CSB经典案例分析—Formosa塑胶公司液态丙烯泄漏和火灾事故

CSB经典案例分析—Formosa塑胶公司液态丙烯泄漏和火灾事故

唐彬   天津市居安企业管理咨询有限公司

摘要

本文结合美国化学品安全与危害调查委员会（CSB）对Formosa塑胶公司烯烃II装置液态丙烯泄漏和火灾爆炸事故的调查，详细梳理液态丙烯泄漏和火灾爆炸事故的背景、过程及后果，并从技术和管理角度综合分析、总结导致事故的各方面原因，并分享CSB调查组针对此次事故提出的改善建议和措施。

关键词:液态丙烯、泄漏、火灾爆炸、美国化学品安全与危害调查委员会(CSB)

1.   事故简介

2005年10月6日，位于美国德克萨斯州波因特康福特（PointComfort）的Formosa塑胶公司烯烃II装置内，发生碳氢化合物泄漏，随后引发火灾和爆炸事故。当天下午3:05左右，液态丙烯系统上一管式过滤器上的小型排凝阀被一辆叉车牵引的拖车挂住，并被过度拉拽导致排凝阀从管式过滤器上脱离，造成大量液态丙烯泄漏到大气环境中，泄漏的液态丙烯迅速汽化，形成大范围的可燃气云。操作人员立刻开始关停装置操作，并试图隔离泄漏点。他们尝试接近并关闭可以阻止泄漏事件的现场手阀，但是，受到范围不断扩大的可燃气云影响，致使他们必须撤离。同时，控制室操作人员关停了机泵、关闭了控制阀，并将设备内的可燃气体向火炬放空。下午3:07左右，迅速扩散的可燃气云被点燃，发生爆炸（非受限的低速爆燃过程）。爆炸产生的冲击波击倒了数名正从装置撤离的操作人员，现场火灾产生的火焰高达150多米（如图1所示）。事故共造成16名工作人员受伤（其中1人重伤），Formosa塑胶公司烯烃II装置停工5个月。

图1：事故现场图

Formosa塑胶公司配备了一个大型应急响应队伍，包括120名成员和2辆消防车。事故发生后，现场应急响应的策略是防止火灾向附近其他装置蔓延，并尽可能的隔离燃料源。最终，火灾持续燃烧了5天，使用了大约2.6万方的消防水用于冷却储罐和控制火灾。

2. 事故背景

Formosa塑胶公司在美国拥有4家全资的化学品生产子公司，分别位于特拉华城（DelawareCity）、伊利诺斯州（Illiopolis）、巴吞鲁日（BatonRouge）和波因特康福特（PointComfort），主要生产塑料树脂和石化产品。

位于波因特康福特（PointComfort）的Formosa装置1983年开始生产，拥有1400名全职员工和400名承包商，占地约7.3km2。发生火灾和爆炸事故的烯烃II装置是其17套装置中的一套，如图2所示。

图2：Formosa装置全景

烯烃II装置通过一系列工艺流程将石脑油或者天然气衍生原料转化成碳氢化合物的混合物，包括甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯等。然后根据各组分沸点的不同，通过蒸馏塔对混合物进行分离，分离出来的气相一部分被液化并送至储罐储存，其他则作为锅炉的燃料使用，或者再循环至原料中。

