1.   事故簡(jiǎn)介

2005年1月25日，位于美國新澤西州PerthAmboy的乙炔服務(wù)公司（AcetyleneServicesCompany,ASCO）是一家從事乙炔氣生產(chǎn)和包裝的公司，因乙炔發(fā)生器循環(huán)水管線(xiàn)上的單向閥失效內漏，導致乙炔氣通過(guò)循環(huán)水管線(xiàn)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（如圖1所示），事故造成3人死亡，1人重傷，附近生產(chǎn)廠(chǎng)房嚴重受損。

    圖1：爆炸事故現場(chǎng)照片

2. 事故背景

2.1 公司背景

ASCO是一個(gè)家族式自營(yíng)企業(yè)，于1982年開(kāi)始在紐約和費城市區生產(chǎn)和包裝乙炔氣服務(wù)。事故發(fā)生時(shí)，ASCO擁有14名員工。ASCO主要在PerthAmboy廠(chǎng)區生產(chǎn)乙炔氣，2004年7月，ASCO開(kāi)始直接從一家石化企業(yè)購買(mǎi)乙炔氣，以補充自己的生產(chǎn)能力。

2.2 裝置布置

ASCO生產(chǎn)裝置位于一處工業(yè)區，乙炔氣生產(chǎn)工藝設備、氣瓶充裝操作區、辦公室和休息室均位于46號廠(chǎng)房?jì)?，如圖2所示。在46號廠(chǎng)房外部緊挨著(zhù)設有6個(gè)沉降罐，中間是一個(gè)木制結構的廠(chǎng)棚。廠(chǎng)棚里面設有水泵和相關(guān)附屬管線(xiàn)。接貨碼頭用于卸載購買(mǎi)的乙炔氣，另外還有一個(gè)丙酮儲罐。

圖2：平面布置示意圖

2.3 乙炔

乙炔（俗稱(chēng)風(fēng)煤或電石氣）是一種無(wú)色、高反應活性和極度易燃的氣體。純乙炔是無(wú)臭的，但工業(yè)用乙炔由于含有硫化氫、磷化氫等雜質(zhì)，而有一股大蒜的氣味，密度比空氣稍輕。乙炔氣的可燃范圍很寬，約2.5%~82%。當乙炔氣的壓力被壓縮至大于0.1MPa（表壓）時(shí)，乙炔氣可能發(fā)生劇烈的分解。當乙炔氣被液化時(shí)，也非常不穩定，也可能發(fā)生劇烈分解。因為乙炔氣的上述特點(diǎn)，乙炔通常被儲存在專(zhuān)用乙炔氣瓶?jì)?，氣瓶?jì)炔垦b有浸入液態(tài)丙酮的多孔填料（高比表面積），目的是保持乙炔氣穩定，防止分解。使用時(shí)，溶解在丙酮內的乙炔變?yōu)闅怏w分離出來(lái)，而丙酮仍留在瓶?jì)?，以便再次充入乙炔使用?/span>

2.4 乙炔氣生產(chǎn)工藝

ASCO通過(guò)將電石（碳化鈣，化學(xué)式為CaC₂）和水（化學(xué)式為H₂O）混合生產(chǎn)乙炔氣（化學(xué)式為C₂H₂），同時(shí)生成副產(chǎn)物石灰（化學(xué)式為Ca(OH)₂），反應過(guò)程為放熱反應。反應過(guò)程如下：

CaC₂+H₂O→C₂H₂+Ca(OH)₂+熱量

混合過(guò)程在一個(gè)臥式儲罐內進(jìn)行，稱(chēng)作發(fā)生器，如圖3所示。發(fā)生器內裝有一定量的水，根據發(fā)生器的壓力，控制電石以一定的速率進(jìn)入發(fā)生器中。該過(guò)程為半自動(dòng)化式控制，如果給發(fā)生器供料的電石料斗保持滿(mǎn)料狀態(tài)，反應過(guò)程就可以連續進(jìn)行。

