2人死亡！设备带病运行，26个指令没修复，美国电石炉爆炸事故 ...

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CSB经典案例分析—美国肯塔基州碳化物工业公司电石炉超压爆炸事故
唐彬 天津市居安企业管理咨询有限公司
何琛 上海于睿商务咨询有限公司
关键词:
电石炉、电石（碳化钙）、爆炸、美国化学品安全与危害调查委员会(CSB)
摘要
电石（碳化钙）由于其本身物理化学性质，属于遇湿易燃物品，生产过程涉及高温、高压、乙炔、一氧化碳和粉尘等诸多危险因素，并伴随着高电压、大电流，在生产过程中灼烫、爆炸、窒息与中毒等都属于多发事故。
2017年2月12日2时59分，位于新疆准东经济技术开发区新疆宜化化工有限公司电石事业部3车间的5号电石炉发生喷料灼烫事故，造成2人死亡、8人受伤，直接经济损失420余万元。电石生产行业事故的频发，充分说明了电石生产的高风险性。
本文结合美国化学品安全与危害调查委员会（CSB）对美国肯塔基州一家碳化物工业公司发生的电石炉超压爆炸事故的调查，描述电石炉超压爆炸事故的背景、过程及后果，并从技术和管理角度综合分析、总结导致电石炉超压爆炸事故的各方面原因，并分享CSB调查组针对此次事故的调查结论和建议措施。
1. 事故简介
2011年3月21日，星期一，下午约5:40，位于美国肯塔基州路易斯维尔的一家碳化物工业公司内，一台电石炉发生超压爆炸，剧烈爆炸的同时喷射出大量设备碎片、高温热气和温度约2100℃的熔融碳化钙（电石）。
电石炉爆炸形成的高温热气和碎片击穿了旁边一间控制室的双重加固玻璃窗户，导致控制室内的2名工作人员严重烧伤，由于伤势过重，2名工作人员在24小时内死亡。图1为事故现场照片。


图1：事故现场照片
2. 事故背景
2.1 公司简介
该碳化物工业公司是北美区域的一家大型电石生产商，主要为钢铁企业和乙炔生产商提供电石。碳化物工业公司电石生产装置与路易斯维尔北部的俄亥俄州河毗邻，公司拥有生产、维护和管理人员共约160人，运行着一台50兆瓦特的电石炉，每年能生产120000吨的熔融碳化钙。熔融的碳化钙从电石炉中排出后，经冷却后成为固态，然后把固态碳化钙破碎，再包装成不同等级的成品电石，进行销售。
2.2 电石（碳化钙）化学性质
纯净的电石（即碳化钙）化学式为CaC2，包含2个碳原子和1个钙原子，熔点约1926℃。在室温条件下，工业生产的电石为灰黑色块状固体，通常以颗粒或粉末状供应，包含比重约75~85%的碳化钙和比重约15~25%的氧化钙和其他杂质。
电石可以与水（例如空气中的水分或者人体组织中的水分）反应，生成乙炔气（化学式为C2H2）和氢氧化钙（化学式为CA（OH）2），并释放大量热量。乙炔是一种高度易燃的气体，氢氧化钙是一种腐蚀性固体，通过接触后会刺激皮肤和眼睛，吸入后还可能造成严重的呼吸系统不适和急性肺水肿。
2.3 电石炉
电石炉通过某种材料上方的空气传导电流，为这种材料加热，称作间接电石炉。还有一些设计中，电石炉也通过材料传导电流为自身加热，称作开弧炉和埋弧炉。电流通过大型导电体（称作电极）进入电石炉。在埋弧炉中，电极穿过被加热的材料，通电后材料周围空气中的电弧产生辐射加热，电流通过材料时产生直接电阻加热，渗透材料的电弧形成的高温气体产生对流加热，通过上述过程提供热量生产电石。电石炉可以产生数千摄氏度的高温。
电石生产工艺中，焦炭和石灰块（氧化钙，化学式为CaO）预先进行混合后被送入电石炉，电极通过电石炉炉盖伸入焦炭和石灰堆中。当电石炉通电后，把送入的混合物料加热至2260℃以上，焦炭中的碳在高温条件下与石灰反应，生成液态的碳化钙和具有毒性、可燃性的一氧化碳（副产物）：
CaO+3C→CaC2+CO
石灰+碳+热量→碳化钙+一氧化碳
由于焦炭中含有一些氢原子，该过程还会释放出极度易燃的氢气。
