英國(guó)溶解乙炔氣瓶爆炸事故

菲爾·胡克 約翰·霍奇斯｜文 郁振山｜編譯

2010年1月7日14時(shí)30分，英國(guó)某溶解乙炔裝瓶工廠中，員工在充氣設(shè)備前作業(yè)時(shí)1個(gè)氣瓶發(fā)生爆炸。爆炸引發(fā)了乙炔泄漏，將火引至充氣設(shè)備，燃燒了8天才熄滅。事故導(dǎo)致1名員工燒傷和嚴(yán)重外部創(chuàng)傷，另外2名員工出現(xiàn)暫時(shí)性聽(tīng)力損失。

該工廠建于上世紀(jì)20年代，當(dāng)時(shí)屬于偏遠(yuǎn)地帶。之后該地的商業(yè)快速發(fā)展，人員逐漸聚集?？紤]到其他氣瓶的潛在爆炸風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)急人員劃定了嚴(yán)格的疏散區(qū)，維持了數(shù)天后才解除疏散區(qū)限制。事后，當(dāng)?shù)厣虡I(yè)貿(mào)易遭遇嚴(yán)重影響，附近1條鐵路干線的重要站點(diǎn)也被關(guān)停。

氣瓶爆炸后，消防人員在工廠內(nèi)放置了視頻攝像機(jī)，拍攝到了工廠的火勢(shì)（圖1），并通過(guò)火苗的長(zhǎng)度計(jì)算了乙炔的泄漏情況。再考慮到建筑的通風(fēng)，應(yīng)急人員由此做出了安全的決策，讓乙炔排放到大氣中并關(guān)閉了所有閥門(mén)，防止更多的氣體泄漏。

事故只對(duì)工廠造成了直接影響，具體來(lái)說(shuō)就是乙炔壓縮機(jī)和充氣設(shè)備所在區(qū)域。事發(fā)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)有800多個(gè)裝滿的氣瓶，有的直接與充氣設(shè)備相連，有的排列在周?chē)?，此外還有600多個(gè)空瓶。當(dāng)時(shí)，整個(gè)工廠至少有4 000多個(gè)不同大小溶解乙炔氣瓶，其中3 000多個(gè)是充滿的。

爆炸的氣瓶撕裂成3塊，殘片飛到不同的地方（見(jiàn)圖2和圖3）。最大的一塊是氣瓶的上半部。由于爆炸的沖擊，該部分被噴射到8 m外的2個(gè)充氣排之間。氣瓶的中間部分飛到附近的充氣排上，擊中并損壞了3個(gè)氣瓶。底部則越過(guò)最近的充氣排，擊中了其他充氣排上的氣瓶。

圖1 事故氣瓶爆炸瞬間引發(fā)的火苗

事故調(diào)查

事故調(diào)查由英國(guó)職業(yè)健康安全執(zhí)行局（HSE）負(fù)責(zé)，22名專(zhuān)家參與其中，收集到44份目擊報(bào)告和2 000余項(xiàng)證據(jù)。

氣罐缺陷

調(diào)查人員對(duì)殘片測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，氣瓶殘片最薄處為4.1 mm，低于規(guī)定最低厚度的4.76 mm。當(dāng)氣瓶的工作壓力為1 700 kPa時(shí)會(huì)產(chǎn)生42 MPa的環(huán)向應(yīng)力。考慮到材料的拉伸性，當(dāng)工作壓力達(dá)到2.6萬(wàn) kPa時(shí)，氣瓶就會(huì)出現(xiàn)破裂；而氣罐內(nèi)乙炔分解時(shí)就能夠產(chǎn)生這樣的壓力。

閥門(mén)故障

閥門(mén)生產(chǎn)于2005年，屬于主軸設(shè)計(jì)，閥口朝上。主軸在螺紋的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)軟墊與閥口形成密封。對(duì)閥門(mén)進(jìn)行射線拍照后發(fā)現(xiàn)，內(nèi)部主軸出現(xiàn)顆粒狀的破損，破損痕跡與應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂相同，并非由老化導(dǎo)致。內(nèi)部主軸的故障來(lái)自于軟墊，閥門(mén)關(guān)閉后該區(qū)域可能產(chǎn)生了非常大的力，或許因?yàn)檐泬|吸水后膨脹導(dǎo)致。最終，壓力超過(guò)了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的極限。

