CSB经典案例分析-ASCO乙炔生产装置单向阀失效导致的可燃气体爆炸事故

1CSB经典案例分析—ASCO乙炔生产装置单向阀失效导致的可燃气体爆炸事故唐彬天津市居安企业管理咨询有限公司中国石油和化学工业协会培训中心摘要本文结合美国化学品安全与危害调查委员会（CSB）对2005年ASCO乙炔服务公司乙炔气生产装置因单向阀失效导致乙炔气逆流并泄漏爆炸事故的调查，详细介绍该起事故的发生背景、过程与后果，并从技术和管理角度综合分析、总结导致事故的各方面原因，分享CSB调查组根据事故调查结果总结的经验教训和建议措施。关键词:乙炔、单向阀失效、爆炸、美国化学品安全与危害调查委员会(CSB)1.事故简介2005年1月25日，位于美国新泽西州PerthAmboy的乙炔服务公司（AcetyleneServicesCompany,ASCO）是一家从事乙炔气生产和包装的公司，因乙炔发生器循环水管线上的单向阀失效内漏，导致乙炔气通过循环水管线逆流并泄漏进入封闭空间聚集，遇点火源后引发剧烈爆炸（如图1所示），事故造成3人死亡，1人重伤，附近生产厂房严重受损。图1：爆炸事故现场照片2.事故背景22.1公司背景ASCO是一个家族式自营企业，于1982年开始在纽约和费城市区生产和包装乙炔气服务。事故发生时，ASCO拥有14名员工。ASCO主要在PerthAmboy厂区生产乙炔气，2004年7月，ASCO开始直接从一家石化企业购买乙炔气，以补充自己的生产能力。2.2装置布置ASCO生产装置位于一处工业区，乙炔气生产工艺设备、气瓶充装操作区、办公室和休息室均位于46号厂房内，如图2所示。在46号厂房外部紧挨着设有6个沉降罐，中间是一个木制结构的厂棚。厂棚里面设有水泵和相关附属管线。接货码头用于卸载购买的乙炔气，另外还有一个丙酮储罐。图2：平面布置示意图2.3乙炔乙炔（俗称风煤或电石气）是一种无色、高反应活性和极度易燃的气体。纯乙炔是无臭的，但工业用乙炔由于含有硫化氢、磷化氢等杂质，而有一股大蒜的气味，密度比空气稍轻。乙3炔气的可燃范围很宽，约2.5%~82%。当乙炔气的压力被压缩至大于0.1MPa（表压）时，乙炔气可能发生剧烈的分解。当乙炔气被液化时，也非常不稳定，也可能发生剧烈分解。因为乙炔气的上述特点，乙炔通常被储存在专用乙炔气瓶内，气瓶内部装有浸入液态丙酮的多孔填料（高比表面积），目的是保持乙炔气稳定，防止分解。使用时，溶解在丙酮内的乙炔变为气体分离出来，而丙酮仍留在瓶内，以便再次充入乙炔使用。2.4乙炔气生产工艺ASCO通过将电石（碳化钙，化学式为CaC2）和水（化学式为H2O）混合生产乙炔气（化学式为C2H2），同时生成副产物石灰（化学式为Ca(OH)2），反应过程为放热反应。反应过程如下：CaC2+H2O→C2H2+Ca(OH)2+热量混合过程在一个卧式储罐内进行，称作发生器，如图3所示。发生器内装有一定量的水，根据发生器的压力，控制电石以一定的速率进入发生器中。该过程为半自动化式控制，如果给发生器供料的电石料斗保持满料状态，反应过程就可以连续进行。图3：乙炔发生器（圆圈处为循环水管线上的单向阀）生成的乙炔气经压缩机转输至附属设备除去杂质，净化后的乙炔气被送至充装操作间，充装至气瓶中。副产品石灰浆从发生器连续排放到位于厂房外部的一个储槽中，然后经泵加压输送至沉降罐里。2.5沉降罐ASCO使用6个敞口的串联的沉降罐临时储存副产品石灰浆，也用于准备和储存发生器循环使用的水。这6个钢制的常压储罐，高度约6米，直径约3米，分为两排南北方向布置。4石灰浆从储槽被泵入到1#沉降罐里，石灰颗粒逐渐沉降，上部的水则溢流至2#沉降罐里，石灰颗粒经进一步沉降分离，水继续进入到下游沉降罐。当水进入到5#和6#沉降罐时，水中的石灰含量已很少，如图4所示。各个沉降罐底部聚集的石灰泥反复用泵抽出来，然后被承包商运走。根据生产需要，5#和6#沉降罐里集聚的水可以通过泵输送回发生器循环使用。