圖3：乙炔發(fā)生器（圓圈處為循環(huán)水管線(xiàn)上的單向閥）

生成的乙炔氣經(jīng)壓縮機轉輸至附屬設備除去雜質(zhì)，凈化后的乙炔氣被送至充裝操作間，充裝至氣瓶中。副產(chǎn)品石灰漿從發(fā)生器連續排放到位于廠(chǎng)房外部的一個(gè)儲槽中，然后經(jīng)泵加壓輸送至沉降罐里。

2.5 沉降罐

ASCO使用6個(gè)敞口的串聯(lián)的沉降罐臨時(shí)儲存副產(chǎn)品石灰漿，也用于準備和儲存發(fā)生器循環(huán)使用的水。這6個(gè)鋼制的常壓儲罐，高度約6米，直徑約3米，分為兩排南北方向布置。

石灰漿從儲槽被泵入到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，水繼續進(jìn)入到下游沉降罐。當水進(jìn)入到5#和6#沉降罐時(shí)，水中的石灰含量已很少，如圖4所示。各個(gè)沉降罐底部聚集的石灰泥反復用泵抽出來(lái)，然后被承包商運走。根據生產(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。

圖4：沉降罐流程簡(jiǎn)圖

2.6 木制廠(chǎng)棚（石灰棚）

ASCO裝置區域的6個(gè)沉降罐之間建有一個(gè)木制廠(chǎng)棚，長(cháng)約8.5m，寬約4.6m，如圖2所示，6個(gè)沉降罐的罐璧構成了廠(chǎng)棚的一部分圍墻。廠(chǎng)棚里面設有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(chǎng)棚使用一個(gè)安裝在墻面上的丙烷加熱器供暖，防止機泵和附屬管線(xiàn)發(fā)生凍結。廠(chǎng)棚沒(méi)有機械通風(fēng)設備。

2.7 丙烷加熱器

廠(chǎng)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5所示。加熱器通過(guò)兩個(gè)同軸管道的環(huán)形空間吸入廠(chǎng)棚外面的空氣用于燃燒，高溫煙氣通過(guò)同軸管道的內管排出。燃燒室和廠(chǎng)棚內部空間是完全密封的，廠(chǎng)棚內的空氣不會(huì )和火焰或者燃燒產(chǎn)物接觸。

圖5：丙烷加熱器示意圖

加熱器通過(guò)自然對流提高室內溫度，運行過(guò)程中燃燒室的外表面的溫度約590℃。加熱器內還設置了一個(gè)自動(dòng)切斷閥，用于當長(cháng)明燈熄滅時(shí)自動(dòng)切斷向燃燒室供給的丙烷燃料。根據事故后的檢查，發(fā)現這個(gè)自動(dòng)切斷閥實(shí)現了預定的功能。

3. 事故發(fā)生過(guò)程

2005年1月25日早上，ASCO員工把購買(mǎi)的乙炔氣充裝到專(zhuān)用氣瓶中。上午約9:30，他們開(kāi)始用電石生產(chǎn)乙炔氣。由于當時(shí)下了暴雪，ASCO工人正在沉降罐南面的區域（靠近裝貨碼頭）鏟雪。上午10:36，廠(chǎng)棚的正中心位置發(fā)生爆炸，緊靠廠(chǎng)棚南側的2名工人當場(chǎng)死亡，更靠近裝貨碼頭的1名工人重傷，送到紐約救護中心后不久也被宣告死亡。位于裝貨碼頭/石灰槽區域的1名工人因爆炸沖擊波受到重傷。

根據法醫檢查，遇難者身體的內部器官、骨骼和肌肉均受到嚴重損傷，正是由于暴露在高速爆燃（壓力波為亞聲速）或者爆轟（一種急速爆炸現象，會(huì )產(chǎn)生超音速的壓力沖擊波）產(chǎn)生的高強度沖擊波造成的。

另外，廠(chǎng)棚已被徹底破壞，廠(chǎng)棚墻壁被炸成碎片，散落到距離爆炸現場(chǎng)約137米的地方。爆炸在46號廠(chǎng)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)生后續火災。

