美国德瑞德造纸厂非冷凝气体爆炸事故

王宇航｜编译

2017年2月8日 约11∶05分，位于路易斯安那州的美国包装 公 司（Packaging Corporation of America）德瑞德造纸厂（DeRidder Paper Mill），一个污冷凝水罐发生爆炸，造成3人死亡，7人受伤，死伤人员都是承包商员工；爆炸还对周围的生产工艺造成了严重破坏。美国化学品安全与危害调查委员会（简称CSB）认为，事故原因是空气进入污冷凝水罐后与易燃松节油蒸气混合，在罐内形成爆炸性气体，引发爆炸的火源可能来自水罐上方的焊接作业。基于调查的结果，CSB编制并颁布了制浆造纸业安全指南，并向美国包装公司提出了安全改进建议。

事故背景及过程

美国包装公司德瑞德造纸厂

美国包装公司总部位于伊利诺伊州森林湖，现雇员约1.4万人。2017年2月8日（事发当天），美国包装公司拥有并经营5家箱板纸厂，3家造纸厂和94家瓦楞纸制品生产厂。德瑞德造纸厂建于1969年，是一个综合性纸板厂。2013年10月，美国包装公司收购了德瑞德造纸厂的前所有者和运营商博伊西股份有限公司，德瑞德造纸厂生产不同等级的纸板，其客户使用纸箱板来生产各种不同的包装产品。德瑞德造纸厂由纸浆区和造纸区组成，在纸浆区将软木屑和回收的瓦楞纸制成纸浆，然后在造纸区将纸浆制成纸制品。纸浆区由若干小型加工工段组成。与2017年2月8日爆炸事故关系最密切的两个设施为：厂内发电车间和纸浆生产车间。

图1 美国包装公司德瑞德造纸厂俯视图，右下角是造纸区

图2 事故前的污冷凝水罐

图3 黄色圆圈指污冷凝水罐事故之前所在位置，黄色线段指爆炸后水罐飞行路径，箭头指水罐坠落在动力车间燃料堆基础上

图4 美国包装公司德瑞德造纸厂事故现场，右下角指污冷凝水罐基座被倒置，水罐与底座分离

事故过程

2017年2月8日中部夏令时间约11∶05分，位于路易斯安那州的美国包装公司德瑞德造纸厂（简称德瑞德造纸厂）有一台污冷凝水罐（见图2）发生爆炸。爆炸使该水罐罐体从底部脱离出来，从地面位置向上飞起并跨过一个6层楼高的结构，然后在大约114.3 m远处落下（见图3）。爆炸造成3人死亡，7人受伤。伤亡的10名工人都是在污冷凝水罐附近作业的承包商员工，伤害类型包括挫伤和烧伤等，其中至少有1名承包商员工被高温液体灼伤。爆炸损坏了位于水罐上方的管架结构和管道（见图4），动力车间燃料堆上方的工作平台和除尘管道系统及其他地点遭到破坏。 2017年2月5日，即事件发生前3天，该工厂开始设备年度检修维护工作，维修工作原计划于2月12日结束，可是却在2月8日发生了事故。

停产检修工作需要众多相关方在厂内同时作业，尽管污冷凝水罐不需要检修，但是在整个检修期间，水罐所在区域还是需要开展一些作业活动，随时会有多个承包商在水罐附近作业。

2017年年度停产检修期间，德瑞德造纸厂没有清空污冷凝水罐中的液体。在事发当天，这个30 ft（9.14 m）高的水罐内液体的液位约10 ft（3.04 m），德瑞德造纸厂员工认为剩余的20 ft（6.1 m）蒸气空间主要含有非冷凝气体和水蒸气，而其中的空气不足以支持燃烧。CSB访谈德瑞德造纸厂员工时，员工表示在储罐里留存液体的原因有4点：实施工艺改进之后，每年不再需要对储罐进行停产检修和清洗；工厂工作人员未发现罐内液体存在风险；在停产检修期间没有直接针对水罐的作业计划；年度停产检修期间工作任务繁重，人力资源紧张。