圖2 事故后氣瓶形成的3塊殘片

圖3 氣瓶殘片的軌跡（顏色與圖2對(duì)應(yīng)）

乙炔的特性

乙炔氣體極不穩(wěn)定，能劇烈分解。沒(méi)有氧氣源時(shí)也可被點(diǎn)燃。本次事故乙炔分解有幾個(gè)不同潛在機(jī)制，但都與氣瓶的閥門(mén)有關(guān)（本次事故中閥門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)）。比如摩擦、氣體壓力導(dǎo)致爆破片碎裂后形成的沖擊波、氣體從瓶口突然排出、機(jī)械力沖擊、靜電、乙炔亞銅的分解等。無(wú)論是單獨(dú)出現(xiàn)還是集體作用，都能形成熱點(diǎn)，引燃乙炔。

如同上文所述，乙炔的分解很可能與閥門(mén)缺陷有關(guān)。缺陷源于閥門(mén)的脫鋅腐蝕，形成了乙炔亞銅。1 μg的乙炔亞銅分解時(shí)就能在1 000 kPa的壓力下引燃乙炔。

由于乙炔不穩(wěn)定，通常以溶解乙炔的形式供給用戶。乙炔溶解在溶液中，本次事故中的溶液為丙酮，氣瓶?jī)?nèi)還裝有疏松多孔結(jié)構(gòu)的物質(zhì)。它們構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定系統(tǒng)，如果氣瓶的機(jī)械性能完善，就不會(huì)爆炸。穩(wěn)定系統(tǒng)的有效性取決于乙炔和丙酮溶液的比率，并保證多孔結(jié)構(gòu)的物質(zhì)沒(méi)有任何損壞。

乙炔和丙酮的比例

乙炔和溶液的正確比率是避免乙炔在氣瓶?jī)?nèi)分解的關(guān)鍵。事故氣瓶的安全操作區(qū)如圖4所示。安全操作區(qū)是“逆火線”和“f65=0線”所包圍的區(qū)域。逆火線代表的是氣瓶能夠應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)逆火檢測(cè)的極限。標(biāo)準(zhǔn)逆火檢測(cè)就是在氣瓶?jī)?nèi)充入一定量丙酮溶液，再充入105%的乙炔（最高比例），經(jīng)過(guò)多次檢驗(yàn)測(cè)量出氣瓶不故障的極限。溶液和多孔物質(zhì)能夠抑制乙炔分解，因此“f65=0線”就代表著氣瓶能夠應(yīng)對(duì)乙炔和溶液混合物在15℃～65℃范內(nèi)氣體膨脹的極限。

從圖4中可看出隨著乙炔與丙酮增加的升高，最終會(huì)超過(guò)極限，導(dǎo)致逆火測(cè)試失敗。另外，丙酮和乙炔任何一個(gè)超出微小的劑量就會(huì)導(dǎo)致事故。

現(xiàn)場(chǎng)還發(fā)現(xiàn)2個(gè)故障溫度計(jì)。氣瓶?jī)?nèi)乙炔含量的計(jì)算方法，適用于5℃的情況。溫度計(jì)的誤差太大導(dǎo)致乙炔含量計(jì)算錯(cuò)誤。

多孔結(jié)構(gòu)的物質(zhì)

另外一個(gè)重要問(wèn)題是氣瓶?jī)?nèi)多孔結(jié)構(gòu)物質(zhì)的管理。事發(fā)時(shí)，爆炸的氣瓶已經(jīng)使用了75年，并且多孔物曾被倒置過(guò)。這種物質(zhì)一般通過(guò)瓶口進(jìn)行目視檢查，每5年1次。很明顯，這種檢查只能看到物質(zhì)的上部，因此沒(méi)有發(fā)現(xiàn)多孔炭存在的完整性問(wèn)題。事后，人們使用另一種方法對(duì)相似氣瓶進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)每6個(gè)氣瓶中就有1個(gè)存在多孔物質(zhì)老化問(wèn)題。

圖4 事故氣瓶的安全操作區(qū)

人為失誤

此工廠事關(guān)生命安全的關(guān)鍵操作高度依賴(lài)員工的干預(yù)，但沒(méi)有進(jìn)行任何人為失誤識(shí)別和分析。工廠的內(nèi)部調(diào)查報(bào)告顯示，事故原因之一是人為因素的評(píng)估不足。