2.4 设备描述
该碳化物工业公司的电石炉位于一栋五层建筑物的一楼，如图2所示。由于电石炉自身的高度，电石炉炉盖位于二楼，用于电石炉操作人员控制化学物料和电力输入的控制室也位于二楼。该控制室的窗户是双层的，约1.27cm厚，并进行过金属加固处理。控制室窗户距离电石炉炉盖约3.7m远。


图2：电石炉结构示意图
电石炉是一个具有耐火材料衬里的金属罐，侧壁上设有3个孔，用于排出熔融的碳化钙产品。这3个孔的位置位于一楼和二楼之间的中层楼高度。电石炉炉盖约1.2m高，由具有耐火材料衬里的金属制成，使用水冷却降温。耐火材料衬里可以防止电石炉内的高温物料接触并熔融金属储罐和炉盖。电石炉炉盖由几部分通过螺栓组装到一起。冷却水从每个空心部分流过，作为防止过热的附加保护。
3个电极穿过电石炉炉盖，电极从五楼向下延伸至二楼高度以下，位于三楼的3个变压器为电极提供交流电。
位于四楼的储罐储存着预先混合的焦炭和石灰物料，传送机系统把物料分配至斜槽里，再从斜槽向电石炉电极周围卸料。焦炭和石灰混合物料通过电极鞘与电极穿过电石炉炉盖的孔之间的空隙流入电石炉内。
2.5 工艺描述
如图3所示，电石生产装置分别通过卡车和铁路接收输送过来的焦炭和石灰物料。烘干设备把焦炭进行干燥处理，并通过称重系统把焦炭与石灰以期望的比重进行混合，送入电石炉。一套储罐和斜槽系统把固态的混合物料（焦炭和石灰）通过电石炉炉盖分布在3个电极周围。
电石炉内含有高温的原料、液态的碳化钙和可燃、有毒气体副产品，包括氢气和一氧化碳。焦炭和石灰混合原料通过供料斜槽进入电石炉，漂浮在液态碳化钙的表面，在每个电极周围形成厚层物料。
电石炉保持在微正压条件下运行，防止空气被吸入电石炉中并点燃可燃气体。电石炉内产生的气体主要从排放系统进入湿式洗涤器，通过与液体接触把气体中的污染物除去。有些气体会从电极鞘与电极穿过电石炉炉盖的孔之间的空隙进入电石炉二楼。除了监控电力消耗、电极消耗和物料流量等参数，工作人员会通过控制室窗户观察工艺气体从电石炉出来后接触空气自燃产生的火焰形状（体积、颜色和动态）判断生产过程的状态。


图3：工艺流程示意图
3. 电石炉超压爆炸事故分析
3.1 物理原因
CSB调查组无法确定此次电石炉超压爆炸事故的准确原因，但是通过审查生产装置记录、员工访谈，并基于电石工艺的已知特点，CSB调查组识别出来几个合理可信的事故场景。
根据对电石炉炉盖底面的检查，发现电石炉炉盖的大部分耐火材料衬里已经磨损，还发现了冷却水泄漏进入电石炉的孔洞，从图4中可以看出最近水冷却区域反复出现水泄漏的位置。


图4： 电石炉炉盖示意图
CSB调查组分析了导致此次电石炉超压爆炸事故的可能机理。由于耐火材料衬里的变薄、污染结垢（不期望的物质在固体表面积累，影响设备功能），以及固体杂质在冷却水流通的空心腔室内聚集等原因，发生冷却水泄漏事件。
设备表面发生的污染结垢现象使得电石炉炉盖的底面金属与冷却水隔离开，影响冷却水降温效果，造成电石炉高温，设备超温使金属发生软化，达到一定程度时金属在自身重力作用下发生下垂，如图5（左）所示。随着持续暴露在电石炉高温环境下，下垂的金属凸出部分发生开裂，进而导致泄漏孔的形成，如图5（右）所示。


图5：电石炉炉盖由于污垢造成的泄漏孔
造成冷却水泄漏的另一个可能原因是电石炉内高温液体的突然喷发，操作人员称之为煮滚现象。电石炉内的高温物料反复出现煮滚事件，喷发的高温物料与电石炉炉盖的底面接触，侵蚀电石炉炉盖的陶瓷衬里，最终在电石炉金属盖上发生熔融形成小孔，导致冷却水泄漏。