4.事故分析

4.1 燃料來(lái)源

ASCO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(xiàn)上的排水閥泄漏進(jìn)入廠(chǎng)棚區域，這個(gè)排水閥門(mén)通常情況下是打開(kāi)的，在冬季每天工作結束后也被打開(kāi)，目的是為了防止排水管線(xiàn)被凍住。還有一種可能的事故場(chǎng)景，丙烷氣可能從位于廠(chǎng)棚北端的丙烷加熱器或者丙烷燃料管線(xiàn)中泄漏出來(lái)進(jìn)入廠(chǎng)棚區域。根據事故現場(chǎng)的破壞機理和爆炸現象來(lái)看，這次爆炸是一種爆轟現象，或者至少是一種高速的爆燃現象。BST（Baker-Strehlow-Tang）模型理論認為，蒸氣云爆炸的強度取決于燃料的反應活性、空間阻塞度和爆炸區域的擁擠度。反應活性和物料的火焰速度有關(guān)。根據收集的現場(chǎng)證據和事故調查分析（如表1所示），都認為導致這次爆炸的物質(zhì)是乙炔氣。

表1：爆炸燃料的來(lái)源對比分析

4.2 事故場(chǎng)景

如圖6所示，由于乙炔氣發(fā)生器循環(huán)水管線(xiàn)上的單向閥發(fā)生內漏，導致發(fā)生器內生成的乙炔氣穿過(guò)失效的單向閥，通過(guò)循環(huán)水管線(xiàn)上處于打開(kāi)狀態(tài)的排水閥泄漏進(jìn)入廠(chǎng)棚內部區域，乙炔氣在廠(chǎng)棚內部聚集，遇到點(diǎn)火源后發(fā)生爆炸。

圖6：乙炔生產(chǎn)流程簡(jiǎn)圖

ASCO公司的常規做法是在晚上保持沉降水管線(xiàn)處于打開(kāi)狀態(tài)，通過(guò)設置在低點(diǎn)的閥門(mén)把水排到廠(chǎng)棚地面上，防止冬季時(shí)管線(xiàn)外部被凍壞。這個(gè)處于打開(kāi)狀態(tài)的排水閥為發(fā)生器內乙炔氣泄漏進(jìn)入廠(chǎng)棚內部區域提供了一個(gè)潛在通道，而且廠(chǎng)棚封閉空間的設計也沒(méi)有考慮可能出現乙炔氣的工況，沒(méi)有設置機械通風(fēng)。

工藝危害分析（Processhazards analysis, PHA）是一個(gè)基于團隊合作、頭腦風(fēng)暴的風(fēng)險識別技術(shù)，也是OSHA過(guò)程安全管理法規（ProcessSafety Management Regulation, PSM）中的一個(gè)重要要素。ASCO乙炔生產(chǎn)裝置涉及的可燃液體或氣體量超過(guò)了10000磅（包括乙炔和丙酮），屬于OSHA過(guò)程安全管理法規（29CFR 1910.119）管轄范圍。通過(guò)進(jìn)行PHA可以幫助識別工藝流程和操作過(guò)程中存在的潛在風(fēng)險、可能后果，以及相應的保護措施，通過(guò)采取系統的建議措施來(lái)消除或控制識別出來(lái)的潛在風(fēng)險。

ASCO公司在1996年進(jìn)行的PHA活動(dòng)沒(méi)有識別出廠(chǎng)棚內沉降水管線(xiàn)排水位置可能帶來(lái)的潛在風(fēng)險。根據OSHAPSM的要求，ASCO公司在2001年應再次進(jìn)行PHA，但是ASCO沒(méi)有按照要求做這項工作，又一次錯失了發(fā)現導致這次爆炸事故的原因的機會(huì )。

