難性破裂后云團(tuán)分布

甲苯災(zāi)難性破裂發(fā)生爆炸后產(chǎn)生的云團(tuán)俯視圖和最大足跡圖情況如圖3和圖4所示。

通過圖3可以發(fā)現(xiàn)，甲苯災(zāi)難性破裂發(fā)生后產(chǎn)生云團(tuán)最高高度為2.85 m左右，距離泄漏點產(chǎn)生的云團(tuán)形狀受風(fēng)向影響，下風(fēng)風(fēng)向的距離遠(yuǎn)大于上風(fēng)向距離。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，云圖可達(dá)的最大足跡為26.4 m，主要也受到風(fēng)向影響，下風(fēng)風(fēng)向的距離遠(yuǎn)大于上風(fēng)向距離。

圖3 云團(tuán)俯視圖Fig.3 Top view of the clouds

圖4 云最大足跡Fig.4 Maximum footprint of the cloud

(2)甲苯災(zāi)難性破裂后燃燒情況

甲苯災(zāi)難性破裂發(fā)生爆炸后產(chǎn)生的即時池火災(zāi)的熱輻射隨距離的變化情況如圖5所示，晚期池火輻射強(qiáng)度半徑隨距離的變化情況如圖6所示。

圖5 即時池火災(zāi)的熱輻射Fig.5 Thermal radiation of an instant pool fire

圖6 晚期池火輻射強(qiáng)度半徑Fig.6 Radius of radiation intensity of late pond fire

通過圖5，可以發(fā)現(xiàn)，即時池火災(zāi)熱輻射值隨距離也呈現(xiàn)指數(shù)下降，大約到33.5 m后，熱輻射值接近于零，可以忽略不計。晚期池火輻射強(qiáng)度半徑也受到風(fēng)向的明顯影響，下風(fēng)向方向熱輻射強(qiáng)度明顯高于上風(fēng)向，下風(fēng)向熱輻射強(qiáng)度最遠(yuǎn)點為36 m，對應(yīng)的熱輻射強(qiáng)度為4 kW/m2。

(3)甲苯災(zāi)難性破裂后爆炸情況

甲苯災(zāi)難性破裂發(fā)生爆炸后，爆炸超壓隨距離變化如圖7所示，即時池火災(zāi)致死率橢圓如圖8所示。

圖7 爆炸超壓隨距離變化Fig.7 Explosion overpressure varies with distance

圖8 即時池火災(zāi)致死率橢圓Fig.8 Ellipse of the instant pool fire fatality rate

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，爆炸超壓隨距離發(fā)生一次突增。發(fā)生突增的位置都受到大氣穩(wěn)定度D值影響，D較低時，突增點發(fā)生在距離起爆點10 m處，超壓范圍在9～11 m之間；隨著D值增加，突增點發(fā)生在距離起爆點的位置穩(wěn)定在20 m處，超壓范圍為19.5～20.5 m處。

3.4 討 論

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，與事故現(xiàn)場，以及事故調(diào)查報告中的計算結(jié)果，事故釋放的爆炸總能量大約為230 kg TNT當(dāng)量(爆炸當(dāng)量為50 kg TNT)，能較好的吻合。

4 結(jié) 論

(1)建立HFACS-PE框架模型。根據(jù)化工企業(yè)事故的特點，對HFACS進(jìn)行修正，將原框架中第2水平的“飛行人員資源管理”替換為“部門、員工間交流協(xié)調(diào)”；增加“危險源”為水平5，包含危險物質(zhì)、危險操作、事故環(huán)境和其它；

(2)采用HFACS-PE框架對宜賓恒達(dá)“7.12”爆炸著火事故進(jìn)行分析，結(jié)果表明：危險物質(zhì)導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生最根本也是最重要的因素；

(3)根據(jù)事故的分析結(jié)果，通過采用數(shù)值模擬結(jié)果，與事故現(xiàn)場，以及事故調(diào)查報告中的計算結(jié)果，事故釋放的爆炸總能量為230 kg TNT當(dāng)量(爆炸當(dāng)量為50 kg TNT)，能較好的吻合。