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CSB經典案例分析—美國肯塔基州碳化物工業公司電石爐超壓爆炸事故
唐彬 天津市居安企業管理諮詢有限公司
何琛 上海於睿商務諮詢有限公司
關鍵詞:
電石爐、電石（碳化鈣）、爆炸、美國化學品安全與危害調查委員會(CSB)
摘要
電石（碳化鈣）由於其本身物理化學性質，屬於遇溼易燃物品，生產過程涉及高溫、高壓、乙炔、一氧化碳和粉塵等諸多危險因素，並伴隨著高電壓、大電流，在生產過程中灼燙、爆炸、窒息與中毒等都屬於多發事故。
2017年2月12日2時59分，位於新疆準東經濟技術開發區新疆宜化化工有限公司電石事業部3車間的5號電石爐發生噴料灼燙事故，造成2人死亡、8人受傷，直接經濟損失420餘萬元。電石生產行業事故的頻發，充分說明了電石生產的高風險性。
本文結合美國化學品安全與危害調查委員會（CSB）對美國肯塔基州一家碳化物工業公司發生的電石爐超壓爆炸事故的調查，描述電石爐超壓爆炸事故的背景、過程及後果，並從技術和管理角度綜合分析、總結導致電石爐超壓爆炸事故的各方面原因，並分享CSB調查組針對此次事故的調查結論和建議措施。
1. 事故簡介
2011年3月21日，星期一，下午約5:40，位於美國肯塔基州路易斯維爾的一家碳化物工業公司內，一臺電石爐發生超壓爆炸，劇烈爆炸的同時噴射出大量設備碎片、高溫熱氣和溫度約2100℃的熔融碳化鈣（電石）。
電石爐爆炸形成的高溫熱氣和碎片擊穿了旁邊一間控制室的雙重加固玻璃窗戶，導致控制室內的2名工作人員嚴重燒傷，由於傷勢過重，2名工作人員在24小時內死亡。圖1為事故現場照片。
圖1：事故現場照片
2. 事故背景
2.1 公司簡介
該碳化物工業公司是北美區域的一家大型電石生產商，主要為鋼鐵企業和乙炔生產商提供電石。碳化物工業公司電石生產裝置與路易斯維爾北部的俄亥俄州河毗鄰，公司擁有生產、維護和管理人員共約160人，運行著一臺50兆瓦特的電石爐，每年能生產120000噸的熔融碳化鈣。熔融的碳化鈣從電石爐中排出後，經冷卻後成為固態，然後把固態碳化鈣破碎，再包裝成不同等級的成品電石，進行銷售。
2.2 電石（碳化鈣）化學性質
純淨的電石（即碳化鈣）化學式為CaC2，包含2個碳原子和1個鈣原子，熔點約1926℃。在室溫條件下，工業生產的電石為灰黑色塊狀固體，通常以顆粒或粉末狀供應，包含比重約75~85%的碳化鈣和比重約15~25%的氧化鈣和其他雜質。
電石可以與水（例如空氣中的水分或者人體組織中的水分）反應，生成乙炔氣（化學式為C2H2）和氫氧化鈣（化學式為CA（OH）2），並釋放大量熱量。乙炔是一種高度易燃的氣體，氫氧化鈣是一種腐蝕性固體，通過接觸後會刺激皮膚和眼睛，吸入後還可能造成嚴重的呼吸系統不適和急性肺水腫。
2.3 電石爐
電石爐通過某種材料上方的空氣傳導電流，為這種材料加熱，稱作間接電石爐。還有一些設計中，電石爐也通過材料傳導電流為自身加熱，稱作開弧爐和埋弧爐。電流通過大型導電體（稱作電極）進入電石爐。在埋弧爐中，電極穿過被加熱的材料，通電後材料周圍空氣中的電弧產生輻射加熱，電流通過材料時產生直接電阻加熱，滲透材料的電弧形成的高溫氣體產生對流加熱，通過上述過程提供熱量生產電石。電石爐可以產生數千攝氏度的高溫。