虽然在停产检修期间没有直接针对水罐的作业计划，但是在污冷凝水罐上方有水管维修作业。几个月前，水管从支架上脱落，并且在连接到污冷凝水罐的8 ft（20.3 cm）管线和3 ft(7.6 cm)管线的转接交叉处裂开（图5），有明显的泄漏，制定维修计划的员工在之前拍摄了相关视频。为了修理水管，承包商需要先断开管道，然后将水管移归原位，之后再修补管道裂缝，并且在管道架上安装管道导轨，防止管道今后从管架滑脱出来。维修过程需要实施焊接作业。工作人员告诉CSB，在焊接作业开始之前，德瑞德造纸厂关闭了连接污冷凝水罐一侧管道的阀门，并将其锁定，但是爆炸之后该阀门再也没有找到。

2017年2月7日，德瑞德造纸厂作业人员关闭并锁定了系统阀门，使水管与系统隔离。承包商作业人员在法兰处断开了水管，执行第一项任务，即将水管恢复到原来的位置。在阀门与水管断开之后，德瑞德造纸厂没有要求在阀门的开口端对装置实施隔离，如安装盲板；承包商作业人员也没有在水管开口端安装隔离盲板。2月7日的作业活动不涉及焊接或其他动火作业。德瑞德造纸厂指定了一名接受过培训的安全协调员协调停产检修作业活动，主要执行挂牌上锁，签发进入密闭空间以及动火作业等作业许可。

2月8日上午，德瑞德造纸厂一位安全协调员签发了一张水管焊接动火作业许可证，这是停产检修作业中的一项例行程序。德瑞德造纸厂的另一位员工使用气体探测器检查了水管周围和内部，没有发现水管周围及动火作业区存在易燃气体，于是在当日8时左右签发了动火作业许可证。作业许可适用于水管、管桥和周围的平台，但是没有考虑到相邻的容器或管道存在潜在危险，如污冷凝水罐。德瑞德造纸厂签发动火作业许可的员工熟悉动火作业程序，但是他们不知道储罐内的蒸气是爆炸性的。

爆炸之前工人们已经将8 ft（20.3 cm）水管移回到支架合适的位置，并修复了3 ft（7.6 cm）水管中的裂缝，事发时他们正在焊接导轨，以便将水管固定支架上(见图6)。管架上的两名焊工和在相邻结构上的另一名管道工人在随后的爆炸中遇难。

CSB未能完全了解爆炸发生时的确切作业活动，因为工厂的污冷凝水罐附近没有监控摄像头，污冷凝水罐附近的作业缺乏音像资料，目击者也不能完整陈述事件的经过。中控室计算机有数据表明，大约在11∶05分，与污冷凝水罐相连的浓缩非冷凝气体总管压力传感器有一次压力峰值，与事故目击者所说的爆炸时间一致。德瑞德造纸厂未有效执行应急预案。据美国职业安全与健康管理局(OSHA)介绍，爆炸发生1 h之后，还有一些员工没有从工厂撤离，也没有人统计承包商人员数量，而且工厂电话坏了。因为存在这些违法行为，2017年8月3日，OSHA传讯了美国包装公司。

图5 事故之前8 ft（20.3 cm）水管与3 ft（7.6 cm）水管转接处的裂纹（黄色圆圈所示）

图6 2017年2月8日事故之前水管作业现场

技术问题分析

最有可能的事故原因

结合物理数据、目击者证言和事故前后工艺压力的变化，表明设备在正常运行期间有空气进入污冷凝水罐。空气最有可能是通过压力和真空安全阀进入水罐，在污冷凝水罐液位周期性升降的过程中，当罐内处于低压状态时，引起真空安全阀动作，空气因此会进入罐内。水罐内的负压比真空安全阀动作压力低6 ft（15.24 cm）的水位。在工厂年度停产检修期间，有更多的空气进入了污冷凝水罐。由于水罐已被隔离，罐内温度低于185ºF(85℃)，有些蒸气已经冷凝。空气的进入和液体环境的冷却，使罐内非冷凝气体浓度低于爆炸极限上限，形成爆炸性气氛。