图4：沉降罐流程简图2.6木制厂棚（石灰棚）ASCO装置区域的6个沉降罐之间建有一个木制厂棚，长约8.5m，宽约4.6m，如图2所示，6个沉降罐的罐璧构成了厂棚的一部分围墙。厂棚里面设有2个电动泵，一个用于从沉降罐抽出沉积的石灰泥，另一个用于将经沉降处理后的水循环至发生器。厂棚使用一个安装在墙面上的丙烷加热器供暖，防止机泵和附属管线发生冻结。厂棚没有机械通风设备。2.7丙烷加热器厂棚的一处墙面上安装了一个家用的直喷丙烷加热器，如图5所示。加热器通过两个同轴管道的环形空间吸入厂棚外面的空气用于燃烧，高温烟气通过同轴管道的内管排出。燃烧室和厂棚内部空间是完全密封的，厂棚内的空气不会和火焰或者燃烧产物接触。5图5：丙烷加热器示意图加热器通过自然对流提高室内温度，运行过程中燃烧室的外表面的温度约590℃。加热器内还设置了一个自动切断阀，用于当长明灯熄灭时自动切断向燃烧室供给的丙烷燃料。根据事故后的检查，发现这个自动切断阀实现了预定的功能。3.事故发生过程2005年1月25日早上，ASCO员工把购买的乙炔气充装到专用气瓶中。上午约9:30，他们开始用电石生产乙炔气。由于当时下了暴雪，ASCO工人正在沉降罐南面的区域（靠近装货码头）铲雪。上午10:36，厂棚的正中心位置发生爆炸，紧靠厂棚南侧的2名工人当场死亡，更靠近装货码头的1名工人重伤，送到纽约救护中心后不久也被宣告死亡。位于装货码头/石灰槽区域的1名工人因爆炸冲击波受到重伤。根据法医检查，遇难者身体的内部器官、骨骼和肌肉均受到严重损伤，正是由于暴露在高速爆燃（压力波为亚声速）或者爆轰（一种急速爆炸现象，会产生超音速的压力冲击波）产生的高强度冲击波造成的。另外，厂棚已被彻底破坏，厂棚墙壁被炸成碎片，散落到距离爆炸现场约137米的地方。爆炸在46号厂房的砌筑墙上炸出两个大洞，乙炔气瓶被爆炸冲击到各个地方。爆炸后没有发生后续火灾。4.事故分析4.1燃料来源ASCO装置的生产过程涉及两种爆炸性物质，分别是乙炔气和丙烷气。根据分析，一种可能的事故场景是，发生器中的乙炔气可能通过沉降罐水管线上的排水阀泄漏进入厂棚区域，这个排水阀门通常情况下是打开的，在冬季每天工作结束后也被打开，目的是为了防止排水管线被冻住。还有一种可能的事故场景，丙烷气可能从位于厂棚北端的丙烷加热器或者丙烷燃料管线中泄漏出来进入厂棚区域。根据事故现场的破坏机理和爆炸现象来看，这次爆炸是一种爆轰现象，或者至少是一种高速的爆燃现象。BST（Baker-Strehlow-Tang）模型理论认为，蒸气云爆炸的强度取决于燃料的反应活性、空间阻塞度和爆炸区域的拥挤度。反应活性和物料的火焰速度有关。根据收集的现场证据和事故调查分析（如表1所示），都认为导致6这次爆炸的物质是乙炔气。表1：爆炸燃料的来源对比分析1、乙炔气2、丙烷气根据BST（Baker-Strehlow-Tang）模型预测，乙炔气在厂棚内区域聚集很容易形成爆轰或者高速爆燃现象。乙炔气被归类为高反应活性物质。根据BST（Baker-Strehlow-Tang）模型预测，丙烷气在厂棚内区域聚集一般不能形成爆轰和高速爆燃现象。丙烷气被归类为中等反应活性物质。根据事故后的现场检查，显示存在乙炔气泄漏的路径。单向阀存在发生逆流的情况。没有发现丙烷气泄漏进入厂棚的证据。乙炔气发生器开车后不久（约66分钟）发生了爆炸。加热器运行了数周时间，没有发生泄漏现象。乙炔气泄漏的位置远离加热器，使得可燃气云能够聚集。丙烷气供料管线较短，靠近点火源（加热器），任何泄漏都不太可能在局部空间形成聚集。4.2事故场景如图6所示，由于乙炔气发生器循环水管线上的单向阀发生内漏，导致发生器内生成的乙炔气穿过失效的单向阀，通过循环水管线上处于打开状态的排水阀泄漏进入厂棚内部区域，乙炔气在厂棚内部聚集，遇到点火源后发生爆炸。7图6：乙炔生产流程简图ASCO公司的常规做法是在晚上保持沉降水管线处于打开状态，通过设置在低点的阀门把水排到厂棚地面上，防止冬季时管线外部被冻坏。