加入五千万化工人社群
您需要 登录 才可以下载或查看，没有账号？注册
x
CSB经典案例分析—Allied终端液体肥料储罐灾难性破裂事故 唐彬 1 天津市居安企业管理咨询有限公司 何琛2 上海于睿商务咨询有限公司 关键词:终端、液体肥料、储罐、破裂、CSB 摘要 本文结合美国化学品安全与危害调查委员会（CSB）对Allied终端公司液体肥料储罐灾难性破裂事故的调查，梳理事故发展过程，并从技术和管理角度深刻分析总结液体肥料储罐破裂事故发生的原因和机理，以及CSB调查组提出的针对性建议和措施。 1. 事故简介2008年11月12日下午约2:20，位于美国弗吉尼亚州Chesapeake的Allied终端公司的一个额定容量约7570m3的液体肥料储罐发生灾难性失效，储罐垂直方向裂开（如图1所示），近乎瞬间释放了大量液体肥料。储罐坍塌破裂时，一名焊工和其助手正在储罐的另一侧作业，由于储罐破裂并浸入液体肥料中，2名工作人员均受到严重伤害。液体肥料几秒钟内迅速漫过了储罐周围设置的二级围堰，涌入街道，阻断了邻近商业设施的100多名员工的出口，Chesapeake消防部门紧急疏散了附近社区的43户居民。此次事故中，至少有757m3的液体肥料没有成功回收，部分液体肥料流入了Elizabeth河分支。 图1：破裂储罐区域 2. Allied终端2.1公司简介Allied终端是一个小型私营化学品储存公司，总部位于美国弗吉尼亚州，在Norfolk和Chesapeake经营液体肥料终端。Chesapeake终端毗邻Elizabeth河流南分支，主要为客户提供石油产品和液体肥料的储存和输送，物料通常由船舶和管线运来，通过驳船、铁路和槽车运走。终端内含有从BP石油公司、康菲石油公司等收购来的设施和储罐，Banks街北侧布置了10个肥料储罐，包括201储罐，如图2所示。 图2：Chesapeake终端全景 2.2 液体肥料Allied终端公司储存的液体肥料是尿素**溶液，含有32%的氮，也称作UAN 32，是一种不可燃的、稳定的盐溶液，具有轻微腐蚀性，透明液体，有氨气味，密度较重，约1320kg/m3。美国环境保护署EPA没有把UAN 32肥料作为登记化学品管理。 3. 地上储罐标准3.1 美国石油协会API美国石油协会（American Petroleum Institute，API）是一个非营利性国家行业协会，包括400个代表石油和天然气行业分支的企业会员，分别从事石油勘探和生产、运输、炼油和销售。API制定了500多个标准和推荐规范，其中许多已经并入了国家和联邦法规中。 API 650Welded Steel Tanks for Oil Storage（钢制焊接石油储罐）最早发布于1961年，提出了用于储存石油、石油产品和其他液体的立式的、圆柱形的地上钢制储罐的材料、设计、制造、建造和测试等的最低要求。尽管该标准是基于石油行业建立的，API 650还广泛适用于危险和非危险液体物料的储存。美国有几个州在制定关于危险和非危险液体物料（包括液体肥料）的管理规定时引用了API 650。 API 653Tank Inspection, Repair, Alteration, and Reconstruction（储罐检验、维修、改造和重建）包括了适用于立式的、圆柱形的、地上的、钢制储罐检验、维修、改造和重建的相关标准。与API 650相似，API 653也得到广泛应用，并被引用到相关储罐管理规定中。 API 579-1/ASME FFS-1, Fitness-For-Service（合于使用评估）,涵盖了评估受损或退化部件完整性并预测其剩余寿命的实施程序，并提供了如何评估缺陷（包括但不限于常规/局部腐蚀、焊缝偏差、外壳扭曲和裂纹类缺陷）的技术方法。 3.2肥料协会TFI肥料协会（Fertilizer Institute，TFI）总部位于美国华盛顿，是一个代表肥料行业的全国性组织，1969年由两个组织合并而成。TFI成员包括肥料行业中的生产商、运输商、经销商、零售商等。TFI代表成员利益进行研究，收集数据，并通过研讨会和简报等为成员提供相关信息。TFI会员包括全部的国内生产商、许多国内大型零售商和几个国际性肥料生产商。 受1990~2000年间几次灾难性储罐失效事故的影响，TFI在2001年发布了Aboveground Storage Tanks of Liquid Fertilizer, Recommended Inspection Guidelines（液体肥料地上储罐的推荐检验规范），该规范引用了API 650和API 653，并增加了针对肥料储存的特定要求。执行此规范是自愿性的，目前没有国家和联邦法规强制要求。 