作业人员需要爬到电石炉炉盖上，修复冷却水泄漏孔位置，修复作业需要使用电流，因此要求关停电石炉。对于小型泄漏孔，作业人员将一种广泛用于修复蒸汽锅炉泄漏的粉末混合物加入到冷却水中，冷却水流动推动这种材料至泄漏孔处，随着水在泄漏点位置发生蒸发，这种粉末混合物形成塞子，堵住泄漏孔。对于较大的泄漏孔，作业人员将金属板焊接到冷却水流通的空腔内部，修补泄漏点。虽然这种方法可以防止冷却水泄漏进入电石炉内，但是同时会在已修复的电石炉炉盖的下面留下一层不能冷却的金属区域。根据CSB调查组查阅的维保记录，在该起事故发生前的4个月内，共进行了26次作业，目的是修复电石炉炉盖冷却水泄漏问题。
根据一位电石炉方面的专家（G.W.Healy）的计算，碳化钙和氧化钙副反应产生气体的速度是正常的碳化钙生成反应产生气体的速度的2.5倍。CSB调查组基于企业提供的运行数据进行了分析，事故当天的操作条件下反应产生了足够多的能量，导致高温物料从电石炉内部喷出。
3.2 “异常情况的正常化”
该碳化物工业公司的电石炉装置已经运行了30多年，而且电石炉以前发生过一些后果不严重的事件。CSB调查组通过与操作人员的访谈，发现在过去的20年内，电石炉发生过多次小型的超压事件。1991年，一起严重超压事件损坏了控制室的窗户，随后企业把窗户玻璃换成了加固玻璃，2004年一起相似事件又把加固玻璃损坏了，这起事件后，企业把单层加固玻璃换成了双层加固玻璃。2011年电石炉超压爆炸事故造成更换后的双层加固玻璃损坏，直接导致工作人员受到致命烧伤。尽管之前发生了一系列的意外事件，该碳化物工业公司并没有足够重视，没能有效控制危险源或防止事件的扩大发展。
CSB调查组要求查看1991年、2004年事件的调查报告以及针对窗户改造进行的工程设计分析，但是该碳化物工业公司不能提供任何有关的分析报告、会议纪要和其他有效文件。在没有对事故进行有效调查的情况下，该碳化物工业公司没能找到防止此类事件发生的根本原因，公司也没有进行详细的风险识别分析。如果进行了相应的风险识别和工程分析，企业就可能认识到重新布置控制室位置的必要性，并安装视频摄像头以监控电石炉的运行状态，这样就能消除设置窗户的必要性，降低人员暴露在高温和高压环境的可能性。
另外，由于该碳化物工业公司没能确定电石炉超压的根本原因并彻底消除，在装置的日常运行过程中电石炉出现超压排气变成了一种“正常现象”。DianeVaughn把这种过程处理的不正确方式称作“异常情况的正常化”，定义是：“偏差行为”反复出现后逐渐被认为是正常现象。在此次事故中，“偏差行为”就是对异常事件（电石炉超压排气）的容忍。
“异常情况的正常化”在CSB调查的其他重大事故中也扮演了重要角色，例如得克萨斯州的BP炼油厂爆炸事故、皇家糖业公司的粉尘爆炸事故和Belle杜邦工厂的光气泄漏事故。虽然之前出现了警告、未遂事件或低严重性事件，但是这些公司都没能有效控制危险源，导致后来发生了非常严重的事故。
3.3 规范和标准
（1）NFPA 86 烘箱与熔炉标准
美国消防协会（NFPA）的职责是，通过制定和推广行业认可的规范和标准、研究、培训和教育，降低世界范围内火灾及其他危害对人员生命造成的风险。NFPA86 烘箱与熔炉标准（NFPA 86 Standard for Ovens and Furnaces）是一个行业广泛认可的标准，应用于涉及烘箱和熔炉的设施。权威部门把该标准引用到国家或当地规范中，例如建筑规范和防火规范，该标准的大部分条款主要适用于新建项目或重大改造项目。
根据NFPA86 烘箱与熔炉标准（2011版）的3.3.25.3，A级熔炉定义为：熔炉内处理或加热的可燃性物料，或者可能出现可燃性挥发物，在熔炉内部形成潜在的爆炸或火灾风险，这种热利用设备即为A级。B级熔炉定义为：熔炉内部不存在可燃性挥发物和可燃性物料，这种热利用设备即为B级。由于大部分的电石炉主要用于熔融金属，属于B级熔炉。
根据上述定义，此次事故中涉及的电石炉为A级，因为该电石炉在低氧环境下收集并排放可燃性气体（生成碳化钙时的副产物）。由于NFPA86内容不涉及A级电石炉，所以没有专门针对A级电石炉（包括安全附件、联锁和工作区域安全距离等）的操作要求。
