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CSB經典案例分析—ASCO乙炔生產裝置單向閥失效導致的可燃氣體爆炸事故
唐彬 天津市居安企業管理諮詢有限公司
1. 事故簡介
2005年1月25日，位於美國新澤西州PerthAmboy的乙炔服務公司（AcetyleneServices
Company,ASCO）是一家從事乙炔氣生產和包裝的公司，因乙炔發生器循環水管線上的單向閥失效內漏，導致乙炔氣通過循環水管線逆流並洩漏進入封閉空間聚集，遇點火源後引發劇烈爆炸（如圖1所示），事故造成3人死亡，1人重傷，附近生產廠房嚴重受損。
圖1：爆炸事故現場照片
2. 事故背景
2.1 公司背景
ASCO是一個家族式自營企業，於1982年開始在紐約和費城市區生產和包裝乙炔氣服務。事故發生時，ASCO擁有14名員工。ASCO主要在PerthAmboy廠區生產乙炔氣，2004年7月，ASCO開始直接從一家石化企業購買乙炔氣，以補充自己的生產能力。
2.2 裝置佈置
ASCO生產裝置位於一處工業區，乙炔氣生產工藝設備、氣瓶充裝操作區、辦公室和休息室均位於46號廠房內，如圖2所示。在46號廠房外部緊挨著設有6個沉降罐，中間是一個木製結構的廠棚。廠棚裡面設有水泵和相關附屬管線。接貨碼頭用於卸載購買的乙炔氣，另外還有一個丙酮儲罐。
圖2：平面佈置示意圖
2.3 乙炔
乙炔（俗稱風煤或電石氣）是一種無色、高反應活性和極度易燃的氣體。純乙炔是無臭的，但工業用乙炔由於含有硫化氫、磷化氫等雜質，而有一股大蒜的氣味，密度比空氣稍輕。乙炔氣的可燃範圍很寬，約2.5%~82%。當乙炔氣的壓力被壓縮至大於0.1MPa（表壓）時，乙炔氣可能發生劇烈的分解。當乙炔氣被液化時，也非常不穩定，也可能發生劇烈分解。因為乙炔氣的上述特點，乙炔通常被儲存在專用乙炔氣瓶內，氣瓶內部裝有浸入液態丙酮的多孔填料（高比表面積），目的是保持乙炔氣穩定，防止分解。使用時，溶解在丙酮內的乙炔變為氣體分離出來，而丙酮仍留在瓶內，以便再次充入乙炔使用。
2.4 乙炔氣生產工藝
ASCO通過將電石（碳化鈣，化學式為CaC2）和水（化學式為H2O）混合生產乙炔氣（化學式為C2H2），同時生成副產物石灰（化學式為Ca(OH)2），反應過程為放熱反應。反應過程如下：
CaC2+H2O→C2H2+Ca(OH)2+熱量
混合過程在一個臥式儲罐內進行，稱作發生器，如圖3所示。發生器內裝有一定量的水，根據發生器的壓力，控制電石以一定的速率進入發生器中。該過程為半自動化式控制，如果給發生器供料的電石料斗保持滿料狀態，反應過程就可以連續進行。
圖3：乙炔發生器（圓圈處為循環水管線上的單向閥）
生成的乙炔氣經壓縮機轉輸至附屬設備除去雜質，淨化後的乙炔氣被送至充裝操作間，充裝至氣瓶中。副產品石灰漿從發生器連續排放到位於廠房外部的一個儲槽中，然後經泵加壓輸送至沉降罐裡。
2.5 沉降罐
ASCO使用6個敞口的串聯的沉降罐臨時儲存副產品石灰漿，也用於準備和儲存發生器循環使用的水。這6個鋼製的常壓儲罐，高度約6米，直徑約3米，分為兩排南北方向佈置。
石灰漿從儲槽被泵入到1#沉降罐裡，石灰顆粒逐漸沉降，上部的水則溢流至2#沉降罐裡，石灰顆粒經進一步沉降分離，水繼續進入到下游沉降罐。當水進入到5#和6#沉降罐時，水中的石灰含量已很少，如圖4所示。各個沉降罐底部聚集的石灰泥反覆用泵抽出來，然後被承包商運走。根據生產需要，5#和6#沉降罐裡集聚的水可以通過泵輸送回發生器循環使用。
圖4：沉降罐流程簡圖
2.6 木製廠棚（石灰棚）
ASCO裝置區域的6個沉降罐之間建有一個木製廠棚，長約8.5m，寬約4.6m，如圖2所示，6個沉降罐的罐璧構成了廠棚的一部分圍牆。廠棚裡面設有2個電動泵，一個用於從沉降罐抽出沉積的石灰泥，另一個用於將經沉降處理後的水循環至發生器。廠棚使用一個安裝在牆面上的丙烷加熱器供暖，防止機泵和附屬管線發生凍結。廠棚沒有機械通風設備。
2.7 丙烷加熱器
廠棚的一處牆面上安裝了一個家用的直噴丙烷加熱器，如圖5所示。加熱器通過兩個同軸管道的環形空間吸入廠棚外面的空氣用於燃燒，高溫煙氣通過同軸管道的內管排出。燃燒室和廠棚內部空間是完全密封的，廠棚內的空氣不會和火焰或者燃燒產物接觸。
圖5：丙烷加熱器示意圖
加熱器通過自然對流提高室內溫度，運行過程中燃燒室的外表面的溫度約590℃。加熱器內還設置了一個自動切斷閥，用於當長明燈熄滅時自動切斷向燃燒室供給的丙烷燃料。根據事故後的檢查，發現這個自動切斷閥實現了預定的功能。