4.Allied终端液体肥料储罐破裂事故发生过程4.1 事故发生前2008年11月12日Allied终端储罐灾难性破裂事故发生之前，重要事件如下： l 约1929年—Chesapeake地区的Rosemont街尽头建造了一座容积约7570m3的铆接结构石油储罐（201储罐）； l 2000年下半年—Allied协商购买一个空置的石油储罐终端（包括201储罐）； l 2000年12月12日—Allied与AEC工程技术公司（储罐工程设计和检测公司）签订技术服务合同，AEC负责对空置终端内的储罐进行检测； l 2001年1月—Allied计划在201储罐内储存液体肥料，AEC对201储罐进行了检测，提交的初步报告中指出最大液位高度为5.7m； l 2001年2月—Allied终止了与AEC的合同，AEC没有提交关于201储罐的最终检测报告； l 2001年至2006年—Allied在201储罐内储存液体肥料。Allied没有关于这段时间内201储罐最大液位高度（安全充装高度）的记录或文件； l 2006年10月—Allied委托G&T公司对201储罐进行改造，采用对焊接头代替储罐垂直方向上的铆钉接头，目的是提高接头强度，增加允许的最大液位高度，从而在201储罐内储存更多肥料； l 2007年1月3日—G&T公司对201储罐改造期间，HMT检测公司根据API 653对201储罐进行了停用检测，计算出的安全充装高度为7.8m； l 2007年9月18日—HMT根据Allied提供的2001年4月进行的冶金测试报告，重新计算201储罐的安全充装高度为8.2m； l 2008年1月18日—Allied对201储罐进行强度试验，最终充装高度为6.8m； l 2008年1月至2008年11月—201储罐用于储存液体肥料，Allied报告称这段时间内201储罐平均充装高度约1.5m。 4.2 事故发生2008年11月11日，星期二，在对201储罐外壁涂漆作业前，Allied开始向储罐内充装液体肥料，试图找到并修复储罐外表面上形成的铆钉漏点。11月12日，星期三，下午约2:00，Allied正在继续充装201储罐至液位高度约7.9m~8.2m，G&T公司的1名焊工及其助手开始对发现的铆钉漏点进行密封处理。焊工站在离地面约4.6m高的载人梯子上作业，助手位于附近的地面上。 下午约2:20，201储罐液位达到8.1m时，在2名作业人员另一侧的储罐外壳中部位置突然出现垂直方向裂缝，并迅速扩展到储罐底部和顶部。储罐内液体肥料形成的高压导致裂缝扩大，最终导致储罐外壳从底部和顶部直接分裂（如图3所示），储罐内部液体肥料迅速泄漏。
图3：破裂的201储罐 坍塌的储罐外壳碰撞载人梯子，造成焊工严重受伤。同时储罐斜梯从储罐上脱落，刺伤地面上的助手。2名工作人员均短时间浸没在液体肥料中，附近工厂人员目睹了事故经过，并迅速救出2名受伤人员。 液体肥料漫过二级围堰，造成一间设备维修厂房破坏，并导致附近社区大范围疏散。根据美国环境保护署估算，事故后的清理过程中至少有757m3液体肥料没有成功回收，下落不明，一部分流入了距离事故储罐约300m的Elizabeth河。 4.3事故发生后根据事故发生后对201储罐的外观检查，发现储罐上存在有缺陷的焊接点，很可能是导致储罐失效破裂的直接原因，另外202、205和209储罐（与201储罐相似，都做过焊接改造）都存在大量与破裂储罐残片上相似的焊接缺陷，包括过小焊缝、气泡形成的孔隙、焊接材料不足等。 （1）CSB调查组紧急建议 由于202、205和209储罐存在坍塌的可能性，导致巨大财产损失和公众伤亡的风险不可接受，CSB调查组在2008年12月8日向Allied提出如下紧迫的安全建议： l 立即采取措施降低Allied终端202、205和209储罐灾难性失效的风险，包括但不限于基于可靠的工程设计原则有效降低储罐最大液位高度（安全充装高度），并向Chesapeake**机构报告所采取的行动和措施。 l 选择并委托一个有资质的、独立的储罐工程公司对202、205和209储罐进行评估，确定是否适合继续使用。储罐评估应基于被认可的、广泛接受的良好工程规范进行，例如API 653 Tank Inspection, Repair, Alteration, and Reconstruction和API 579 Fitness-For-Service。 l 30天内，向Chesapeake**机构提交储罐工程公司准备的储罐评估报告，还有针对所有识别出来的缺陷所制定的详细行动方案和计划。 （2）储罐评估 根据CSB调查组提出的紧急建议，Allied委托Thielsch工程公司对202、205和209储罐上的垂直焊缝进行了综合评估，Thielsch工程公司使用了外观检查和无损检测等方法。对于209储罐，检测发现嵌入板垂直方向上的对焊接头位置存在高达75%的未焊透区域。基于检测结果，Thielsch工程公司计算出209储罐储存液体肥料的最大液位高度是3.1m，远远小于2007年9月HMT公司计算的最大液位高度9.8m。 202和205储罐进行的合于使用检测也发现了严重的焊缝未焊透问题，Thielsch工程公司建议有效减小这些储罐的最大液位高度。 5. Allied终端液体肥料储罐破裂事故分析5.1 201储罐201储罐最初设计和建造于1929年，用于储存石油产品，直径约35m，高约9m。储罐外壳由大量互相覆盖的铆接板组成，每一块铆接板高约1.8m，长约4.3m。铆接板首尾互相连接形成6个环形路径，堆叠在一起组成储罐外壳。储罐环形路径水平方向上都是单排铆钉，而储罐底部两组环形路径上的铆接板端垂直方向上是三排铆钉，储罐上部四组环形路径上的铆接板端垂直方向上是两排铆钉，如图4所示。储罐底部和圆锥形顶部使用的是重叠的焊接板。Allied收购该设施之前，201储罐内部增加了一个储罐底板。
