英国溶解乙炔气瓶爆炸事故

菲尔·胡克 约翰·霍奇斯｜文 郁振山｜编译

2010年1月7日14时30分，英国某溶解乙炔装瓶工厂中，员工在充气设备前作业时1个气瓶发生爆炸。爆炸引发了乙炔泄漏，将火引至充气设备，燃烧了8天才熄灭。事故导致1名员工烧伤和严重外部创伤，另外2名员工出现暂时性听力损失。

该工厂建于上世纪20年代，当时属于偏远地带。之后该地的商业快速发展，人员逐渐聚集。考虑到其他气瓶的潜在爆炸风险，应急人员划定了严格的疏散区，维持了数天后才解除疏散区限制。事后，当地商业贸易遭遇严重影响，附近1条铁路干线的重要站点也被关停。

气瓶爆炸后，消防人员在工厂内放置了视频摄像机，拍摄到了工厂的火势（图1），并通过火苗的长度计算了乙炔的泄漏情况。再考虑到建筑的通风，应急人员由此做出了安全的决策，让乙炔排放到大气中并关闭了所有阀门，防止更多的气体泄漏。

事故只对工厂造成了直接影响，具体来说就是乙炔压缩机和充气设备所在区域。事发时，现场有800多个装满的气瓶，有的直接与充气设备相连，有的排列在周围，此外还有600多个空瓶。当时，整个工厂至少有4 000多个不同大小溶解乙炔气瓶，其中3 000多个是充满的。

爆炸的气瓶撕裂成3块，残片飞到不同的地方（见图2和图3）。最大的一块是气瓶的上半部。由于爆炸的冲击，该部分被喷射到8 m外的2个充气排之间。气瓶的中间部分飞到附近的充气排上，击中并损坏了3个气瓶。底部则越过最近的充气排，击中了其他充气排上的气瓶。

图1 事故气瓶爆炸瞬间引发的火苗

事故调查

事故调查由英国职业健康安全执行局（HSE）负责，22名专家参与其中，收集到44份目击报告和2 000余项证据。

气罐缺陷

调查人员对残片测量后发现，气瓶残片最薄处为4.1 mm，低于规定最低厚度的4.76 mm。当气瓶的工作压力为1 700 kPa时会产生42 MPa的环向应力。考虑到材料的拉伸性，当工作压力达到2.6万 kPa时，气瓶就会出现破裂；而气罐内乙炔分解时就能够产生这样的压力。

阀门故障

阀门生产于2005年，属于主轴设计，阀口朝上。主轴在螺纹的作用下转动，并通过软垫与阀口形成密封。对阀门进行射线拍照后发现，内部主轴出现颗粒状的破损，破损痕迹与应力腐蚀开裂相同，并非由老化导致。内部主轴的故障来自于软垫，阀门关闭后该区域可能产生了非常大的力，或许因为软垫吸水后膨胀导致。最终，压力超过了应力腐蚀开裂的极限。

图2 事故后气瓶形成的3块残片

图3 气瓶残片的轨迹（颜色与图2对应）

乙炔的特性

乙炔气体极不稳定，能剧烈分解。没有氧气源时也可被点燃。本次事故乙炔分解有几个不同潜在机制，但都与气瓶的阀门有关（本次事故中阀门处于关闭状态）。比如摩擦、气体压力导致爆破片碎裂后形成的冲击波、气体从瓶口突然排出、机械力冲击、静电、乙炔亚铜的分解等。无论是单独出现还是集体作用，都能形成热点，引燃乙炔。

如同上文所述，乙炔的分解很可能与阀门缺陷有关。缺陷源于阀门的脱锌腐蚀，形成了乙炔亚铜。1 μg的乙炔亚铜分解时就能在1 000 kPa的压力下引燃乙炔。

由于乙炔不稳定，通常以溶解乙炔的形式供给用户。乙炔溶解在溶液中，本次事故中的溶液为丙酮，气瓶内还装有疏松多孔结构的物质。它们构成了一个稳定系统，如果气瓶的机械性能完善，就不会爆炸。稳定系统的有效性取决于乙炔和丙酮溶液的比率，并保证多孔结构的物质没有任何损坏。