（2）肯塔基州的安全标准
肯塔基州法令227.300部分涉及了安全标准，针对不同类型设施的设计和建造制定了安全要求，包括A级熔炉。国家消防局长拥有权限强制执行该标准，包括批准新建项目许可和执行检查。
该碳化物工业公司在1968年建造了此电石炉装置，根据肯塔基州安全标准，建造施工作业要遵守NFPA86（1950版）要求。NFPA86（1950版）中关于A级烘箱和熔炉的定义与NFPA86（2011版）相似，但包含了一个基于温度的排除条款。NFPA86（1982版）中该排除条款被删除。
3.4 设备布置
1968年，该碳化物工业公司在距离控制室约3.7m远的位置安装了电石炉，2011年，电石炉爆炸事故造成控制室内的2名工作人员因严重烧伤而死亡。事故造成这么严重的后果，原因在于电石炉距离控制室距离过小以及爆炸产生的剧烈冲击、热辐射。电石炉在1982年改造时，国家防火规范和肯塔基州安全标准（4.5.4章节）要求其遵循NFPA86的要求。NFPA 86 烘箱与熔炉标准（2011版）在第5章“位置和建造”中列出了以下要求：熔炉及相关设备的位置，应有利于保护人员和建筑不受火灾和爆炸危害。
但是，NFPA86并没有提供如何确定同一建筑物内占用区域与可能发生火灾、爆炸或超压事件的工艺区之间距离的详细要求。
CSB在调查其他事故时，也多次提出了关于危险工艺选址的问题，包括得克萨斯BP炼油厂爆炸事故、Veolia环境服务公司事故、密西西比州的第一化学品公司事故等。除了CSB以外，API和CCPS也发布了一些关于工艺装置附近建筑物正确选址的指导文件。NFPA规范（例如NFPA30）和其他建筑、防火规范考虑了这方面的问题，但是针对如何确定控制室、实验室、午餐区域或办公室与可能发生火灾或爆炸事故的熔炉、储罐或化学工艺之间的距离，这些标准和规范都没有给出确定的距离或定量计算的方法。
3.5 管理疏忽
工艺安全管理标准（Process Safety ManagementStandard, 29 CFR 1910.119, PSM）是美国职业安全卫生署（OSHA）针对涉及高度危险物质或大量可燃物质的工艺强制执行的管理要求。正如该标准中提到的，PSM的目的是防止有毒的、反应性、可燃的或者爆炸性化学品发生灾难性泄漏或者使泄漏事故的后果最小化。PSM适用范围包括：①使用或生产任何一种属于已列出的137种有毒化学品的工艺，且该有毒化学品超过临界量；②涉及可燃液体或气体的在线量不低于10000pounds（约4536kg）的工艺。
虽然该碳化物工业公司电石炉工艺涉及的化学品量不足以达到OSHAPSM的管理要求，但是，如果该碳化物工业公司执行了PSM标准，PSM的要素（例如事件调查、机械完整性和培训等）可能就能促使企业采取相应的管理要求和程序，从而防止或者降低爆炸事故的后果。
该碳化物工业公司已经制定计划，准备在2011年5月更换电石炉炉盖，但是在爆炸事故发生时新的电石炉炉盖还没有制造完成，尚未安装耐火材料衬里。更重要的是，该碳化物工业公司没有执行机械完整性管理程序，不能确保电石炉炉盖失效前得到及时更换。如果该碳化物工业公司执行了PSM标准，就能够系统地管理电石炉炉盖的维护工作，并预测电石炉炉盖的安全服役寿命。
4. 电石炉超压爆炸事故调查结果总结
（1）电石炉爆炸产生的冲击造成控制室的加固玻璃损坏，并导致2名工作人员因严重烧伤而死亡。
（2）电石炉之前也发生过多次超压事件，造成控制室窗户损坏，但没有造成人员伤亡。
（3）虽然电石炉之前发生过类似超压事件，但是该碳化物工业公司没有认识到控制室需要重新选址的问题，并且需要安装视频摄像头远程监控电石炉的运行状态，从而更好地保护人员安全。