图4：改造前201储罐设计方案 5.2储罐改造201储罐原设计是用于储存密度约719kg/m3的石油产品，而201储罐现在储存的液体肥料UAN 32密度约1320kg/m3。为了提高储罐的可用容量，根据API 653的要求，Allied委托G&T公司拆除储罐上约0.46m宽的外壁板（包括垂直方向上的铆钉接合点），替换为对接焊接式板（对接焊接点强度能够达到和材料本身一样，铆钉接合点通常相对较弱），如图5所示。Allied改造201储罐的目的是提高储罐接合点强度，增加储罐允许的最大液位高度，并委托G&T公司对相似的3个储罐（202、205、209）进行了相同的改造。Allied对201、202、205和209储罐的改造，没有按照API 653的要求得到有资质的检查员或有储罐设计经验的工程师的认可。
图5：201储罐改造设计 API 653要求焊接工艺和焊工应通过正式的性能试验的认可，符合ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section IX: Welding And BrazingQualifications（美国机械工程师协会锅炉和压力容器规范第九部分：焊接和钎焊资质要求）的要求。API 653还要求，当钢材类型不确定时，应对服役储罐采用的钢材的焊接性能进行验证，焊接性能测试涉及从储罐上取得焊接样品，并对其进行机械强度测试。Allied和G&T都没有准备符合这些要求的合格的焊接程序。另外，虽然G&T公司的一些焊工之前有资格焊接相似的材料，但没有人有资格焊接201储罐钢材。 改造完成后，Allied委托一个无损检测公司采用局部射线照射技术检查储罐焊缝缺陷，但是只对202和209储罐下部的两组环形路径进行了相应检测，并发现了多个焊接缺陷（根据文件记录，不确定这些焊缝缺陷是否都得到了修复）。202和209储罐上部环形路径以及201、205储罐整体在重新投入使用前都没有进行射线检测。 5.3储罐检测评估Allied委托AEC和HMT公司对其肥料储罐进行API 653停用检测评估，通常包括腐蚀和退化问题的内外部目视检查、测量罐顶/罐底/外壁厚度和计算最大液位高度。储罐检查员基于以下因素计算最大液位高度： l 最小的测量壁厚； l 材质类型； l 接合点设计（焊接或铆接）； l 焊缝检查范围（全部、局部或非射线技术）。 在Allied委托G&T公司采用对接焊接板代替垂直方向铆接接合点方式实施改造前，AEC公司在2000年底和2001年初对储罐进行了检测评估，作为评估的一部分，AEC公司基于API 653关于不确定材料类型采用铆接结构的规定，根据储罐最底部环形路径上的最小测量壁厚确定了储罐的最大液位高度。 HMT公司在2004年至2007年对储罐进行了检测，基于API 653关于不确定材料类型采用对接焊接垂直接合点的局部射线照射的要求，根据储罐最底部环形路径上的平均测量壁厚计算了201、202、205和209储罐的安全充装高度。2007年9月，检测评估报告发布后，HMT公司根据从各储罐上获得的材料样品的测试结果（化学组分和机械强度测试），选择了一种已知材料类型重新计算，增加了201、202和209储罐的安全充装高度。表1为计算得到的最大液位高度汇总表。 表1：计算的最大液位高度 HMT公司使用从各储罐上获得的单一样品得到的测试结果，不足以代表储罐整体的材料类型。API 653的7.3章节“Original Materials for Reconstructed Tanks”（重建储罐的原始材料）中，描述了基于采用试验结果建立未知材料性能参数的方法和要求，方法要求对每一块板材进行取样和测试。对于201储罐，要求试验样品多达150多个。另外，HMT公司采用平均测量壁厚计算201储罐的最大液位高度大于实际允许的最大液位高度。如果HMT公司采用板材的最小测量壁厚（12.3mm），计算得到的最大液位高度比储罐失效时的液位高度小约38.1mm。 5.4 201储罐失效替代垂直方向上铆接接合点的板材焊缝的失效原因是焊接点不满足关于储罐建造的广泛可接受的行业质量标准，如图6所示，焊接点没有穿透板材的全部壁厚。此外，焊接点还存在缺陷—孔隙（焊缝中气泡形成的孔洞）和焊接材料不足问题，导致焊接点强度严重降低。