29聚乙烯石蜡加工厂火灾和爆炸.docx

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29聚乙烯石蜡加工厂火灾和爆炸

CASESTUDY

PolyethyleneWaxProcessingFacilityExplosionandFire

No.2005-02-I-TX

June2006

案例研究

聚乙烯石蜡加工厂火灾和爆炸

编号：

2005-02-I-TX

2006年6月

1.0IncidentDescription

ThisCaseStudyexaminesanexplosionandfirethatoccurredinapolyethylenewaxprocessingfacilityoperatedbyMarcusOilandChemicalonthesouthwestsideofHouston,Texas.OnFriday,December3,2004,atabout5:

50pm,employeesheardaloud"pop"thensawlightfromafirereflectingoffashinytankertruckparkedneartheprocessequipment.About45secondslater,aviolentexplosionoccurredandafirefueledbymoltenwaxeruptednearthemainwarehouse.Thewarehouseandnearbyequipmentwerequicklyinvolvedinthefire.

1突发事件概述

该案例研究回顾了由得克萨斯州休斯敦西南方马库斯石油化工公司管理的聚乙烯石蜡加工厂发送的一起火灾和爆炸事故。

2004年12月3日，星期五，大约下午5点50分，工人听到了一声巨响，然后看到工艺设备附近停靠的闪亮的油罐车映出了火光。

大约45秒后，中央仓库附近发生了剧烈的爆炸，熔化的石蜡被引燃并爆发了火灾。

火灾迅速吞噬了中央仓库和附近的设备。

TheHoustonFireDepartmentarrivedapproximatelyfiveminutesaftertheexplosion.Firefightersextinguishedthethree-alarmblazebymidnight,approximatelysevenhoursaftertheexplosion.

大约五分钟后，休斯敦市消防局抵达了爆炸现场。

消防员经过大约7个小时的努力，终于在午夜时分扑灭了大火。

Threefirefighterswereslightlyinjuredwhilefightingthefire,andlocalresidentssustainedminorinjuriesfromflyingglass.Theexplosionshatteredwindowsinbuildingsandvehiclesandcausedstructuraldamageasfarasone-quartermileaway.Significantinteriordamageresultedwhensuspendedceilingsandlightfixtureswereblowndownintheonsitebuildings,nearbybusinesses,andachurch.

三名消防人员在灭火过程中受了轻伤，当地的居民也被飞落的玻璃划伤。

爆炸震碎了四分之一英里外建筑和车辆的玻璃并导致建筑的结构性破坏。

现场建筑、附近企业建筑和教堂的吊顶和灯具坠落时，对建筑内部均造成了显著的损坏。

Figure1.ExplosiondisplacedTank7morethan150feet.

图1爆炸导致7号储罐产生了超过150英尺的位移

Tank7,a12-footdiameter,50-footlong,50,000-poundpressurevesselwaspropelled150feetwhereitimpactedawarehousebelongingtoanotherbusiness（seecoverphotograph）.Figure1showsthedisplacementofTank7fromitsinstalledlocation.

直径12英尺、长50英尺的7号储罐被50000磅的压力推送到150英尺外，并撞到了另一家工厂的仓库（见封面图）。

图1显示了7号储罐的原始位置和爆炸使其产生的位移。

Othersignificantexplosiondebristhrownintothecommunityincludeda20-poundsteelplatefoundlodgedinabuilding500feetaway;a120-poundsteelplatefoundinapasture900feetaway;anda2-poundsteelplatefoundintheyardofalocalresidenceone-quartermileaway.

社区内还发现了其他一些爆炸残骸，在500英尺外的一个建筑内发现了一块20磅的钢板，在900英尺外的一个牧场发现了一块120磅的钢板，在四分之一英里外的院子里发现了一块2磅的钢板。

2PhysicalEvidenceTesting

TheCSBtestedthenitrogengeneratorandpressureregulator,gasfromthenitrogenstoragevessel,waxandragfromtheprocessequipment,andmetalsamplesfromTank7.

2.1NitrogenSystemTests

Theoutputgasfromtheundamagednitrogengeneratorwastestedtodetermineifthegeneratorwasoperatingasdesigned.Testingconfirmedthatthegassamplescontainedbetween92-96percentnitrogenand4-8percentoxygen,consistentwiththeunitsettings.

2物证检验

CSB对重要物证进行了检验，物证包括氮气发生器和压力调节器、氮气贮存容器内的气体、设备上的石蜡和抹布以及7号储罐上的金属样品。

2.1氮气系统检测

检测未受损的氮气发生器以确定其是否能够按设计状态运行。

检测表明，气体样品含氮92%-96%、含氧4%-8%，符合工艺设置要求。

GassamplesfromthenitrogenstoragevesselweretestedtoestablishthenitrogenpuritysuppliedtoTanks6and7:

thesamplescontained82percentnitrogenand18percentoxygen.TheCSBconcludedthatthecompressedairconnectioninstalledbyMarcusOiltorechargethenitrogensystemcontaminatedthenitrogeninthestoragevesselswithoxygen.TheCSBfurtherconcludedthattheoxygenconcentrationinthenitrogensystemwassufficienttosupportcombustion.

