美國路易斯安那州的Sonat勘探開(kāi)發(fā)公司的油氣生產(chǎn)設施發(fā)生一起災難性的容器失效和火災事故
一、事故簡(jiǎn)介
2.1 Sonat公司 圖2：原油分離流程簡(jiǎn)圖 每一套油氣分離裝置都包括3臺串聯(lián)的分離器，設置多臺分離器的目的是最大化天然氣回收量。一級分離器和二級分離器的最大允許操作壓力分別是9.9MPa和3.4MPa，當壓力超過(guò)其最大允許操作壓力時(shí)會(huì )啟動(dòng)位于分離器頂部的泄壓閥。一級分離器和二級分離器的實(shí)際操作壓力稍低，分別為6.2MPa和1.6MPa。三級分離器（雖然Sonat公司將這個(gè)失效的容器稱(chēng)作“蒸汽回收塔”或“儲罐”，但是CSB調查組認為該容器實(shí)際上符合油氣分離器的定義，稱(chēng)其為三級分離器的原因是它位于一級分離器和二級分離器的下游）的最大允許操作壓力為常壓，也是正常運行時(shí)的壓力。由于物料通過(guò)一系列分離器時(shí)壓力下降，物料中天然氣的溶解度隨之降低，分離回收的天然氣比例增大。 前兩級分離器設計是用于三相（油/氣/水）分離，而三級分離器設計是用于兩相（油/氣）分離。油井物料在前兩級分離器內的停留時(shí)間足以實(shí)現油相和水相的重力分離，分離器出來(lái)的天然氣直接進(jìn)入天然氣管線(xiàn)，生產(chǎn)水直接注入地層或者暫存在儲罐中。油相從一個(gè)分離器進(jìn)入下一個(gè)分離器，最終進(jìn)入儲罐，通過(guò)槽車(chē)運至煉油廠(chǎng)。天然氣經(jīng)壓縮后通過(guò)管線(xiàn)送到天然氣處理裝置。 測試裝置和量產(chǎn)裝置的三級分離器都是13.7m高，直徑為1.2m，如圖3所示。運行過(guò)程中，容器內存料約為80%，油井物料從約10.7m高位置進(jìn)入分離器，分離的油相從約1.0m高位置出來(lái)。殘余的天然氣從油相中出來(lái)并在分離器頂部聚集，通過(guò)壓縮機，然后與二級分離器出來(lái)的天然氣匯合。 圖3：三級分離器示意圖 3.1 事故發(fā)生前 1998年3月4日，Sonat公司計劃利用新建的量產(chǎn)分離裝置開(kāi)始Temple24-1井的生產(chǎn)。在正式生產(chǎn)前，量產(chǎn)裝置的設備以及連接油井和設備的3200m長(cháng)的管線(xiàn)需要進(jìn)行吹掃，排出設備及管線(xiàn)內的空氣。吹掃是油氣生產(chǎn)工藝中的常規操作，目的是降低可燃油氣造成的爆炸風(fēng)險。在這次事故中，吹掃操作是通過(guò)使用其中的1口油井采出的高壓井流置換設備內的空氣，被置換的空氣從一個(gè)敞開(kāi)的儲罐孔口處釋放出來(lái)。當系統內的空氣濃度足夠低時(shí)，設備將封閉，準備開(kāi)始生產(chǎn)。 Sonat公司監督?jīng)Q定通過(guò)2個(gè)階段執行吹掃過(guò)程：（1）使用附近的Temple22-1井產(chǎn)流體吹掃量產(chǎn)裝置設備；（2）使用Temple24-1井產(chǎn)流體吹掃連接Temple24-1井和裝置的3200m長(cháng)管線(xiàn)。每次吹掃都需要操作一系列的閥門(mén)。第一次吹掃操作（量產(chǎn)設備的吹掃）在事故當天的下午順利完成。 3.2 事故發(fā)生 量產(chǎn)裝置設備吹掃操作完成后，開(kāi)始準備吹掃連接24-1井的3200m長(cháng)管線(xiàn)。