電石生產工藝中，焦炭和石灰塊（氧化鈣，化學式為CaO）預先進行混合後被送入電石爐，電極通過電石爐爐蓋伸入焦炭和石灰堆中。當電石爐通電後，把送入的混合物料加熱至2260℃以上，焦炭中的碳在高溫條件下與石灰反應，生成液態的碳化鈣和具有毒性、可燃性的一氧化碳（副產物）：
CaO+3C→CaC2+CO
石灰+碳+熱量→碳化鈣+一氧化碳
由於焦炭中含有一些氫原子，該過程還會釋放出極度易燃的氫氣。
2.4 設備描述
該碳化物工業公司的電石爐位於一棟五層建築物的一樓，如圖2所示。由於電石爐自身的高度，電石爐爐蓋位於二樓，用於電石爐操作人員控制化學物料和電力輸入的控制室也位於二樓。該控制室的窗戶是雙層的，約1.27cm厚，並進行過金屬加固處理。控制室窗戶距離電石爐爐蓋約3.7m遠。
圖2：電石爐結構示意圖
電石爐是一個具有耐火材料襯裡的金屬罐，側壁上設有3個孔，用於排出熔融的碳化鈣產品。這3個孔的位置位於一樓和二樓之間的中層樓高度。電石爐爐蓋約1.2m高，由具有耐火材料襯裡的金屬製成，使用水冷卻降溫。耐火材料襯裡可以防止電石爐內的高溫物料接觸並熔融金屬儲罐和爐蓋。電石爐爐蓋由幾部分通過螺栓組裝到一起。冷卻水從每個空心部分流過，作為防止過熱的附加保護。
3個電極穿過電石爐爐蓋，電極從五樓向下延伸至二樓高度以下，位於三樓的3個變壓器為電極提供交流電。
位於四樓的儲罐儲存著預先混合的焦炭和石灰物料，傳送機系統把物料分配至斜槽裡，再從斜槽向電石爐電極周圍卸料。焦炭和石灰混合物料通過電極鞘與電極穿過電石爐爐蓋的孔之間的空隙流入電石爐內。
2.5 工藝描述
如圖3所示，電石生產裝置分別通過卡車和鐵路接收輸送過來的焦炭和石灰物料。烘乾設備把焦炭進行乾燥處理，並通過稱重系統把焦炭與石灰以期望的比重進行混合，送入電石爐。一套儲罐和斜槽系統把固態的混合物料（焦炭和石灰）通過電石爐爐蓋分佈在3個電極周圍。
電石爐內含有高溫的原料、液態的碳化鈣和可燃、有毒氣體副產品，包括氫氣和一氧化碳。焦炭和石灰混合原料通過供料斜槽進入電石爐，漂浮在液態碳化鈣的表面，在每個電極周圍形成厚層物料。
電石爐保持在微正壓條件下運行，防止空氣被吸入電石爐中並點燃可燃氣體。電石爐內產生的氣體主要從排放系統進入溼式洗滌器，通過與液體接觸把氣體中的汙染物除去。有些氣體會從電極鞘與電極穿過電石爐爐蓋的孔之間的空隙進入電石爐二樓。除了監控電力消耗、電極消耗和物料流量等參數，工作人員會通過控制室窗戶觀察工藝氣體從電石爐出來後接觸空氣自燃產生的火焰形狀（體積、顏色和動態）判斷生產過程的狀態。
圖3：工藝流程示意圖
3. 電石爐超壓爆炸事故分析
3.1 物理原因
CSB調查組無法確定此次電石爐超壓爆炸事故的準確原因，但是通過審查生產裝置記錄、員工訪談，並基於電石工藝的已知特點，CSB調查組識別出來幾個合理可信的事故場景。
根據對電石爐爐蓋底面的檢查，發現電石爐爐蓋的大部分耐火材料襯裡已經磨損，還發現了冷卻水洩漏進入電石爐的孔洞，從圖4中可以看出最近水冷卻區域反覆出現水洩漏的位置。
圖4： 電石爐爐蓋示意圖
CSB調查組分析了導致此次電石爐超壓爆炸事故的可能機理。由於耐火材料襯裡的變薄、汙染結垢（不期望的物質在固體表面積累，影響設備功能），以及固體雜質在冷卻水流通的空心腔室內聚集等原因，發生冷卻水洩漏事件。