流入罐中的污冷凝液，除含有大量挥发性组分（如总还原硫和甲醇）外通常还含有少量松节油。然而在污冷凝水罐中，松节油漂浮在污冷凝液顶部，形成不混溶的液体层，类似油/水的不相溶。在爆炸之前，罐内的松节油层约有3个月未被清除，水罐内可能积聚了大量的松节油。

德瑞德造纸厂没有对污冷凝水罐进行危害分析，没有明确由哪个班组负责水罐的清洁工作，也没有在水罐上安装可燃物质监测仪器，无法了解罐内气体是否达到爆炸范围。德瑞德造纸厂本应该将该罐作为易燃储罐进行管理，但是因为不了解罐内松节油积聚和空气进入等实际情况，工厂既没有将风险传达给员工和承包商，又没有对罐内气体进行有效的监测和控制。

依据人员访谈和物理证据，引发爆炸的火源可能来自承包商在污冷凝水罐上方的焊接作业。由于缺乏确凿的证据，无法完全确定火源，不能排除有其他火源的可能性。

水管动火作业许可

德瑞德造纸厂要求作业人员在开展任何产生火源的作业活动（如焊接或钎焊）之前，必须办理动火作业许可证(示例见图7)。。德瑞德造纸厂工作人员在签发动火作业许可证之前，使用可燃气体检测仪对工作区域周围环境进行了监测，没有发现焊接点周围及作业平台存在易燃蒸气。但是，没有人检测污冷凝水罐内部是否存在易燃气体，检测人员没有意识到污冷凝水罐内可能存在爆炸的危险。因此，现场监测完成之后工厂的安全协调员在当日8时左右签发了动火作业许可证。

从德瑞德造纸厂员工采取的行动看来，员工试图保障水管维修作业的安全，但是他们没有发现污冷凝水罐内存在爆炸的危险。由于缺乏对污冷凝水罐内爆炸危险的了解，安全协调员和承包商不知道需要采取必要的安全措施。

可燃气体监测

根据德瑞德造纸厂的作业规则和程序要求，在焊接作业过程中须持续监测可燃气体。承包商遵守了这一规定，在2017年2月8日分配工作任务时安排了监火人员。在维修作业实施的同时，承包商的监火人员在地面上进行了易燃气体监测，直到爆炸之前一直没有监测到易燃气体。因为他在地面所处的位置无法监测到水罐上方空间的可燃物，无法对动火作业人员所在管架及附近位置进行监测，也无法对通往污冷凝水罐的清洁水管道阀门以及压力与真空安全阀附近进行监测。

在高处管架上实施动火作业的地点没有配备监火人员，遇害的3名工人在水罐顶部实施动火作业，但是当时没有人在焊接作业点开展可燃气体监测。

持续开展可燃气体监测并不能有效预防2月8日的事故，有两个原因：一是，连续监测的假设是监测地点附近有可燃气体泄漏，然而在没泄漏的情况下，水罐仍然可能发生爆炸，并且在这种情况下靠近水罐监测也无法判断水罐内的爆炸性气体。二是，如果可燃气体从约10万gal（约38万 L）的水罐中泄漏，则需要在多个地点进行连续监测，而实际上只安排了一位监火人员，对多点实施连续监测是不切实际的。