如圖4所示，他們的吹掃方案如下： 由24-1井至量產(chǎn)裝置（打開(kāi)：閥1；關(guān)閉：閥23、閥24、閥26）； 由量產(chǎn)裝置至儲罐，旁通分離器和原油冷卻器（打開(kāi)：閥8、閥9、閥10、閥11、閥12、閥13，閥16；關(guān)閉：閥2、閥3、閥4、閥5、閥6、閥7、閥14、閥15）； 經(jīng)過(guò)儲罐，從敞開(kāi)的頂部孔口出去（打開(kāi)：閥17、孔口21；關(guān)閉：閥18、閥19、孔口20） 圖4：最終的閥門(mén)設置方案 執行這個(gè)吹掃方案，至少需要手動(dòng)重置11個(gè)閥門(mén)，這個(gè)過(guò)程沒(méi)有書(shū)面操作程序和閥位檢查表。大部分閥門(mén)是手動(dòng)操作的球閥，閥12是一個(gè)通過(guò)位于三級分離器內部的液位計啟動(dòng)的氣動(dòng)閥門(mén)。該設備出現高液位時(shí)，會(huì )自動(dòng)打開(kāi)閥12，允許流體旁通分離器（在鄰近的手動(dòng)球閥11和球閥13打開(kāi)的情況下）。3月4日上午，操作人員斷開(kāi)了連接閥12的儀表氣，導致之后閥12一直處于打開(kāi)狀態(tài)。 當施工監督和操作人員重置了上述閥門(mén)，管線(xiàn)吹掃操作開(kāi)始進(jìn)行。Sonat公司生產(chǎn)監督和一名操作人員位于24-1井的附近，與施工監督通過(guò)無(wú)線(xiàn)電保持溝通。下午5:10，生產(chǎn)監督指揮操作人員打開(kāi)閥22（位于油井下游的節流閥），引導流體進(jìn)入3200長(cháng)的管線(xiàn)。根據預測，初始井流將主要是天然氣，后期將是天然氣、油和水的多相混合物。Sonat施工監督位于閥23附近，他打開(kāi)了這個(gè)小閥門(mén)，使用移動(dòng)式氧氣檢測儀測試排出氣體中的氧氣濃度，氧氣濃度的下降表示出吹掃操作的進(jìn)度。 隨著(zhù)吹掃操作的進(jìn)行，根據監測，閥23處的氧氣濃度開(kāi)始下降，施工監督關(guān)閉了閥23。他每隔幾分鐘打開(kāi)閥23，繼續定期檢測氧氣濃度。下午6:00左右，根據壓力表27的顯示，閥22下游壓力約5.5MPa。下午6:10，施工監督最終檢測到的氧氣濃度低于3%，表示吹掃過(guò)程已接近完成。隨后他乘坐汽車(chē)去檢查一個(gè)距離約90m遠的管線(xiàn)閥門(mén)的閥位，此時(shí)，之前在24-1井附近的生產(chǎn)監督開(kāi)始開(kāi)車(chē)回裝置，指揮量產(chǎn)裝置的開(kāi)車(chē)操作。 下午6:15左右，量產(chǎn)裝置的三級分離器發(fā)生災難性的失效，從破裂的分離器中泄漏出來(lái)的可燃氣體立即被點(diǎn)燃，在分離器位置上部形成巨大火球。位于分離器附近區域的4名操作人員當場(chǎng)死亡，1名距離分離器約60m的操作人員被爆炸沖擊波推出2m遠，施工監督從汽車(chē)里出來(lái)時(shí)也受到輕傷。 一名幸存的承包商操作人員立即啟動(dòng)應急關(guān)斷設備，自動(dòng)關(guān)閉了正向測試裝置供料的22-1井。Sonat施工監督立即使用無(wú)線(xiàn)電指揮操作人員關(guān)閉24-1井，并向Sonat生產(chǎn)監督報告。施工監督然后開(kāi)車(chē)去關(guān)閉了天然氣計量管線(xiàn)閥門(mén)。雖然設備失效后24-1井很快被關(guān)斷，但是3200m長(cháng)的管線(xiàn)內還存有大量的高壓天然氣。天然氣持續從被破壞的管線(xiàn)中泄漏出來(lái)，嚴重阻礙了火災控制行動(dòng)。應急人員最終于晚上9:47成功撲滅所有火災。 4.1 初始事件 根據事故后對現場(chǎng)情況的調查發(fā)現，與計劃中的閥門(mén)設置情況不同的是，閥11和閥13實(shí)際上處于關(guān)閉狀態(tài)。在這兩個(gè)閥門(mén)關(guān)閉的情況下，吹掃氣不能按計劃排放到大氣中，如圖5所示。三級分離器沒(méi)有入口閥，導致設備出現超壓。