烯烃II装置安装了泄压阀，为蒸馏塔、换热器和其他大型容器提供保护，防止出现超压工况。泄压阀泄放时会将油气泄放至火炬系统，实现安全放空燃烧。

3. 液态丙烯泄漏和火灾事故分析
3.1 事故发生过程

CSB调查组根据现场物理证据、电子数据、监控录像和人员访谈等资料，建立了最可信的烯烃II装置液态丙烯泄漏和火灾事故的失效序列，按照时间顺序，各事件描述如下：

l 在一处管廊下方，1名工作人员驾驶一辆叉车（配有拖车）倒车进入两个管廊支柱之间的空地，试图掉头；

l 当该工作人员驾驶叉车前进时，叉车后面的拖车挂在了丙烯管线系统上一管式过滤器上的突出阀门上；

l 拖车将该阀门及其附属管线从管式过滤器上拉拽下来，形成一个直径约48mm的裂口，如图3所示。

图3：事故涉及的阀门及管线

l 高压液态丙烯（约1.49MPa）迅速从破裂口处泄漏出来，一部分快速汽化，形成了一定面积的丙烯液池和快速扩散的可燃蒸汽云团；

l 叉车司机和其他承包商发现泄漏后，立即开始疏散；

l 一名操作人员也发现了正在泄漏的丙烯，立即通知控制室；

l 控制室操作人员通过闭路电视看到了大范围的蒸汽云团，开始关停装置；

l 外操人员试图接近并关闭可以阻止泄漏持续的现场手阀，但是没有成功；

l 外操人员启动了固定式消防炮；

l 控制室操作人员从电动机控制中心关停了相关机泵，并关闭了相关控制阀，降低了泄漏速率；

l 丙烯蒸汽云团被点燃；

l 外操人员撤离装置区域；

l 控制室操作人员宣布进入现场紧急响应；

l 控制室操作人员闻到了丙烯蒸汽的味道，并开始疏散撤离；

l 在管廊架下方和高架结构一侧（支撑着一些容器、换热器和泄压阀）形成了大范围的池火；

l Formosa塑胶公司应急响应队伍到达现场，开始组织抢险应急；

l 事故发生后约30分钟时，高架结构一侧发生坍塌，压倒了应急放空管线；

l 暴露在火灾高温情况下，被压倒的管线和钢结构发生软化，导致多处管线和设备发生破裂；

l Formosa塑胶公司应急响应队伍尽可能的隔离了燃料源，允许已经泄漏出来的油气继续燃烧；

l 事故发生后约5天时，现场火灾被扑灭。

3.2 车辆碰撞保护

此次事故中涉及的丙烯管线位于一处空地处，比较突出，但是没有设置防撞击保护措施，如图4所示。

图4：事故涉及的管式过滤器、阀门及附属管线示意图

Formosa塑胶公司针对装置内车辆行驶和作业设置了管理方面的防护措施，包括装置区域车辆限速、车辆通行证程序和吊车使用程序等。但是，这些管理措施均没有特别明确装置内可能涉及车辆作业的区域和位置。

该套烯烃II装置的设计图纸上针对车辆行驶设计了专用的进出通道，但是在现场装置区域并没有设置明显的标志。此次事故中车辆发生撞击的区域不是设计指定的专用通道，但是该区域比较宽敞，足以实现车辆轻松通过。

关于控制站、管线及其他地面装置设备保护的指导规范中，提到应设置相应的防护措施控制车辆或其他外物的撞击风险。例如，美国机械工程师学会标准ASMEB31.3“工艺管线规范Process Piping Code”中提到，“在管线设计过程中，应考虑到管线外部或内部条件对管线造成的冲击力影响。”

在知名学术期刊（过程工业损失预防Loss Prevention in the ProcessIndustries）中，提到：

l 叉车行驶撞击造成建筑物和装置设备损坏的事故很多，包括工艺设备，管线作业造成的风险尤为突出。

l 在装置布局设计时，应重点关注车辆通行和撞击因素造成的影响。

l 为了预防车辆撞击对装置设备及管线造成的破坏，特别是吊车和叉车，应采取任何必要的预防措施。

工艺装置设计安全（Safety in Process Plant Design(Wells,1980)）针对设备及管线预防车辆撞击保护提供了一个较为详细的安全检查表。

3.3 钢结构防火保护

在火灾持续燃烧过程中，用于支撑泄压阀和应急放空管线的钢结构的一部分发生了坍塌，造成多条管线发生卷曲，很可能堵塞了管线内物料的流通，最终导致关键设备和管线的破裂，释放了更多燃料，加剧了火灾燃烧。

管廊架的4排支柱中的3排均安装了被动防火保护措施（即混凝土覆盖层，位于钢结构表面，用于隔离火灾，降低钢结构失效速率），而用于支撑泄压阀和应急放空管线的支柱没有安装被动防火保护措施，如图5所示。在火灾高温作用下，裸露的钢制支柱发生了弯曲，而具备被动防火保护措施的钢制支柱则仍然保持直立状态，没有发生明显实效。

图5：事故后钢制支柱状态

1996年，Formosa塑胶公司委托英国M.W. Kellogg公司设计了烯烃II装置，当时烯烃II装置相当于烯烃I装置的复制品，完全一样。而烯烃I装置是Formosa塑胶公司委托Kellogg公司在1988年设计的。烯烃I装置和Kellogg公司在1980年代中期卖给另一家公司的乙烯装置基本一致。美国石油学会标准API2218 “石油和化工处理装置防火规范Fireproofing Practices inPetroleum and Petrochemical Processing Plants”(1988年7月)，建议支撑重要管线（例如泄压和火炬管线）的钢制结构应设置防火保护。这个API规范是在Kellogg公司设计烯烃I装置前发布的，但是，Kellogg公司为Formosa塑胶公司提供的设计在后期并没有进行升级，以满足该规范的要求。如果此次事故中涉及的钢制支柱按照API标准设置了防火保护措施，此次事故后果的严重程度很可能要轻的多。