設備表面發生的汙染結垢現象使得電石爐爐蓋的底面金屬與冷卻水隔離開，影響冷卻水降溫效果，造成電石爐高溫，設備超溫使金屬發生軟化，達到一定程度時金屬在自身重力作用下發生下垂，如圖5（左）所示。隨著持續暴露在電石爐高溫環境下，下垂的金屬凸出部分發生開裂，進而導致洩漏孔的形成，如圖5（右）所示。
圖5：電石爐爐蓋由於汙垢造成的洩漏孔
造成冷卻水洩漏的另一個可能原因是電石爐內高溫液體的突然噴發，操作人員稱之為煮滾現象。電石爐內的高溫物料反覆出現煮滾事件，噴發的高溫物料與電石爐爐蓋的底面接觸，侵蝕電石爐爐蓋的陶瓷襯裡，最終在電石爐金屬蓋上發生熔融形成小孔，導致冷卻水洩漏。
作業人員需要爬到電石爐爐蓋上，修復冷卻水洩漏孔位置，修復作業需要使用電流，因此要求關停電石爐。對於小型洩漏孔，作業人員將一種廣泛用於修復蒸汽鍋爐洩漏的粉末混合物加入到冷卻水中，冷卻水流動推動這種材料至洩漏孔處，隨著水在洩漏點位置發生蒸發，這種粉末混合物形成塞子，堵住洩漏孔。對於較大的洩漏孔，作業人員將金屬板焊接到冷卻水流通的空腔內部，修補洩漏點。雖然這種方法可以防止冷卻水洩漏進入電石爐內，但是同時會在已修復的電石爐爐蓋的下面留下一層不能冷卻的金屬區域。根據CSB調查組查閱的維保記錄，在該起事故發生前的4個月內，共進行了26次作業，目的是修復電石爐爐蓋冷卻水洩漏問題。
根據一位電石爐方面的專家（G.W.Healy）的計算，碳化鈣和氧化鈣副反應產生氣體的速度是正常的碳化鈣生成反應產生氣體的速度的2.5倍。CSB調查組基於企業提供的運行數據進行了分析，事故當天的操作條件下反應產生了足夠多的能量，導致高溫物料從電石爐內部噴出。
3.2 “異常情況的正常化”
該碳化物工業公司的電石爐裝置已經運行了30多年，而且電石爐以前發生過一些後果不嚴重的事件。CSB調查組通過與操作人員的訪談，發現在過去的20年內，電石爐發生過多次小型的超壓事件。1991年，一起嚴重超壓事件損壞了控制室的窗戶，隨後企業把窗戶玻璃換成了加固玻璃，2004年一起相似事件又把加固玻璃損壞了，這起事件後，企業把單層加固玻璃換成了雙層加固玻璃。2011年電石爐超壓爆炸事故造成更換後的雙層加固玻璃損壞，直接導致工作人員受到致命燒傷。儘管之前發生了一系列的意外事件，該碳化物工業公司並沒有足夠重視，沒能有效控制危險源或防止事件的擴大發展。
CSB調查組要求查看1991年、2004年事件的調查報告以及針對窗戶改造進行的工程設計分析，但是該碳化物工業公司不能提供任何有關的分析報告、會議紀要和其他有效文件。在沒有對事故進行有效調查的情況下，該碳化物工業公司沒能找到防止此類事件發生的根本原因，公司也沒有進行詳細的風險識別分析。如果進行了相應的風險識別和工程分析，企業就可能認識到重新佈置控制室位置的必要性，並安裝視頻攝像頭以監控電石爐的運行狀態，這樣就能消除設置窗戶的必要性，降低人員暴露在高溫和高壓環境的可能性。
另外，由於該碳化物工業公司沒能確定電石爐超壓的根本原因並徹底消除，在裝置的日常運行過程中電石爐出現超壓排氣變成了一種“正常現象”。DianeVaughn把這種過程處理的不正確方式稱作“異常情況的正常化”，定義是：“偏差行為”反覆出現後逐漸被認為是正常現象。在此次事故中，“偏差行為”就是對異常事件（電石爐超壓排氣）的容忍。