事故發(fā)生前，節流閥下游壓力約5.5MPa。 圖5：閥門(mén)設置情況對比分析 三級分離器設計上只能用于常壓操作，吹掃氣形成的高壓突然導致容器發(fā)生災難性的失效，三級分離器破裂時(shí)有4名作業(yè)人員位于其12m范圍內。 目前不能確定設備發(fā)生失效時(shí)的真實(shí)壓力，制造商針對分離器只在0.14MPa壓力下進(jìn)行過(guò)測試。CSB調查組委托OakRidge國家實(shí)驗室對該分離器進(jìn)行了理論研究，通過(guò)基于有限元方法的應力分析，發(fā)現當內部壓力達到0.94MPa及以上時(shí)，分離器將發(fā)生失效。OakRidge國家實(shí)驗室進(jìn)行另一次工程設計分析預測失效壓力約為1.4MPa，而事故后Sonat公司評估失效壓力為2.6MPa~2.8MPa。但是，所有這些評估數值都是基于設備的設計圖紙進(jìn)行的，沒(méi)有考慮到實(shí)際情況下下材料、尺寸和焊接質(zhì)量等因素的影響。 同樣，閥11和閥13的關(guān)閉時(shí)間也不能完全確定。這兩個(gè)閥門(mén)在事故當天上午還處于打開(kāi)狀態(tài)，但是在下午早些時(shí)候（量產(chǎn)裝置分離器吹掃前）被關(guān)閉。在事故當天，這兩個(gè)閥門(mén)沒(méi)有被持續監控。很可能在最終吹掃過(guò)程前這兩個(gè)閥門(mén)沒(méi)有按計劃被重新打開(kāi)，并保持關(guān)閉狀態(tài)，直到設備最終超壓失效?；蛘?，這兩個(gè)閥門(mén)可能在最終閥門(mén)設置時(shí)被打開(kāi)了，只是后來(lái)又被手動(dòng)關(guān)閉了。 4.2設備設計、安裝和操作 三級分離器設計和安裝方面存在的缺陷是導致此次事故的一個(gè)重要原因?？赡鼙┞对诔瑝何ｋU（因為人為失誤或機械失效）情況下的設備應：a）設計上能承受超壓條件；或者b）安裝合適的泄壓系統。一套合適尺寸的泄壓系統本能夠阻止此次事故的發(fā)生。 API推薦標準規范涵蓋了不同類(lèi)型油氣生產(chǎn)和煉化方面的應用。三級分離器符合ANSI/API12J-1992“油氣分離器規范”，該規范包括了關(guān)于油田類(lèi)型的油氣分離器和油氣水分離器的設計、建造和出廠(chǎng)檢驗的最低要求，規范中要求所有的分離器（不考慮尺寸和壓力）都應安裝壓力保護設備，并根據ASME標準要求設置，分離器投入使用前應提供超壓保護措施。 API 521“壓力釋放和減壓系統指南”提供了更廣泛的指導要求，API521列出了設備需要考慮的一系列超壓場(chǎng)景，16個(gè)超壓場(chǎng)景的第1個(gè)就是“容器上的封閉出口”。 Sonat公司制定了自己的泄壓閥標準，建立了泄壓閥及附屬管線(xiàn)的規格、安裝、維護及測試的統一要求。標準要求：應根據良好的工程規范，考慮失效的可能性和失效后果，使用泄壓閥，API520可以作為泄壓閥和附屬管線(xiàn)安裝的指導規范。 Sonat公司把失效的設備稱(chēng)作“蒸汽回收塔”，因此不屬于A(yíng)PI關(guān)于分離器標準的范圍。Sonat公司把蒸汽回收塔歸類(lèi)為儲罐。CSB調查組審查了這個(gè)問(wèn)題，最終認為這個(gè)設備實(shí)際是一個(gè)分離器，因為： 設備只有一個(gè)天然氣和原油混合物的入口管線(xiàn)，但是有兩個(gè)獨立的天然氣和原油的出口管線(xiàn)，進(jìn)行了兩相的分離； 設備設計上不是用于固定儲存原油的，相反，原油只是暫時(shí)儲存在設備中，然后持續流入真正的儲罐中； 設備在量產(chǎn)裝置內的位置（在二級分離器和儲罐之間）符合低壓、兩相分離器的角色； ANSI/API12J-1992把分離器定義為：油田使用的用于把液相從氣體組分中除去的設備，分離器可以是兩相的或者三相的。 