3.4 远程设备隔离

此次事故中泄漏点附近区域的管线及阀门的大概布置情况如图6所示。泄漏点位于C3分离器丙烯产品泵出口管线上的一个手动切断阀和一个远程操作控制阀之间。当位于泄漏位置下游的一个单向阀和远程操作隔离阀阻止了来自产品储罐的丙烯回流时，操作人员已无法靠近那个位于泄漏点上游的现场手阀，不能及时切断来自蒸馏塔的物料。同时，操作人员也无法靠近现场控制站去关停丙烯产品出料泵，他们最终通过位于控制楼内的电动机控制中心关停了丙烯产品出料泵，降低了丙烯产品的泄漏速率。

图6：丙烯产品流程简图

如果在丙烯产品出料泵上游设置了一个远程控制阀，此次事故很可能会在较短时间内（甚至可能在可燃蒸汽云被点燃之前）就得到控制。另外，如果丙烯产品出料泵可以远程进行控制，泄漏发生后通过远程停泵，丙烯流量则可能很快得到降低，从而降低事故后果的严重程度。

装置设计方通常会明确哪些地方应该使用远程操作的隔离阀和设备。Formosa塑胶公司烯烃II装置的设计方（Kellogg公司）针对原料供应和最终产品管线设置了远程控制阀，但是针对装置内存有大量碳氢化合物的设备只设计了现场手阀和手动操作的机泵。

Kletz（1998）和英国健康安全管理局（1999）均建议为存有危险物料的大型容器和塔类设备设置快速隔离功能（例如紧急切断阀）。

3.5 阻燃服

当泄漏的可燃液体和气体可能形成闪火时，阻燃服（Flame resistant clothing，FRC）可以在一定程度上限制火灾对装置内人员造成的烧伤严重程度。此次事故中被烧伤的2名操作人员均没有穿阻燃服。如果他们穿了阻燃服，他们的烧伤可能就会轻一些。

美国职业安全与卫生管理局（OSHA）颁布的个人防护设备标准（29 CFR 1910.132），要求企业通过进行风险评估，确定适用于所有工作场所危害的防护设备。其中包括防护服（例如阻燃服，适用于存在潜在火灾的情况）。

美国消防协会（NFPA）建议，在确定阻燃服需求时，应考虑以下方面：

l  工作场所靠近可能发生闪火的区域；

l  机械失效（例如管线破裂）可能导致可燃物料泄漏；

l  工作环境中可能存在可燃蒸汽；

l  具备相应的工程控制措施，设计目的是减少人员暴露于可燃物料环境；

l  类似事故历史。

Formosa塑胶公司发生过两起事件，事件中怀疑静电是点燃泄漏的碳氢化合物的点火源，之后Formosa塑胶公司对阻燃服的必要性进行了评估，决定要求特定的高风险作业必须穿阻燃服，但是没有要求烯烃II装置的操作人员穿阻燃服，除了应急响应过程中人员。

3.6 工艺危害分析

Formosa塑胶公司在烯烃II装置投产之前，进行了一系列的风险评估活动，包括危险与可操作性分析（HAZOP）、设备选址分析和开车前安全审查（PSSR）。

（1）车辆碰撞保护

Formosa塑胶公司在进行设备选址分析和PSSR过程中，都考虑到了如何预防设备受到车辆碰撞造成的破坏。PSSR是在烯烃II装置开车前识别潜在安全问题的过程，只关注了如何保护应急设备（例如消防设备）。PSSR小组已证实，应急设备周围安装了防车辆碰撞的保护措施，但是没有考虑特定的工艺设备。

在设备选址分析过程中，风险分析小组讨论了如何发生车辆（例如叉车、吊车、乘用升降机）撞击工艺管线的后果，他们认为：车辆撞击的后果级别为“严重”，而车辆撞击工艺管线的发生频率级别为“很低”（即20年内不会发生），综合风险级别为“低”。因此，风险分析小组认为现有的行政管理措施是足够的，没有推荐额外的车辆碰撞保护措施。

消防设备的物理保护措施与工艺管线及其他设备的行政管理措施之间的对比和区别是很明显的，如图7所示。

图7：消防设备防碰撞保护和此次事故中车辆撞击位置情况

（2）远程设备隔离

大容积设备、高拥挤度布局情况下设备失效泄漏可能造成灾难性的后果，而远程操作隔离阀的合理使用能够有效降低事故后果，在短时间内快速控制事故发展。因此，企业在进行风险审查过程中也应重点考虑这一方面。