4.3 操作順序

爆炸發(fā)生后，發(fā)現乙炔氣發(fā)生器的循環(huán)水管線(xiàn)上的排水閥是處于打開(kāi)位置的，這說(shuō)明事故發(fā)生時(shí)循環(huán)系統并不處于運行狀態(tài)。CSB調查組認為，在循環(huán)水系統啟動(dòng)之前，操作人員關(guān)閉了自來(lái)水供給閥，導致發(fā)生器系統沒(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，就可能阻止乙炔氣逆流泄漏進(jìn)入廠(chǎng)棚內部。

ASCO制定了關(guān)于乙炔氣發(fā)生器的操作手冊，但是手冊中沒(méi)有涉及循環(huán)水系統的內容。所以，對于如何正確操作循環(huán)水系統，操作人員沒(méi)有相關(guān)的書(shū)面指導手冊，也不清楚操作程序出現偏離時(shí)可能導致的后果。

發(fā)生器所在房間的墻上張貼了一些常規操作程序，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)內容。員工培訓記錄不完整，而且每個(gè)員工的操作步驟也不一致。

4.4 單向閥逆流

發(fā)生器循環(huán)水管線(xiàn)上安裝的單向閥是由Rexarc公司設計和提供的，由于該單向閥內漏發(fā)生失效，導致發(fā)生器內的乙炔氣發(fā)生逆流，并從打開(kāi)的排水閥處泄漏進(jìn)入廠(chǎng)棚區域。根據爆炸后對單向閥的測試，發(fā)現可燃氣逆流通過(guò)了該單向閥，而且OSHA進(jìn)行X射線(xiàn)檢測后發(fā)現單向閥內部的導向針被卡在了下部管線(xiàn)凸點(diǎn)處，如圖7所示。ASCO公司員工曾經(jīng)發(fā)現過(guò)這個(gè)單向閥發(fā)生泄漏，當時(shí)是由這名員工對閥門(mén)進(jìn)行了拆卸、清潔和重新組裝。

圖7：?jiǎn)蜗蜷y失效示意圖

• 該單向閥依靠重力和背壓實(shí)驗密封，沒(méi)有彈簧輔助進(jìn)行閥塞的密封；

• 閥塞沒(méi)有被有效地導向，出現了未對中的趨勢；

• 單向閥內部表面容易出現固體聚集，例如結垢或者循環(huán)水中攜帶的石灰顆粒等。

當工藝管線(xiàn)上設置的單向閥對于防止出現逆流工況很關(guān)鍵時(shí)，涉及危險物料時(shí)不應該單獨依靠單向閥保護逆流場(chǎng)景。好的做法是提供一種更加可靠的隔離方案，例如，除了設置一個(gè)單向閥外，再設置兩個(gè)截止閥和一個(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。

4.4 石灰棚設計

石灰棚的設計和建造沒(méi)有考慮可能出現乙炔氣的工況，沒(méi)有設置強制通風(fēng)，安裝的加熱器的表面溫度很高，足以點(diǎn)燃乙炔氣。這樣的環(huán)境條件很容易在出現乙炔氣泄漏的情況下導致可燃氣云爆炸事故。

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行或者處于頻繁啟停狀態(tài)。乙炔氣的自燃溫度約304℃，遠遠低于加熱器燃燒室表面的溫度（約593℃）。

石灰棚內的電氣設備是按照一般工業(yè)應用安裝的，非防爆設備，應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)也可能出現了其他點(diǎn)火源，例如電開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的火花或者某種電氣故障。CSB調查組并不能確定爆炸發(fā)生時(shí)哪個(gè)電氣設備處于帶電狀態(tài)，所以，加熱器是最可能的點(diǎn)火源。

根據NFPA發(fā)布的美國國家電氣規范（NationalElectric Code, NEC），應根據可能出現的可燃物質(zhì)的特性，相應的電氣設備應滿(mǎn)足特定的要求，每個(gè)房間、部分或者區域都需要單獨考慮。NEC針對I級物料（可燃氣體和蒸汽）分為兩區（1區和2區）和四類(lèi)（A類(lèi)、B類(lèi)、C類(lèi)、D類(lèi)）。1區定義為：在正常操作條件下存在點(diǎn)燃濃度可燃氣體或蒸汽的區域，2區定義為：處理可燃物料的封閉系統，且只在容器失效或者設備運行異常條件下存在點(diǎn)燃濃度的可燃氣體或蒸汽。