3. 事故發生過程
2005年1月25日早上，ASCO員工把購買的乙炔氣充裝到專用氣瓶中。上午約9:30，他們開始用電石生產乙炔氣。由於當時下了暴雪，ASCO工人正在沉降罐南面的區域（靠近裝貨碼頭）剷雪。上午10:36，廠棚的正中心位置發生爆炸，緊靠廠棚南側的2名工人當場死亡，更靠近裝貨碼頭的1名工人重傷，送到紐約救護中心後不久也被宣告死亡。位於裝貨碼頭/石灰槽區域的1名工人因爆炸衝擊波受到重傷。
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，正是由於暴露在高速爆燃（壓力波為亞聲速）或者爆轟（一種急速爆炸現象，會產生超音速的壓力衝擊波）產生的高強度衝擊波造成的。
另外，廠棚已被徹底破壞，廠棚牆壁被炸成碎片，散落到距離爆炸現場約137米的地方。爆炸在46號廠房的砌築牆上炸出兩個大洞，乙炔氣瓶被爆炸衝擊到各個地方。爆炸後沒有發生後續火災。
4. 事故分析
4.1 燃料來源
ASCO裝置的生產過程涉及兩種爆炸性物質，分別是乙炔氣和丙烷氣。根據分析，一種可能的事故場景是，發生器中的乙炔氣可能通過沉降罐水管線上的排水閥洩漏進入廠棚區域，這個排水閥門通常情況下是打開的，在冬季每天工作結束後也被打開，目的是為了防止排水管線被凍住。還有一種可能的事故場景，丙烷氣可能從位於廠棚北端的丙烷加熱器或者丙烷燃料管線中洩漏出來進入廠棚區域。根據事故現場的破壞機理和爆炸現象來看，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，蒸氣雲爆炸的強度取決於燃料的反應活性、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。根據收集的現場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是乙炔氣。
表1：爆炸燃料的來源對比分析
1、乙炔氣
2、丙烷氣
l 根據BST（Baker-Strehlow-Tang）模型預測，乙炔氣在廠棚內區域聚集很容易形成爆轟或者高速爆燃現象。乙炔氣被歸類為高反應活性物質。
l 根據BST（Baker-Strehlow-Tang）模型預測，丙烷氣在廠棚內區域聚集一般不能形成爆轟和高速爆燃現象。丙烷氣被歸類為中等反應活性物質。
l 根據事故後的現場檢查，顯示存在乙炔氣洩漏的路徑。單向閥存在發生逆流的情況。
l 沒有發現丙烷氣洩漏進入廠棚的證據。
l 乙炔氣發生器開車後不久（約66分鐘）發生了爆炸。
l 加熱器運行了數週時間，沒有發生洩漏現象。
l 乙炔氣洩漏的位置遠離加熱器，使得可燃氣雲能夠聚集。
l 丙烷氣供料管線較短，靠近點火源（加熱器），任何洩漏都不太可能在局部空間形成聚集。
4.2 事故場景
如圖6所示，由於乙炔氣發生器循環水管線上的單向閥發生內漏，導致發生器內生成的乙炔氣穿過失效的單向閥，通過循環水管線上處於打開狀態的排水閥洩漏進入廠棚內部區域，乙炔氣在廠棚內部聚集，遇到點火源後發生爆炸。
圖6：乙炔生產流程簡圖
ASCO公司的常規做法是在晚上保持沉降水管線處於打開狀態，通過設置在低點的閥門把水排到廠棚地面上，防止冬季時管線外部被凍壞。這個處於打開狀態的排水閥為發生器內乙炔氣洩漏進入廠棚內部區域提供了一個潛在通道，而且廠棚封閉空間的設計也沒有考慮可能出現乙炔氣的工況，沒有設置機械通風。
工藝危害分析（Processhazards analysis, PHA）是一個基於團隊合作、頭腦風暴的風險識別技術，也是OSHA過程安全管理法規（ProcessSafety Management Regulation, PSM）中的一個重要要素。ASCO乙炔生產裝置涉及的可燃液體或氣體量超過了10000磅（包括乙炔和丙酮），屬於OSHA過程安全管理法規（29CFR 1910.119）管轄範圍。通過進行PHA可以幫助識別工藝流程和操作過程中存在的潛在風險、可能後果，以及相應的保護措施，通過採取系統的建議措施來消除或控制識別出來的潛在風險。
ASCO公司在1996年進行的PHA活動沒有識別出廠棚內沉降水管線排水位置可能帶來的潛在風險。根據OSHAPSM的要求，ASCO公司在2001年應再次進行PHA，但是ASCO沒有按照要求做這項工作，又一次錯失了發現導致這次爆炸事故的原因的機會。
4.3 操作順序