許多行為都會(huì)導(dǎo)致乙炔與丙酮的比率錯(cuò)誤，如讀數(shù)錯(cuò)誤。另外，作業(yè)人員的工作負(fù)荷較高，也會(huì)導(dǎo)致其違反作業(yè)流程。由于大火銷(xiāo)毀了大量證據(jù)，無(wú)法證明在氣體測(cè)量和充氣過(guò)程中一定出現(xiàn)了哪些人為失誤。

總之，閥門(mén)設(shè)計(jì)引發(fā)了一系列的故障，導(dǎo)致了爆炸事故。氣瓶?jī)?nèi)多孔結(jié)構(gòu)物質(zhì)的完整性評(píng)估存在缺陷，尤其是在氣瓶老化的情況下。另外，乙炔對(duì)丙酮的比率計(jì)算錯(cuò)誤。作業(yè)過(guò)程過(guò)度依賴(lài)操作員的干預(yù)，但沒(méi)有考慮到人為失誤的因素。

事后，工廠替換了氣瓶的所有閥門(mén)；停止使用含炭的氣瓶；停止在事發(fā)區(qū)域開(kāi)展任何作業(yè)；新建了1個(gè)溶解乙炔自動(dòng)充氣工廠。

事故教訓(xùn)

設(shè)計(jì)

事故報(bào)告強(qiáng)調(diào)了高風(fēng)險(xiǎn)工廠需要具備設(shè)計(jì)審查過(guò)程。事發(fā)后，工廠閥門(mén)的設(shè)計(jì)得到了改進(jìn)，比如改變了閥門(mén)口的位置，閥門(mén)軟墊的形狀和閥門(mén)材料。

過(guò)程控制

工廠應(yīng)該全面考慮事關(guān)生命安全的關(guān)鍵操作及其潛在影響、控制措施的準(zhǔn)確性、潛在的連續(xù)失誤。除非送回的氣罐在充氣前已經(jīng)完全不存在乙炔，否則乙炔與溶液的比率計(jì)算會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤。開(kāi)展對(duì)安全要求較高的作業(yè)時(shí)，要注意避免連續(xù)性失誤的問(wèn)題。本次事故中，氣罐的測(cè)量和充氣存在許多錯(cuò)誤，如設(shè)備測(cè)量不精準(zhǔn)。

老化工廠的管理

工廠或設(shè)備老化會(huì)導(dǎo)致失控風(fēng)險(xiǎn)升高，因此行業(yè)要了解乙炔氣罐的設(shè)計(jì)壽命、使用壽命到期時(shí)的參數(shù)、如何識(shí)別報(bào)廢的氣罐。

為了有效管理老化資產(chǎn)，包括可移動(dòng)資產(chǎn)，經(jīng)營(yíng)人員應(yīng)該確保工廠的安全文化支持老化設(shè)備和所有故障的上報(bào)和記錄；開(kāi)展設(shè)備的“合格服務(wù)”評(píng)估，期間要考慮到設(shè)備的設(shè)計(jì)用途和正常使用情況；確定一套非破壞性檢驗(yàn)的方法，含有炭的乙炔氣瓶至少每5年檢查1次；使用定期檢驗(yàn)和部分樣品的破壞性檢驗(yàn)相結(jié)合的方法。

人為失誤

人為失誤是事故的常見(jiàn)原因。盡管人們已普遍意識(shí)到人為失誤的后果，但很少會(huì)主動(dòng)識(shí)別潛在的人為失誤問(wèn)題。因此，經(jīng)營(yíng)者應(yīng)對(duì)關(guān)乎生命安全的作業(yè)任務(wù)開(kāi)展“人為失誤識(shí)別與分析”（HEIA）。就本次事故而言，應(yīng)該經(jīng)過(guò)風(fēng)險(xiǎn)分析的作業(yè)任務(wù)包括氣罐回收和充氣。

事故調(diào)查的資料管理

本次事故調(diào)查有許多專(zhuān)家參與，收集到了大量材料。另外，調(diào)查材料的存放地點(diǎn)不一，不便于管理。本次事故后，HSE意識(shí)到他們需要一個(gè)全新的證據(jù)管理工具。2015年，HSE發(fā)布了“材料與證據(jù)管理工具”（HEMT），它是按照HSE的需要專(zhuān)門(mén)制作的。所有調(diào)查期間收集的材料和信息都能通過(guò)該平臺(tái)獲取。該工具還包含“證據(jù)矩陣圖”，能讓監(jiān)管人員直觀地看到違法信息，也有助于完善HSE法規(guī)。