“異常情況的正常化”在CSB調查的其他重大事故中也扮演了重要角色，例如得克薩斯州的BP煉油廠爆炸事故、皇家糖業公司的粉塵爆炸事故和Belle杜邦工廠的光氣洩漏事故。雖然之前出現了警告、未遂事件或低嚴重性事件，但是這些公司都沒能有效控制危險源，導致後來發生了非常嚴重的事故。
3.3 規範和標準
（1）NFPA 86 烘箱與熔爐標準
美國消防協會（NFPA）的職責是，通過制定和推廣行業認可的規範和標準、研究、培訓和教育，降低世界範圍內火災及其他危害對人員生命造成的風險。NFPA86 烘箱與熔爐標準（NFPA 86 Standard for Ovens and Furnaces）是一個行業廣泛認可的標準，應用於涉及烘箱和熔爐的設施。權威部門把該標準引用到國家或當地規範中，例如建築規範和防火規範，該標準的大部分條款主要適用於新建項目或重大改造項目。
根據NFPA86 烘箱與熔爐標準（2011版）的3.3.25.3，A級熔爐定義為：熔爐內處理或加熱的可燃性物料，或者可能出現可燃性揮發物，在熔爐內部形成潛在的爆炸或火災風險，這種熱利用設備即為A級。B級熔爐定義為：熔爐內部不存在可燃性揮發物和可燃性物料，這種熱利用設備即為B級。由於大部分的電石爐主要用於熔融金屬，屬於B級熔爐。
根據上述定義，此次事故中涉及的電石爐為A級，因為該電石爐在低氧環境下收集並排放可燃性氣體（生成碳化鈣時的副產物）。由於NFPA86內容不涉及A級電石爐，所以沒有專門針對A級電石爐（包括安全附件、聯鎖和工作區域安全距離等）的操作要求。
（2）肯塔基州的安全標準
肯塔基州法令227.300部分涉及了安全標準，針對不同類型設施的設計和建造制定了安全要求，包括A級熔爐。國家消防局長擁有權限強制執行該標準，包括批准新建項目許可和執行檢查。
該碳化物工業公司在1968年建造了此電石爐裝置，根據肯塔基州安全標準，建造施工作業要遵守NFPA86（1950版）要求。NFPA86（1950版）中關於A級烘箱和熔爐的定義與NFPA86（2011版）相似，但包含了一個基於溫度的排除條款。NFPA86（1982版）中該排除條款被刪除。
3.4 設備佈置
1968年，該碳化物工業公司在距離控制室約3.7m遠的位置安裝了電石爐，2011年，電石爐爆炸事故造成控制室內的2名工作人員因嚴重燒傷而死亡。事故造成這麼嚴重的後果，原因在於電石爐距離控制室距離過小以及爆炸產生的劇烈衝擊、熱輻射。電石爐在1982年改造時，國家防火規範和肯塔基州安全標準（4.5.4章節）要求其遵循NFPA86的要求。NFPA 86 烘箱與熔爐標準（2011版）在第5章“位置和建造”中列出了以下要求：熔爐及相關設備的位置，應有利於保護人員和建築不受火災和爆炸危害。
但是，NFPA86並沒有提供如何確定同一建築物內佔用區域與可能發生火災、爆炸或超壓事件的工藝區之間距離的詳細要求。
CSB在調查其他事故時，也多次提出了關於危險工藝選址的問題，包括得克薩斯BP煉油廠爆炸事故、Veolia環境服務公司事故、密西西比州的第一化學品公司事故等。除了CSB以外，API和CCPS也發佈了一些關於工藝裝置附近建築物正確選址的指導文件。NFPA規範（例如NFPA30）和其他建築、防火規範考慮了這方面的問題，但是針對如何確定控制室、實驗室、午餐區域或辦公室與可能發生火災或爆炸事故的熔爐、儲罐或化學工藝之間的距離，這些標準和規範都沒有給出確定的距離或定量計算的方法。