爆炸發生後，發現乙炔氣發生器的循環水管線上的排水閥是處於打開位置的，這說明事故發生時循環系統並不處於運行狀態。CSB調查組認為，在循環水系統啟動之前，操作人員關閉了自來水供給閥，導致發生器系統沒有帶壓水去防止乙炔氣的逆流工況。如果在關停自來水供給之前，關閉排水閥並投用循環水系統，就可能阻止乙炔氣逆流洩漏進入廠棚內部。
ASCO制定了關於乙炔氣發生器的操作手冊，但是手冊中沒有涉及循環水系統的內容。所以，對於如何正確操作循環水系統，操作人員沒有相關的書面指導手冊，也不清楚操作程序出現偏離時可能導致的後果。
發生器所在房間的牆上張貼了一些常規操作程序，但是沒有涉及向發生器加水（循環水或者自來水）的正確操作步驟的有關內容。員工培訓記錄不完整，而且每個員工的操作步驟也不一致。
4.4 單向閥逆流
發生器循環水管線上安裝的單向閥是由Rexarc公司設計和提供的，由於該單向閥內漏發生失效，導致發生器內的乙炔氣發生逆流，並從打開的排水閥處洩漏進入廠棚區域。根據爆炸後對單向閥的測試，發現可燃氣逆流通過了該單向閥，而且OSHA進行X射線檢測後發現單向閥內部的導向針被卡在了下部管線凸點處，如圖7所示。ASCO公司員工曾經發現過這個單向閥發生洩漏，當時是由這名員工對閥門進行了拆卸、清潔和重新組裝。
圖7：單向閥失效示意圖
l 該單向閥依靠重力和背壓實驗密封，沒有彈簧輔助進行閥塞的密封；
l 閥塞沒有被有效地導向，出現了未對中的趨勢；
l 單向閥內部表面容易出現固體聚集，例如結垢或者循環水中攜帶的石灰顆粒等。
當工藝管線上設置的單向閥對於防止出現逆流工況很關鍵時，涉及危險物料時不應該單獨依靠單向閥保護逆流場景。好的做法是提供一種更加可靠的隔離方案，例如，除了設置一個單向閥外，再設置兩個截止閥和一個放空閥（排放至安全位置），從而確保不會發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有考慮可能出現乙炔氣的工況，沒有設置強制通風，安裝的加熱器的表面溫度很高，足以點燃乙炔氣。這樣的環境條件很容易在出現乙炔氣洩漏的情況下導致可燃氣雲爆炸事故。
由於冬季氣溫很低，而且石灰棚沒有保溫，所以在爆炸事故發生時，加熱器很可能正在運行或者處於頻繁啟停狀態。乙炔氣的自燃溫度約304℃，遠遠低於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應用安裝的，非防爆設備，應用於可能存在乙炔氣的環境中是不安全的。所以，事故發生時也可能出現了其他點火源，例如電開關產生的火花或者某種電氣故障。CSB調查組並不能確定爆炸發生時哪個電氣設備處於帶電狀態，所以，加熱器是最可能的點火源。
根據NFPA發佈的美國國家電氣規範（NationalElectric Code, NEC），應根據可能出現的可燃物質的特性，相應的電氣設備應滿足特定的要求，每個房間、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（A類、B類、C類、D類）。1區定義為：在正常操作條件下存在點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行了分類，乙炔是唯一一種因為其極度爆炸性特點而被定義為A類的物料。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足NECI級，2區，A類的要求。
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柴油加氫裝置原料緩衝罐（設計壓力0.38MPa）發生爆炸著火事故，造成2人死亡、1人輕傷。經初步分析，事故直接原因是循環氫壓縮機因潤滑油壓力低而停機後，加氫原料進料泵隨即聯鎖停泵，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間關閉泵出口手閥，反應系統內高壓介質（壓力5.7MPa）通過原料泵出入口倒竄入加氫原料緩衝罐，導致緩衝罐超壓爆炸著火。
事故暴露出以下突出問題：一是事故裝置建成於1990年，其加氫原料進料泵出口當時沒有設置緊急切斷閥，在後來多次改造中也沒有進行完善，本質安全水平低，埋下安全隱患。二是設備設施維護保養不到位，未及時對泵出口單向閥進行檢查維護，事故後拆檢發現單向閥已失效。三是風險管控不到位，應用HAZOP等分析工具進行風險辨識、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。循環氫壓縮機潤滑油壓低報警後，長時間未能排除故障，處理過程中引起潤滑油壓力低低聯鎖停機；循環氫壓縮機停機後，未能第一時間關閉加氫原料進料泵出口手閥，切斷高壓竄低壓的通路。
