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1CSB经典案例分析—Delaware炼油厂工艺设备维护作业准备过程中闪火事故唐彬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:炼油厂、设备维护、闪火、美国化学品安全与危害调查委员会(CSB)摘要本文结合美国化学品安全与危害调查委员会（CSB）对Delaware炼油厂工艺设备维护作业准备过程中发生的闪火事故的调查，梳理闪火事故发生过程，并从技术和管理角度综合分析、总结Delaware炼油厂工艺设备维护作业准备过程中闪火事故发生的原因和机理，并分享CSB调查组对此次事故的总结与启示。1.事故简介2015年11月29日，周日，Delaware炼化公司的硫酸烷基化装置处发生闪火，一名操作人员面部和颈部二级烧伤，手腕处三级烧伤。事故发生时，操作人员正在进行设备维护作业的准备工作，排除和倒空一个位于两个隔离点之间的储罐。一个单独的切断阀将已净化的储罐与带压、带料的脱丙烷塔（内含烃类化合物）隔离开，操作人员不知道该切断阀在关闭位置发生了泄漏，导致可燃物料从脱丙烷塔发生了回流。当操作人员打开储罐排凝阀，试图排空储罐内的冷凝水（操作人员误以为只是冷凝水）时，脱丙烷塔内的烃类化合物泄漏进入污水系统，并被点燃，发生闪火。2.烷基化装置工艺流程简介炼油厂烷基化装置的工艺原理是，在酸性催化剂（磺酸或者氢氟酸）的作用下，低分子量的碳氢化合物（主要是丙烯和丁烯）与异丁烷反应，转变成更大分子量的具有高辛烷值的侧链烷烃。Delaware炼油厂烷基化装置接收来自焦化装置和催化裂解装置的丁烯物料，包括2套烷基化反应器区域，每套均有2台平行运行的反应器。运行温度越低时，反应生成的烷基化物质量越高。丙烷和多余的异丁烷循环经过反应器，冷却反应过程，然后冷凝，并被输送2回烷基化反应器。少量的丙烷和多余的异丁烷循环物料进入脱丙烷塔，脱丙烷塔通过除去多余的丙烷以维持装置内最佳的丙烷浓度。在进入脱丙烷塔之前，烷基化反应器丙烷物料通过碱洗系统除去微量的二氧化硫，以降低对设备和管线造成的腐蚀风险。此次火灾事故发生在烷基化装置的碱洗部分。如图1所示，碱沉降器中使用碱性氢氧化钠清洗除掉烷基化反应器丙烷物料中的微量二氧化硫，然后溶液被送入一个聚结器，以确保烃类物料进入脱丙烷塔之前混杂的碱和水混合物被除掉。物料中的碱液通过碱沉降器的排凝阀除去，并再循环进入流程中。有时候，废碱液从碱沉降器中提取出来后进入一个骤冷箱，再排入炼油厂火炬系统。图1：脱丙烷塔碱洗系统工艺流程示意图3.闪火事故发生过程3.1事故发生前事故发生的当天，烷基化装置操作人员正在进行设备准备工作，维保部门将在第二天进行施工作业。在设备准备活动的整个过程中，包括事故发生时，烷基化装置一直是由操作人员控制。设备维护活动涉及更换一段位于碱沉降器排凝管线和碱液循环泵之间的管线（如图1所示），长度约6m，该段管线是在一个月之前的例行检查过程中发现的，如图2所示。3图2：长约6m的更换管线维保部门为了更换该段管线，操作人员首先必须有效隔离管线，并排空。本周早些时候，操作人员计划通过关闭碱液排凝阀（位于碱沉降器下游和需要更换的管线上游），如图3所示，从而把碱沉降器与碱液循环泵隔离。然而，在事故发生的四天前，操作人员发现这个碱液排凝阀发生了内漏，所以不能进行有效隔离密封，可能导致阀门在关闭位置时物料泄漏。图3：最初的隔离方案（红色标注）由于这个阀门不能实现有效隔离密封，操作人员不能隔离此段需要更换的管线，所以只能扩大隔离范围，选择位于碱沉降器和聚结器下游的另一个切断阀，这样的话，碱沉降器和聚结器就都包括在隔离范围内。为了大范围的隔离，相应的设备准备活动安排在2015年11月29日，周日。在烷基化装置的周末操作指令里，装置主管记录了发生泄漏的隔离阀，并安排操作人员在周日把碱沉降器停用，以隔离计划在11月30日（周一）更换的管线。