这个处于打开状态的排水阀为发生器内乙炔气泄漏进入厂棚内部区域提供了一个潜在通道，而且厂棚封闭空间的设计也没有考虑可能出现乙炔气的工况，没有设置机械通风。工艺危害分析（Processhazardsanalysis,PHA）是一个基于团队合作、头脑风暴的风险识别技术，也是OSHA过程安全管理法规（ProcessSafetyManagementRegulation,PSM）中的一个重要要素。ASCO乙炔生产装置涉及的可燃液体或气体量超过了10000磅（包括乙炔和丙酮），属于OSHA过程安全管理法规（29CFR1910.119）管辖范围。通过进行PHA可以帮助识别工艺流程和操作过程中存在的潜在风险、可能后果，以及相应的保护措施，通过采取系统的建议措施来消除或控制识别出来的潜在风险。ASCO公司在1996年进行的PHA活动没有识别出厂棚内沉降水管线排水位置可能带来的潜在风险。根据OSHAPSM的要求，ASCO公司在2001年应再次进行PHA，但是ASCO没有按照要求做这项工作，又一次错失了发现导致这次爆炸事故的原因的机会。4.3操作顺序爆炸发生后，发现乙炔气发生器的循环水管线上的排水阀是处于打开位置的，这说明事故发生时循环系统并不处于运行状态。CSB调查组认为，在循环水系统启动之前，操作人员关闭了自来水供给阀，导致发生器系统没有带压水去防止乙炔气的逆流工况。如果在关停自来水供给之前，关闭排水阀并投用循环水系统，就可能阻止乙炔气逆流泄漏进入厂棚内部。ASCO制定了关于乙炔气发生器的操作手册，但是手册中没有涉及循环水系统的内容。所以，对于如何正确操作循环水系统，操作人员没有相关的书面指导手册，也不清楚操作程序出现偏离时可能导致的后果。发生器所在房间的墙上张贴了一些常规操作程序，但是没有涉及向发生器加水（循环水或者自来水）的正确操作步骤的有关内容。员工培训记录不完整，而且每个员工的操作步骤也不一致。84.4单向阀逆流发生器循环水管线上安装的单向阀是由Rexarc公司设计和提供的，由于该单向阀内漏发生失效，导致发生器内的乙炔气发生逆流，并从打开的排水阀处泄漏进入厂棚区域。根据爆炸后对单向阀的测试，发现可燃气逆流通过了该单向阀，而且OSHA进行X射线检测后发现单向阀内部的导向针被卡在了下部管线凸点处，如图7所示。ASCO公司员工曾经发现过这个单向阀发生泄漏，当时是由这名员工对阀门进行了拆卸、清洁和重新组装。图7：单向阀失效示意图该单向阀依靠重力和背压实验密封，没有弹簧辅助进行阀塞的密封；阀塞没有被有效地导向，出现了未对中的趋势；单向阀内部表面容易出现固体聚集，例如结垢或者循环水中携带的石灰颗粒等。当工艺管线上设置的单向阀对于防止出现逆流工况很关键时，涉及危险物料时不应该单独依靠单向阀保护逆流场景。好的做法是提供一种更加可靠的隔离方案，例如，除了设置一个单向阀外，再设置两个截止阀和一个放空阀（排放至安全位置），从而确保不会发生爆炸性气体逆流的工况。4.4石灰棚设计石灰棚的设计和建造没有考虑可能出现乙炔气的工况，没有设置强制通风，安装的加热器的表面温度很高，足以点燃乙炔气。这样的环境条件很容易在出现乙炔气泄漏的情况下导致可燃气云爆炸事故。9由于冬季气温很低，而且石灰棚没有保温，所以在爆炸事故发生时，加热器很可能正在运行或者处于频繁启停状态。乙炔气的自燃温度约304℃，远远低于加热器燃烧室表面的温度（约593℃）。石灰棚内的电气设备是按照一般工业应用安装的，非防爆设备，应用于可能存在乙炔气的环境中是不安全的。所以，事故发生时也可能出现了其他点火源，例如电开关产生的火花或者某种电气故障。CSB调查组并不能确定爆炸发生时哪个电气设备处于带电状态，所以，加热器是最可能的点火源。根据NFPA发布的美国国家电气规范（NationalElectricCode,NEC），应根据可能出现的可燃物质的特性，相应的电气设备应满足特定的要求，每个房间、部分或者区域都需要单独考虑。NEC针对I级物料（可燃气体和蒸汽）分为两区（1区和2区）和四类（A类、B类、C类、D类）。1区定义为：在正常操作条件下存在点