單向閥是化工企業常見的用來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降低物料逆流導致重大過程安全事故的可能性。目前，關於單向閥的設計有相關的標準規範。例如，《石油化工企業防火設計規範》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。通常來說，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），沒有數據支持其平均要求失效概率（PFD），也就意味著其不能有效降低事故發生的頻率。可見，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公司發生的災難性爆炸事故中吸取教訓，可以幫助我們避免今後再次發生類似的事故。對於OSHA過程安全管理法規（29CFR 1910.119）適用範圍內的裝置（例如ASCO乙炔生產裝置），這些建議行動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法規範圍內的設施，這些行動項被認為是很好的安全作業實踐，應遵守執行。總結如下：
（1） 檢查連接至裝有乙炔設備上的所有管線，識別出在出現乙炔氣逆流或洩漏時可能導致危險的排氣口和排液點，將所有這些排氣口和排液點都引至安全位置，最好是裝置外部區域。
（2） 確保可能存在乙炔氣的建築物或者封閉空間具備適用於乙炔服務的條件。根據最新版的《NFPA51A 乙炔氣瓶充裝裝置》的要求，提供通風設備、正確分級的電氣設備和低溫加熱措施等。
（3） 通過定期檢查和測試，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，再設置兩個截止閥和一個放空閥（排放至安全位置），以確保爆炸性氣體逆流的工況不會發生。
（5） 針對裝置整個操作流程，制定詳細的書面操作規程和檢查表，包括輔助系統（例如循環水系統）。為操作人員進行書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。
7. 參考文獻
[1] Safety Bulletin. EXPLOSIONAT ASCO: DANGERS OF FLAMMABLE GAS ACCUMULATION. No. 2006-01-B.
[2] Center for ChemicalProcess Safety (CCPS), 1994. Guidelines for Evaluating the Characteristics ofVapor Cloud Explosions, Flash Fires, and BLEVEs, American Institute of ChemicalEngineers (AIChE).
[3] National Fire ProtectionAssociation (NFPA), 2001. Standard for Acetylene Cylinder Charging Plants, NFPA51A.
[4] OccupationalSafety and Health Administration (OSHA), 1992. Regulation (Standards – 29CFR)Process Safety Management. –1910.119.
[5] National FireProtection Association (NFPA), 2004. Recommended Practice for theClassification of Flammable Liquids, Gases, Vapors and of Hazardous(Classified) Locations for Electrical Installations in Chemical Process Areas,NFPA 497.
[6] 2018年3月12日石化企業爆炸著火事故警示信息
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