在量產(chǎn)裝置投產(chǎn)前，三級分離器本應根據API標準要求安裝一套泄壓系統。 另一個(gè)設計缺陷是三級分離器上游缺少入口切斷閥。這樣一個(gè)切斷閥本能夠把分離器與造成設備失效的高壓吹掃氣隔離開(kāi)。三級分離器油相出口管線(xiàn)上的切斷閥（閥15）可以實(shí)現分離器和儲罐的隔離，而儲罐頂部的孔口是一個(gè)排空泄壓的可能途徑，但是事故發(fā)生時(shí)，閥15是關(guān)閉的。三級分離器還有一個(gè)去氣壓機的出口管線(xiàn)，進(jìn)入氣壓機的多余物料會(huì )排入火炬放空。但是，氣相出口管線(xiàn)上也安裝了一個(gè)切斷閥（閥14），事故發(fā)生時(shí)，氣壓機處于停用狀態(tài)，而且閥14處于關(guān)閉狀態(tài)。 4.3工程設計審查 Sonat公司在裝置的設計和建設過(guò)程中使用的是自己的工程師和咨詢(xún)師，Sonat公司聲稱(chēng)其工程師都去了22-1井現場(chǎng)，不幸的是，這些人沒(méi)有發(fā)現蒸汽回收塔上的閥門(mén)錯誤問(wèn)題。 Sonat公司在裝置開(kāi)車(chē)前進(jìn)行的一系列活動(dòng)沒(méi)有形成有效的工程設計審查過(guò)程，一個(gè)有效的審查過(guò)程應包括至少一次在裝置設計過(guò)程中進(jìn)行的書(shū)面危害分析。危害識別應提出需要進(jìn)行設計變更，或者有書(shū)面的回復，說(shuō)明識別出的危害未被處理的原因。這個(gè)過(guò)程需要不同專(zhuān)業(yè)人員（包括設計工程師、工藝工程師和裝置操作）的參與。設計審查過(guò)程本應提前發(fā)現并修正設計上的缺陷，包括缺少泄壓閥、閥位不正確和不符合分離器設計與安裝規范。在這起事故中，由于缺少正確的工程設計圖紙，設計審查過(guò)程沒(méi)有正確執行。 4.4操作規程 Sonat公司的書(shū)面安全操作規程涵蓋了常規主題，例如進(jìn)入受限空間、設備掛牌上鎖等。但是，對于油氣生產(chǎn)裝置，Sonat公司沒(méi)有制定書(shū)面的操作規程。Sonat公司表示更喜歡通過(guò)口頭指令培訓和指揮裝置操作。因此，操作人員沒(méi)有得到任何關(guān)于特定生產(chǎn)活動(dòng)的書(shū)面操作規程，例如測井、裝置開(kāi)車(chē)、設備吹掃和分離器操作等。設備操作的程序由有經(jīng)驗的操作人員口頭告知新員工。 書(shū)面的操作規程可以促進(jìn)安全、高效的作業(yè)，還可以降低人員失誤的可能性，避免造成事故。這套油氣生產(chǎn)裝置設置了很多手動(dòng)操作的閥門(mén)，為了裝置的安全開(kāi)車(chē)，必須正確設置閥門(mén)的狀態(tài)。對于非常規操作，例如裝置開(kāi)車(chē)或吹掃，制定書(shū)面的操作規程是非常重要的。書(shū)面操作規程（包括檢查表、圖表、多個(gè)操作人員之間的信息反饋等）可以降低人員失誤的可能性，預防造成災難性的后果。 4.5員工培訓 Sonat公司的人員培訓項目包括三部分：特定作業(yè)培訓、月度內部安全會(huì )議和外部培訓。特定作業(yè)培訓是員工學(xué)習生產(chǎn)裝置操作技術(shù)的最基本途徑，Sonat公司高級員工為新員工提供培訓。Sonat公司員工還參加每月的安全會(huì )議，包括安全培訓。每次參會(huì )的人員會(huì )被記錄。會(huì )上會(huì )分享學(xué)習近期發(fā)生的事故和關(guān)于風(fēng)險溝通、泄壓閥和設備掛牌鎖定等主題的課程。另外，一些員工還會(huì )參加外部培訓課程，例如壓力容器操作、危險廢物操作和應急響應、急救等。 