除了碱沉降器之外，扩大的隔离方案还需要清空聚结器内的物料，确保需要更换的管线内不存在烃类物料，如图4所示。一名操作人员查找关于如何停用这些设备的操作程序或工作辅助程序，但是不4存在这样的文件，所以白班操作人员制定了关于如何隔离和倒空设备的非正式的操作指令。图4：扩大范围的隔离方案（红色标注）开始作业时，白班操作人员首先关闭了为碱沉降器供料的丙烷泵，切断来自烷基化反应器的丙烷物料，然后向碱沉降器内充满工艺冷凝水（来自0.28MPa的蒸汽系统，一般用于冲洗设备和储罐），向脱丙烷塔方向置换碱沉降器和聚结器内的物料，冷凝水进入下游聚结器。操作人员监控着聚结器下游管线的温度，当温度升高时，表示工艺冷凝水已达到预热器阀门，并置换了碱沉降器和聚结器内的物料。白班操作人员还在碱沉降器上连接了一根氮气软管，辅助置换容器内的烃类物料和其他物料。当白班操作人员确认碱沉降器和聚结器内充满了工艺冷凝水，且容器内物料已被置换到脱丙烷塔中，该操作人员就关闭了脱丙烷塔的入口阀和出口阀，把脱丙烷塔停用。根据Delaware炼油厂称，脱丙烷塔对于烷基化工艺不是关键设备，可以在装置运行过程中停用。作为变更的隔离方案的一部分，脱丙烷塔内存有物料，且处于带压状态。处于关闭状态的聚结器出口阀门的作用是，在整个维护作业的准备过程中将聚结器、碱沉降器与带压、存有物料的脱丙烷塔隔离开。当把碱沉降器、聚结器与脱丙烷塔隔离完成之后，白班操作人员将聚结器和碱沉降器内充斥的一部分冷凝水排到骤冷箱中，把任何残留的烃类物料排放到炼油厂火炬系统中。然后，白班操作人员把容器内剩余的物料直接排入了碱沉降器下面的含油污水系统，并开始进行第二次和最终的冷凝水充装，直到换班。53.2事故发生2015年11月29日，刚过换班时间，夜班操作人员与白班操作人员关于维护准备工作情况进行了沟通，并检查了白班操作人员手写的作业过程列表，同时还确认了哪个设备已经被隔离。夜班操作人员独自进行设备准备任务的下一步工作，把第二次充装的冷凝水从容器内排空。下午6:00左右，夜班操作人员打开排凝阀，继续排空设备，把携带的冷凝水排入含油污水系统。就在他刚打开去含油污水系统的76mm排凝阀时（如图3所示），突然看到一团火焰向他扑来，闪火造成夜班操作人员的面部和颈部二级烧伤，手腕处三级烧伤。他立即离开该区域，并启动了固定式消防设备。事故过程中，在位于碱沉降器下部含油污水排凝点与锅炉之间的泵站的多个100mm含油污水排凝处均出现了火焰，运行中的锅炉位于碱沉降器东面约37m。另外一个操作人员正在烷基化装置区域巡检，发现火灾后与控制室的其他人员一起展开灭火。炼油厂现场应急小组通过隔离燃料源，控制了火灾，燃烧了约1小时。一名烷基化装置操作人员回忆称，主要的火焰源头是碱沉降器（靠近去含油污水系统的排凝处）下面的76mm排凝管线。他关闭了去含油污水系统的排凝阀，隔离了烃类物料，并用灭火器扑灭了碱沉降器引出的13mm排凝管线处的小面积火焰，如图5所示。该操作人员关闭了位于脱丙烷塔上游的预热器阀门，切断了来自脱丙烷塔的烃类物料供应。图5：事故中涉及的排凝管线64.闪火事故分析4.1闪火的起源CSB调查组认为，在维护作业准备活动过程中脱丙烷塔内的烃类物料很可能通过发生泄漏的聚结器100mm出口阀进入了聚结器和碱沉降器中。当晚班操作人员开始将容器内物料排放至含油污水系统时，一个位于碱沉降器东侧约37m的锅炉很可能是引燃烃类物料的点火源，如图6所示。当烷基化装置操作人员扩大隔离范围（包括聚结器和碱沉降器），只关闭了位于脱丙烷塔和计划隔离设备之间的一个阀门。图6：脱丙烷塔碱洗系统和相关设备位置示意图根据后期检测发现，100mm的聚结器出口闸阀上在阀座位置出现了缓慢的泄漏，在设备准备活动过程中可能造成了脱丙烷塔内的烃类物料回流至碱沉降器和聚结器中。根据事故后对控制系统数据分析，也验证了脱丙烷塔出现了回流；通过工艺数据的审查分析，发现在白班操作人员开始向聚结器和碱沉降器内第二次通冷凝水清洗之前，碱沉降器液位计记录显示容器内物料体积出现稍微增长，这说明脱丙烷塔内的物料通过了泄漏的阀门。