让人员进入污冷凝水罐监测爆炸性气体是不现实的，最有效的监测方法是在罐内安置固定仪器进行连续监测。水罐内外存在压差，空气可能被吸入水罐中，或者非冷凝气体会释放到大气中，因此，在水罐内安装固定的监测仪器或从水罐顶部取样监测比较现实。此外，事先正确开展预先危险性分析（PHA），提醒工作人员水罐内含有易燃气体至关重要。如果员工掌握了这些知识，在年度停产检修期间对污冷凝水罐进行清洗和惰化之后再实施动火作业，事故可有效防止。

图7 动火作业许可证示例

动火作业与可燃物隔离

如果德瑞德造纸厂认识到了在含有爆炸性气体的水罐上方进行动火作业有爆炸的危险，则应事先采取措施清除罐内爆炸性气体。如果清除罐内爆炸性气体不切实际，则应采取屏蔽或覆盖等措施使热源与污冷凝水罐隔离。CSB访谈工厂员工后了解到，德瑞德造纸厂将污冷凝水罐壁面作为动火作业的屏障，这种做法显然是错误的。

美国消防协会标准NFPA 51有一条35 ft（约11 m）规则，辨识动火作业区域的潜在危险：动火作业点35 ft（约11 m）范围内的所有可燃物均应清除干净，并且……可燃物转移不切实际时，可以采用焊接防火帘、防火毯或类似屏障物对可燃物实施隔离保护。如果是在高处实施动火作业，如德瑞德造纸厂一样，35 ft（约11 m）规则的半径需要扩大。

污冷凝水罐位于动火作业点35 ft（约11 m）范围内，水罐外壁成为动火作业和易燃环境之间的主要屏障。这种情况是不合适的，因为水罐内可燃气体可能会泄漏，水罐外壁也可以导热，不能杜绝点火源与水罐的接触。本来可以用焊盘、防火毯、防火帘或防火帆布等屏障物隔离水罐与点火源，在焊接过程中，似乎已经使用了防火毯，但是只覆盖了水罐的一部分，没有将水罐整个保护起来，以免受火源的影响。

尽管德瑞德造纸厂并未将非冷凝气体浓缩系统纳入过程安全管理体系，但是仍然应该根据公司内部和外部标准，对动火作业点至少35 ft（约11 m）范围实施安全评估，辨识是否存在易燃气体，可是该工厂没有做到。未能消除水罐内的易燃环境，也没有采用屏障物（如水罐与动火作业之间的防火毯）将动火作业与易燃环境有效隔离。在没有有效执行安全保障措施之前，2月8日的动火作业许可证不应该签发。

表1 美国包装公司事后改进措施建议

图8 事后的警示标识，以警告工厂员工容器内存在易燃气体相关危险

美国包装公司提出的改进建议

在2017年2月8日爆炸事故之后的几个月里，美国包装公司对德瑞德造纸厂实施全面安全检查，提出若干对策措施建议（具体如表1所示）。

CSB提供的建议

根据事故调查的结果，为了提升美国化学品企业的作业安全，保护工作人员和社区免受非冷凝气体爆炸的危害，CSB针对美国包装公司提出如下5点建议：

1.对非冷凝气体系统有效实施过程安全管理的要素，应用良好实践指南，如化工过程安全中心的《基于风险的过程安全指南》和《过程安全管理实施指南》；

2.适当扩大过程安全管理计划的应用范围，除非达到法定的最低要求外，提高流程安全涵盖范围的标准；

3. 应用 NFPA 69—2014《防爆系统标准》，采取有效的防爆措施；如果执行该标准还不足以防止爆炸，须应用NFPA 68—2013《爆燃泄压与通风导则》，采取爆炸防护措施；

4.应用ISA—84《功能安全：流程工业部门的安全仪表系统》，采取全生命周期的安全措施，确保监测联锁装置有效降低系统风险；应用 TIP 0416—09—2014《浓缩非冷凝气体的收集和燃烧：规定、设计和操作》，有效实现非冷凝气体系统设计和操作；

5.定期培训员工，确保他们理解岗位职责和相关过程安全危害，包括实施动火作业的安全条件。