（4）在2011年3月电石炉爆炸事故前的4个月内，该碳化物工业公司签发了26个作业指令，目的是修复电石炉炉盖上的冷却水泄漏问题。尽管持续存在冷却水泄漏的问题，电石炉仍然保持运行。
（5）该碳化物工业公司没有充分重视和处理之前发生的超压事件，使得异常的电石炉超压排气现象被逐渐认为是正常现象。
（6）该碳化物工业公司准备更换电石炉炉盖，但事故发生时新造的电石炉炉盖还未安装耐火材料衬里。
（7）该碳化物工业公司没有建立工艺安全管理程序。
（8）NFPA86针对A级电石炉没有明确具体的安全要求。
5. CSB调查组建议
（1）国家消防协会应成立一个委员会，负责评估和制定相应的标准，针对涉及可燃物料和低氧环境的电石炉明确相应的安全要求。涉及可燃物料的电石炉的安全要求至少应包括：
l 充足的安全仪表和控制系统，防止出现爆炸和超压事件；
l 机械完整性和检查程序；
l 书面的选址分析报告，确保控制室和其他占用区域得到足够保护。
（2）该碳化物工业公司应修改电石炉及相关结构设施（包括控制室）的设计和管理程序，以满足上述NFPA提出的最新要求。
（3）该碳化物工业公司应针对电石炉开展机械完整性管理程序，包括基于定期检查的预防性维修和电石炉炉盖的及时更换。机械完整性管理程序至少应包括泄漏监测、维修和耐火材料衬里磨损等影响因素。
6. 参考文献
[1] CSB Case Study，Carbide Industries, LLC,Louisville, KY Electric Arc Furnace Explosion. No. 2011-05-I-KY.
[2] American PetroleumInstitute (API). Standard RP-752: Management of Hazards Associated WithLocation of Process Plant Buildings. Publication 752. Washington DC, 2009
[3] API. StandardRP-753: Management of Hazards Associated With Location of Process PlantPortable Buildings. Publication 753, Washington, DC, 2007.
[4] Center forChemical Process Safety (CCPS). Guidelines for Facility Siting and Layout,American Institute of Chemical Engineers, Center for Chemical Process SafetyNY, NY. 2003.
[5] U.S. ChemicalSafety and Hazard Investigation Board Investigation Report, DuPont CorporationToxic Chemical Releases in Belle, WV. No. 2010-6-I-WV. 2010.
[6] U.S. ChemicalSafety and Hazard Investigation Board Investigation Report, BP America RefineryExplosion, in Texas City, TX; No. 2005-04-I-TX. 2005.
[7] U.S. ChemicalSafety and Hazard Investigation Board Investigation Report, First Chemical CorporationReactive Chemical Explosion, in Pascagoula, MS; No. 2003-01-I-MS. 2003.