乙炔和丙酮的比例

乙炔和溶液的正确比率是避免乙炔在气瓶内分解的关键。事故气瓶的安全操作区如图4所示。安全操作区是“逆火线”和“f65=0线”所包围的区域。逆火线代表的是气瓶能够应对标准逆火检测的极限。标准逆火检测就是在气瓶内充入一定量丙酮溶液，再充入105%的乙炔（最高比例），经过多次检验测量出气瓶不故障的极限。溶液和多孔物质能够抑制乙炔分解，因此“f65=0线”就代表着气瓶能够应对乙炔和溶液混合物在15℃～65℃范内气体膨胀的极限。

从图4中可看出随着乙炔与丙酮增加的升高，最终会超过极限，导致逆火测试失败。另外，丙酮和乙炔任何一个超出微小的剂量就会导致事故。

现场还发现2个故障温度计。气瓶内乙炔含量的计算方法，适用于5℃的情况。温度计的误差太大导致乙炔含量计算错误。

多孔结构的物质

另外一个重要问题是气瓶内多孔结构物质的管理。事发时，爆炸的气瓶已经使用了75年，并且多孔物曾被倒置过。这种物质一般通过瓶口进行目视检查，每5年1次。很明显，这种检查只能看到物质的上部，因此没有发现多孔炭存在的完整性问题。事后，人们使用另一种方法对相似气瓶进行检查，发现每6个气瓶中就有1个存在多孔物质老化问题。

图4 事故气瓶的安全操作区

人为失误

此工厂事关生命安全的关键操作高度依赖员工的干预，但没有进行任何人为失误识别和分析。工厂的内部调查报告显示，事故原因之一是人为因素的评估不足。

许多行为都会导致乙炔与丙酮的比率错误，如读数错误。另外，作业人员的工作负荷较高，也会导致其违反作业流程。由于大火销毁了大量证据，无法证明在气体测量和充气过程中一定出现了哪些人为失误。

总之，阀门设计引发了一系列的故障，导致了爆炸事故。气瓶内多孔结构物质的完整性评估存在缺陷，尤其是在气瓶老化的情况下。另外，乙炔对丙酮的比率计算错误。作业过程过度依赖操作员的干预，但没有考虑到人为失误的因素。

事后，工厂替换了气瓶的所有阀门；停止使用含炭的气瓶；停止在事发区域开展任何作业；新建了1个溶解乙炔自动充气工厂。

事故教训

设计

事故报告强调了高风险工厂需要具备设计审查过程。事发后，工厂阀门的设计得到了改进，比如改变了阀门口的位置，阀门软垫的形状和阀门材料。

过程控制

工厂应该全面考虑事关生命安全的关键操作及其潜在影响、控制措施的准确性、潜在的连续失误。除非送回的气罐在充气前已经完全不存在乙炔，否则乙炔与溶液的比率计算会出现严重错误。开展对安全要求较高的作业时，要注意避免连续性失误的问题。本次事故中，气罐的测量和充气存在许多错误，如设备测量不精准。

老化工厂的管理

工厂或设备老化会导致失控风险升高，因此行业要了解乙炔气罐的设计寿命、使用寿命到期时的参数、如何识别报废的气罐。

为了有效管理老化资产，包括可移动资产，经营人员应该确保工厂的安全文化支持老化设备和所有故障的上报和记录；开展设备的“合格服务”评估，期间要考虑到设备的设计用途和正常使用情况；确定一套非破坏性检验的方法，含有炭的乙炔气瓶至少每5年检查1次；使用定期检验和部分样品的破坏性检验相结合的方法。

人为失误

人为失误是事故的常见原因。尽管人们已普遍意识到人为失误的后果，但很少会主动识别潜在的人为失误问题。因此，经营者应对关乎生命安全的作业任务开展“人为失误识别与分析”（HEIA）。就本次事故而言，应该经过风险分析的作业任务包括气罐回收和充气。

事故调查的资料管理

本次事故调查有许多专家参与，收集到了大量材料。另外，调查材料的存放地点不一，不便于管理。本次事故后，HSE意识到他们需要一个全新的证据管理工具。2015年，HSE发布了“材料与证据管理工具”（HEMT），它是按照HSE的需要专门制作的。所有调查期间收集的材料和信息都能通过该平台获取。该工具还包含“证据矩阵图”，能让监管人员直观地看到违法信息，也有助于完善HSE法规。