Sonat公司沒(méi)有建立特定作業(yè)培訓的評估程序，可能導致員工接受錯誤的、不安全和不完整的操作規程培訓，以及不理解傳遞給他們的信息。 4.6管理問(wèn)題 如果Sonat公司油氣生產(chǎn)設施更好、更有效地遵循了過(guò)程安全管理原則或者好的工程實(shí)踐，這起事故是可以避免發(fā)生的。油氣生產(chǎn)設施需要處理大量的可燃和有毒物料。處理類(lèi)似危險物料的設施（例如煉油廠(chǎng)）要符合OSHA過(guò)程安全管理標準（29CFR 1910.119）的要求，標準中的2個(gè)關(guān)鍵要素（工藝危害和書(shū)面操作規程）是Sonat公司事故暴露的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。 除了過(guò)程安全管理標準，還有許多其他關(guān)于良好過(guò)程安全實(shí)踐的信息，包括美國化工過(guò)程安全中心的出版書(shū)籍和美國石油學(xué)會(huì )的推薦標準規范。例如，API750涵蓋了過(guò)程安全的很多重要方面，包括工藝危害分析、工藝安全信息（包括工藝流程圖和PID）、書(shū)面操作規程、操作人員培訓和符合性審核等。 5.1根本原因 (1) Sonat公司管理層沒(méi)有向操作人員提供關(guān)于裝置開(kāi)車(chē)和設備操作的書(shū)面操作規程。 在這起事故中，三級分離器被暴露在遠超其最高允許操作壓力的壓力下，導致設備發(fā)生災難性失效。在設施設計過(guò)程中，本應該進(jìn)行正式的工程設計審查過(guò)程。Sonat公司在沒(méi)有工藝設備設計圖紙的情況下建造了生產(chǎn)設施。在沒(méi)有正確的工程設計圖紙的條件下，不能有效地進(jìn)行設計審查，也不能進(jìn)行有效的危害分析。 正式的設計審查和危害分析過(guò)程能提供更好的機會(huì )，分析可預見(jiàn)的與正常操作程序發(fā)生偏離時(shí)的后果，這一過(guò)程很可能識別出三級分離器發(fā)生災難性超壓的危險，發(fā)現設置泄壓系統的必要性。 (2) Sonat公司的工程規范沒(méi)有確?？赡鼙┞对诔瑝何：l件下的設備得到泄壓裝置的充足保護。 發(fā)生失效的設備符合的兩相油氣分離器的定義，設計上應滿(mǎn)足相關(guān)的行業(yè)標準中關(guān)于壓力泄放的要求。例如，ANSI/API12J-1992“油氣分離器規范”要求分離器應安裝壓力泄放裝置。 5.2間接原因 (1) Sonat公司管理層沒(méi)有向操作人員提供關(guān)于裝置開(kāi)車(chē)和設備操作的書(shū)面操作規程。 裝置運行的每個(gè)階段都應制定相應的書(shū)面操作規程，針對吹掃作業(yè)，應采用書(shū)面檢查表和圖表驗證各個(gè)閥門(mén)閥位設置的正確。 （1）Sonat公司應根據良好工程實(shí)踐，針對所有的油氣生產(chǎn)設施開(kāi)展正式的工程設計審查過(guò)程和工藝危害分析。 （2）Sonat公司應建立相應程序，確保所有的可能存在超壓危害的油氣生產(chǎn)設備均安裝合適的泄壓系統。 （3）Sonat公司應針對油氣生產(chǎn)設施制定書(shū)面操作規程，并確保所有的工作人員（包括承包商員工）都接受操作規程的培訓，確保操作規程至少涉及了吹掃作業(yè)和開(kāi)車(chē)操作，并提供了工藝相關(guān)的危害信息。 （4）API應制定并發(fā)布關(guān)于油氣生產(chǎn)設施安全開(kāi)車(chē)和操作的推薦標準規范，規范至少應涉及以下方面：項目設計審查過(guò)程（包括危害分析）、書(shū)面操作規程、員工和承包商培訓和所有可能存在超壓危害的設備的壓力泄放要求。
來(lái)源：化工過(guò)程安全管理