如果按照API 653要求对焊接点进行射线照射检查，这些焊接点缺陷很可能被发现并得到修复 图6：储罐焊接点缺陷 5.5 Allied安全作业规范API 653的5.2.2节讨论了水压试验或第一次充装过程中的储罐失效问题，指出储罐在第一次充装至最大液位高度过程中更可能失效。Allied针对储罐建造或重大改造完成后储罐上作业和储罐周围作业没有制定相应的安全程序和策略。在201储罐第一次充装至计算的安全充装高度过程中，Allied安排G&T公司人员密封正在泄漏的铆钉漏点，储罐坍塌时两名G&T公司人员受伤。 5.6 类似事故除了Allied公司储罐失效破裂事故，CSB调查组还找到了1995年~2008年9个设施发生的16起储罐失效案例，共导致1人死亡，4人住院治疗，1个社区疏散，2起泄漏事件物料进入河流。其中，11起储罐失效事故都是由缺陷焊缝导致的。详细情况如表2所示。 表2：储罐失效事故统计 日期 | | | | | | | | | | | | | | | 3700m3肥料储罐破裂，并联锁导致2个其他储罐失效 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | Wilmington, North Carolina | | | | | | | | | | 社区疏散，2人住院治疗，物料进入Elizabeth河 | | | | 储罐灾难性失效造成1800m3物料泄漏，并联锁导致2个小型储罐失效 | | |
5.7分析总结虽然Allied公司文件要求201储罐改造和检测过程中应用API 653，但是仍有一些关键要求不满足，包括（但不限于）： l Allied公司对201储罐的改造没有得到有资质的检查员或有储罐设计经验的工程师的认可； l G&T公司没有按照ASME Boiler and Pressure Vessel Code Section IX: Welding And Brazing Qualifications（锅炉和压力容器规范第九部分：焊接和钎焊资质要求）的要求，采用符合要求的焊接程序和焊工实施改造； l Allied公司对201储罐没有要求或实施局部射线照射检查（API 653声明储罐的所有者/经营者负有确保各项要求（包括射线检查）得到满足的最终责任）； l HMT公司根据焊接结合点（经过局部射线检查）的要求计算了201储罐的最大液位高度； l HMT公司基于平均测量壁厚（而不是最小测量壁厚）计算了201储罐的最大液位高度。 6. CSB调查组建议（1）建议Allied公司委托有资质的、独立的审查员验证Norfolk和Chesapeake终端内所有储罐的最大液位高度是否满足API 653 Tank Inspection, Repair, Alteration, and Reconstruction（储罐检验、维修、改造和重建）的要求。最低要求，审查应验证关于焊接、焊缝检测、在役/停用储罐检测的所有要求是否满足。并把完整的终端储罐审查报告提交给有关组织和机构。 （2）建议Allied针对储罐重大改造或服务变更后初始充装作业，建立并执行相应的工作人员安全操作程序，至少应要求储罐初始充装过程中所有人员撤离到二级围堰以外区域。 （3）建议HMT检测公司执行肥料协会TFI的检测指导规范，作为储罐检测人员培训和肥料储罐检测程序的内容。 （4）建议HMT检测公司修订公司程序，要求储罐检测人员核实作为计算最大液位高度要求的射线检测是否得到实施。 （5）肥料协会TFI应正式建议所有的会员企业把肥料协会储罐检测指导规范引用到终端的液体肥料储存承包合同中。 7. 参考文献[1] CSB INVESTIGATION REPORT，ALLIED TERMINALS, INC.– CATASTROPHIC TANKCOLLAPSE.REPORT NO. 2009-03-I-VA; [2] American Petroleum Institute (API), 2008. Tank Inspection, Repair, Alteration, and Reconstruction, API653, 3rd edition, Addendum 3.; [3] American Society of Mechanical Engineers (ASME), 2004. Boiler and Pressure Vessel Code, SectionIX: Welding and Brazing Qualifications； [4] American Petroleum Institute (API), 2007. Welded Steel Tanks for Oil Storage, API 650, 11th edition.；
| 
简体中文
繁體中文
English
日本語
Deutsch
한국 사람
بالعربية
TÜRKÇE
português
คนไทย
Français
Español
العربية
Persian
已绑手机 
提升你的主题卡
24小时置顶卡
变色卡
千斤顶