所有的可燃氣體或蒸汽根據其爆炸特性都被進(jìn)行了分類(lèi)，乙炔是唯一一種因為其極度爆炸性特點(diǎn)而被定義為A類(lèi)的物料。綜上所述，石灰棚的設計、建造以及內部安裝的電氣設備應滿(mǎn)足NECI級，2區，A類(lèi)的要求。

5. 單向閥失效：九江石化爆炸事故原因之一

2018年3月12日，江西九江一石化企業(yè)柴油加氫裝置原料緩沖罐（設計壓力0.38MPa）發(fā)生爆炸著(zhù)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)氫壓縮機因潤滑油壓力低而停機后，加氫原料進(jìn)料泵隨即聯(lián)鎖停泵，但因泵出口未設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，反應系統內高壓介質(zhì)（壓力5.7MPa）通過(guò)原料泵出入口倒竄入加氫原料緩沖罐，導致緩沖罐超壓爆炸著(zhù)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)料泵出口當時(shí)沒(méi)有設置緊急切斷閥，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。二是設備設施維護保養不到位，未及時(shí)對泵出口單向閥進(jìn)行檢查維護，事故后拆檢發(fā)現單向閥已失效。三是風(fēng)險管控不到位，應用HAZOP等分析工具進(jìn)行風(fēng)險辨識、評估和管控的能力不足，對加氫裝置高壓竄低壓的危害認識不足。四是應急處置不到位。循環(huán)氫壓縮機潤滑油壓低報警后，長(cháng)時(shí)間未能排除故障，處理過(guò)程中引起潤滑油壓力低低聯(lián)鎖停機；循環(huán)氫壓縮機停機后，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(jiàn)的用來(lái)防止物料倒流的一道保護措施，設計院通常設計一道單向閥來(lái)降低物料逆流導致重大過(guò)程安全事故的可能性。目前，關(guān)于單向閥的設計有相關(guān)的標準規范。例如，《石油化工企業(yè)防火設計規范》GB50160-2008-7.2.11，規定：離心式可燃氣體壓縮機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措施，但依據《保護層分析（LOPA）方法應用導則》AQ/T3054-2015的要求，單向閥不是一道獨立的保護層（IPL），沒(méi)有數據支持其平均要求失效概率（PFD），也就意味著(zhù)其不能有效降低事故發(fā)生的頻率?？梢?jiàn)，單向閥是不可靠的，應配合使用更加可靠的防逆流措施。

6. 事故啟示

從ASCO公司發(fā)生的災難性爆炸事故中吸取教訓，可以幫助我們避免今后再次發(fā)生類(lèi)似的事故。對于OSHA過(guò)程安全管理法規（29CFR 1910.119）適用范圍內的裝置（例如ASCO乙炔生產(chǎn)裝置），這些建議行動(dòng)項是強制要求必須遵守的。針對處理危險物料的裝置，甚至包括不在PSM法規范圍內的設施，這些行動(dòng)項被認為是很好的安全作業(yè)實(shí)踐，應遵守執行?？偨Y如下：

（1）    檢查連接至裝有乙炔設備上的所有管線(xiàn)，識別出在出現乙炔氣逆流或泄漏時(shí)可能導致危險的排氣口和排液點(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。根據最新版的《NFPA51A 乙炔氣瓶充裝裝置》的要求，提供通風(fēng)設備、正確分級的電氣設備和低溫加熱措施等。

（3）    通過(guò)定期檢查和測試，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，再設置兩個(gè)截止閥和一個(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。

針對裝置整個(gè)操作流程，制定詳細的書(shū)面操作規程和檢查表，包括輔助系統（例如循環(huán)水系統）。為操作人員進(jìn)行書(shū)面操作規程的全面培訓，要求他們具備正確執行操作規程的能力。