3.5 管理疏忽
工藝安全管理標準（Process Safety ManagementStandard, 29 CFR 1910.119, PSM）是美國職業安全衛生署（OSHA）針對涉及高度危險物質或大量可燃物質的工藝強制執行的管理要求。正如該標準中提到的，PSM的目的是防止有毒的、反應性、可燃的或者爆炸性化學品發生災難性洩漏或者使洩漏事故的後果最小化。PSM適用範圍包括：①使用或生產任何一種屬於已列出的137種有毒化學品的工藝，且該有毒化學品超過臨界量；②涉及可燃液體或氣體的在線量不低於10000pounds（約4536kg）的工藝。
雖然該碳化物工業公司電石爐工藝涉及的化學品量不足以達到OSHAPSM的管理要求，但是，如果該碳化物工業公司執行了PSM標準，PSM的要素（例如事件調查、機械完整性和培訓等）可能就能促使企業採取相應的管理要求和程序，從而防止或者降低爆炸事故的後果。
該碳化物工業公司已經制定計劃，準備在2011年5月更換電石爐爐蓋，但是在爆炸事故發生時新的電石爐爐蓋還沒有製造完成，尚未安裝耐火材料襯裡。更重要的是，該碳化物工業公司沒有執行機械完整性管理程序，不能確保電石爐爐蓋失效前得到及時更換。如果該碳化物工業公司執行了PSM標準，就能夠系統地管理電石爐爐蓋的維護工作，並預測電石爐爐蓋的安全服役壽命。
4. 電石爐超壓爆炸事故調查結果總結
（1）電石爐爆炸產生的衝擊造成控制室的加固玻璃損壞，並導致2名工作人員因嚴重燒傷而死亡。
（2）電石爐之前也發生過多次超壓事件，造成控制室窗戶損壞，但沒有造成人員傷亡。
（3）雖然電石爐之前發生過類似超壓事件，但是該碳化物工業公司沒有認識到控制室需要重新選址的問題，並且需要安裝視頻攝像頭遠程監控電石爐的運行狀態，從而更好地保護人員安全。
（4）在2011年3月電石爐爆炸事故前的4個月內，該碳化物工業公司簽發了26個作業指令，目的是修復電石爐爐蓋上的冷卻水洩漏問題。儘管持續存在冷卻水洩漏的問題，電石爐仍然保持運行。
（5）該碳化物工業公司沒有充分重視和處理之前發生的超壓事件，使得異常的電石爐超壓排氣現象被逐漸認為是正常現象。
（6）該碳化物工業公司準備更換電石爐爐蓋，但事故發生時新造的電石爐爐蓋還未安裝耐火材料襯裡。
（7）該碳化物工業公司沒有建立工藝安全管理程序。
（8）NFPA86針對A級電石爐沒有明確具體的安全要求。
5. CSB調查組建議
（1）國家消防協會應成立一個委員會，負責評估和制定相應的標準，針對涉及可燃物料和低氧環境的電石爐明確相應的安全要求。涉及可燃物料的電石爐的安全要求至少應包括：
l 充足的安全儀表和控制系統，防止出現爆炸和超壓事件；
l 機械完整性和檢查程序；
l 書面的選址分析報告，確保控制室和其他佔用區域得到足夠保護。
（2）該碳化物工業公司應修改電石爐及相關結構設施（包括控制室）的設計和管理程序，以滿足上述NFPA提出的最新要求。
（3）該碳化物工業公司應針對電石爐開展機械完整性管理程序，包括基於定期檢查的預防性維修和電石爐爐蓋的及時更換。機械完整性管理程序至少應包括洩漏監測、維修和耐火材料襯裡磨損等影響因素。
6. 參考文獻
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