Formosa塑胶公司在风险分析时考虑了微小泄漏事件的隔离工况，并认为操作人员可以通过现场阀门实现微小泄漏的隔离。但是，从书面风险分析记录来看，他们没有考虑装置内潜在的灾难性泄漏工况，也没有考虑事故情况下现场隔离阀是否能够靠近，以及是否有必要安装远程操作的隔离装置。

4. 事故启示

（1）风险审查

虽然Formosa塑胶公司在烯烃II装置开车前进行了预先危险性分析、工艺危害分析、设备选址分析和PSSR，但是这些审查过程都没有完全有效处理特定工艺设备的防车辆碰撞保护问题和使用远程控制阀控制灾难性泄漏事件的风险。

因此，在进行风险分析、设备选址分析或PSSR时，应考虑防车辆碰撞的保护措施和灾难性泄漏事件的远程隔离问题。

（2）阻燃服

Formosa塑胶公司以前发生过碳氢化合物泄漏导致的闪火事故，并对阻燃服的使用进行了评估。但是，Formosa塑胶公司没有要求在装置内工作的操作人员穿阻燃服，即使大量的可燃液体和气体存量可能造成操作人员受到闪火烧伤的伤害。

因此，针对涉及大量可燃液体和气体的工艺装置，机械失效可能导致可燃物料泄漏及闪火事故的发生，造成工作人员伤亡。阻燃服的使用可以限制装置内工作人员受到火灾伤害的严重程度。

（3）现行标准的使用

从1980年代中期至2000年，Kellogg公司把Formosa塑胶公司使用的装置设计工艺包卖给了多家客户。但是，这一设计一直没有进行升级、更新，以引入关于支撑关键安全系统的钢结构防火保护方面的最新推荐做法。

因此，在设计和建造化学或石化工艺装置时，应对现行公认安全标准的适用性和应用进行评估，包括早期设计应用于新装置时的审查和更新升级。

（4）关于国内（中国）目前PHA工作的思考

目前，国内的工艺危害分析（PHA）主要关注HAZOP分析，而且所做的HAZOP只分析PI&D图纸和相关的控制、联锁逻辑，而对于人因失误、装置定点等因素均没有特殊考虑，因此，为了更加全面的识别风险，不断地完善国内的PHA体系和技术，建议国内的PHA分析应在HAZOP的基础上，增加人因失误与设施定点分析的内容。

5. CSB调查组建议

（1）Formosa塑胶公司应对其工艺危害分析和PSSR方面的政策和程序进行修订，以更全面地评估车辆碰撞危害、被动防火保护和灾难性泄漏风险。

（2）Formosa塑胶公司应要求装置内存在闪火风险的区域内的工作人员穿阻燃服。

（3）设计方（Kellogg公司）应将本报告的结论和建议向其工艺装置设计工程师进行传达和沟通，强调设计和建造石化工艺装置时使用现行公认安全标准的重要性，包括早期设计应用于新装置。

（4）设计方应对其石化工艺装置的设计程序进行修订，确保新设计使用现行安全标准，并考虑早期设计重复应用于新装置时的问题。

（5）美国化工过程安全中心（CCPS）应把关于车辆碰撞保护和远程设备隔离的指导规范引入到下一版本的《风险评估程序指南Guidelines for HazardEvaluation Procedures》中。

6. 参考文献

[1]    American PetroleumInstitute (API), 1998. Fireproofing Practices in Petroleum and PetrochemicalProcessing Plants, Publication 2218, Washington, DC: API.

[2]    American Society ofMechanical Engineers (ASME), 2004. Process Piping Code, New York, NY: ASME.

[3]   Center forChemical Process Safety (CCPS), 1993. Guidelines for Engineering Design for ProcessSafety, New York, NY: American Institute of Chemical Engineers (AIChE).

[4]   Health &Safety Executive (HSE), 1999. Emergency Isolation of Process Plant in theChemical Industry, Chemicals Sheet No. 2, London, U.K.: HSE.

[5]   Lees, F. P., 2001.Loss Prevention in the Process Industries, Oxford, U.K.: Butterworth-Heinemann.

[6]   Wells, G. L.,1980, Safety in Process Plant Design, London, U.K.: George Godwin Limited.

[7]   OccupationalSafety and Health Administration (OSHA), 1998. Standard Interpretations: FireRetardant PPE Requirements and PPE Hazard Assessment, March 27, 1998, OSHA.

安全不容忽视呀，目前国内石油化工厂有些还没有意识到