另外，控制系统数据显示，在第二次冷凝水冲洗前，脱丙烷塔的压力表和液位计读数立刻出现了降低，这说明脱丙烷塔正在把蒸汽压力释放到聚结器和碱沉降器。当夜班操作人员开始从容器内排放冷凝水时，他期望把容器内物料完全排空。然而，从脱丙7烷塔回流回来的烃类液体和蒸汽，还有冷凝水，都流进了含油污水排放系统。烃类蒸汽（大部分是极易燃烧的异丁烷和丙烷），遇到锅炉位置的点火源，形成闪火。4.2非常规作业在进行设备或管线维护作业之前，操作人员通常会采取泄压、排空、清洗和排凝等措施进行设备或管线的准备工作。这些活动经常涉及工艺设备和管线的开口作业，会导致危险能量的释放。虽然设备维护准备活动在工艺装置中发生的相当频繁，但是根据不同设备、管线或多个设备组合等实际情况，涉及的详细作业任务会有所不同，这样的话可能属于非常规作业，没有包含在现有的作业程序中。由于设备准备活动的非常规性质，工艺装置应建立一套完善的系统，确保仔细地制定设备准备活动计划，包括选择正确的隔离方法和通过风险评估识别危险源等。维护作业是非常关键的事故源头，原因并不在于维护作业本身，更多是因为设备维护准备活动。在炼油厂，常规作业包括日常的操作人员活动，例如对工艺设备进行微调，对产品采样确保产品质量等。非常规作业通常会涉及到更高的风险，因此需要特别的重视。Delaware炼油厂操作人员向CSB调查员表述，设备维护准备工作对于操作人员来说很普通。但是，CSB调查组认为，隔离和倒空聚结器和碱沉降器这样的特定工作并不常见。一名操作人员称，最初的隔离方案是比较常见的，因为操作程序和清除碱沉降器内的废碱液的程序相似。扩大范围的隔离方案不是常规作业，而且白班操作人员也不记得事故当天之前是否停用了聚结器和碱沉降器。通过对Delaware炼油厂相关操作程序的审查，CSB调查组认为，Delaware炼油厂缺少如何将运行中的碱沉降器和聚结器停用的特定操作程序，还缺少如何确保设备维护准备工作安全进行的通用操作程序。4.3设备隔离维护准备活动（例如设备排凝）经常会涉及到把停用的设备与带压、存有物料的设备和管线进行有效隔离。通过关闭阀门、增加盲板或物理隔断能量源等措施，能够将管线、设备与工艺流程隔离。关闭阀门是效果最不好的一种措施，因为阀门可能发生内漏，允许有害能量源通过。相比而言，增加盲板阻断管线物料是一种更为安全有效的隔离措施。最有效的措施则8是与危险的能量源物理隔断。Delaware炼油厂依靠一个单独的隔离阀作为脱丙烷塔内烃类物料和计划排空的设备之间的安全隔离，事后发现该隔离阀出现了缓慢内漏情况。Delaware炼油厂称事故发生时这个阀门才安装使用3个月。尽管这个阀门相对较新，单一的隔离阀不足以保证实现脱丙烷塔与聚结器、碱沉降器的有效隔离，阻止脱丙烷塔内烃类物料回流至容器，从而导致在夜班操作人员开始向污油水系统排空容器时形成了可燃环境。Delaware炼油厂在事故发生后对与隔离设备相关的5个切断阀进行了测试，发现在关闭状态时全部出现了泄漏情况。碱沉降器下游的3个排凝阀均存在缓慢的和严重的泄漏现象。泄漏测试结果显示，碱沉降器排凝阀的阀座出现破损或者缺失，聚结器出口较新的100mm阀门在0.83MPa空气压力下阀座都出现了缓慢泄漏。当隔离范围扩大至聚结器和碱沉降器时，Delaware炼油厂单独依靠一个聚结器出口阀门阻止来自脱丙烷塔的烃类物料回流。正确的设备隔离和净化方案首先要进行有效的预计划和危险辨识，必须确保在维护准备活动过程中不受有害能量的影响。选择合适的隔离点，并验证系统内部不存在任何可能造成人员伤害的有害物料或能量，从而达到这种要求的无能量状态。尽管在倒空设备和管线之前经常采用关闭阀门的方式隔离设备，但是企业应避免使用单一切断阀的方式，在设备维护准备时考虑采用更加有效的隔离方法。单一的切断阀应该只能用于隔离低危害的流体，而不能用于隔离含有高压烃类物料的管线。4.4变更管理变更管理（ManagementOfChange,MOC）是针对设备设施、操作运行、人员和活动等方面发生的变化可能带来的风险进行评估和控制的过程