检测氮气储存容器的气体样品以确定供应6号储罐和7号储罐的氮气纯度：

样品含氮82%、含氧气18%。

CSB认为，与氮气系统相连的压缩空气连接污染了储存容器中的氮气，使其混入了过多的氧气。

CSB进一步推断，氮气系统中的氧气浓度足以助燃。

TheCSBtestedthenitrogenpressureregulatoratvariousinletpressuresandflowratestodeterminethelikelyoperatingpressureinTank7atthetimeoftheincident.Theas-foundsetpressurewas67psig.Additionaltestingconfirmedtheregulatorfunctionedcorrectlythroughoutitsoperatingrange.Thepressuregaugeontheregulatorwasaccuratetowithinafewpsig.

CSB测试了不同进口处氮气压力调节器的压力和流速，以确定事发时7号储罐的可能工作压力。

最终发现设定压力为67psig。

其他检测也证实了压力调节器在正常运转。

调节器的压力表精确到了1psig。

2.2Tank7InspectionsandTesting

TheCSBvisuallyinspectedTank7andtherecoveredtankheadsegments.Nomanufacturermarkingswerefound.Furthermore,MarcusOilwasunabletoprovideanydocumentationofthedesign,construction,andsafeoperatingpressureforTank7,orthreeotheridenticalprocesstanks（Tanks5,6,and8）.

2.2对7号储罐的检查和检测

CSB目测了7号储罐和已恢复的罐顶部位。

没有发现制造商的标签。

而且，马库斯公司不能提供7号储罐以及其他三个储罐（5号、6号和8号）设计、施工和安全操作压力相关的任何文档，

Figure2.24-inchpatchplateonTank8.

图28号储罐上的直径24英寸的焊接补丁

TheCSBcalculatedan80psigtheoreticalsafeoperatingpressureforTank7.TheCSBfoundthatMarcusOilhadalteredTanks5-8:

eachhada24-inchdiametertemporaryopeningcutintooneendtoinstallasteampipethatheatedthewaxabovethemeltingtemperature.Followingthepipeinstallation,theopeningwasweldedclosed.Theas-weldedpatchplateonTank8isshowninFigure2.ThepatchplatesonTanks5and6wereessentiallythesame.AlthoughtheTank7patchplatewasnotrecovered,CSBinvestigatorsconcludedthatitmatchedtheotherthreetankpatchplates.

CSB计算得出7号储罐的理论安全工作压力是80psig。

CSB发现马库斯公司对5号—8号储罐进行了改造：

每个储罐都有一个直径24英寸的临时开口用来安装蒸汽管道，以将石蜡加热到熔点以上。

安装管道后，临时开口被焊死。

图2显示了8号储罐上的焊接补丁。

5号和6号储罐上的焊接补丁与8号类似。

虽然7号储罐上的焊接补丁无法恢复，但CSB调查员的结论是，应该与其他三个储罐的补丁一样。

TheweldusedtoreclosethetemporaryopeningonTank7failedduringtheincidentbecausetherepairweld（Figure3）didnotmeetgenerallyacceptedindustryqualitystandardsforpressurevesselfabrication.Theoriginal,flame-cutsurfacewasnotgroundofftheplateedgesbeforereweldingthejoint.Thewelddidnotpenetratethefullthicknessofthevesselhead.Furthermore,theweldscontainedexcessiveporosity（holesfromgasbubblesintheweld）.Thesedefectssignificantlydegradedthestrengthoftheweld.

7号储罐临时开口重新闭合的焊缝在事故中开焊，因为修补焊缝（图3）不满足压力容器制造行业公认的质量标准。

重新焊接前，没有对原始的火焰切割钢板边缘进行打磨。

焊缝没有穿透储罐的壁厚。

而且，焊缝的孔隙率过高。

这些缺陷显著降低了焊缝的强度。

Figure3.RecoveredpatchplateweldfromfailedTank7.

图37号储罐开裂焊缝复原图

MarcusOildidnotuseaqualifiedwelderorproperweldingproceduretoreweldtheplateonthevesselheadsandinstallthesteampipenozzlesintheshells.MarcusOilpersonnelalsoacknowledgedthattheydidnothydrostaticallypressuretestthevesselsaftertheweldingwascompleted,acriticalpost-weldingperformancetest.

马库斯公司雇佣不够资格的焊工或采用不恰当的焊接程序在容器封盖上进行焊接并在容器壳体上安装蒸汽管道喷头。

马库斯公司的工作人员也承认，压力容器焊接完成后他们并没有进行静水压试验，这是一个检验焊接性能的关键试验。

TheCSBalsofoundthatTanks5,6,7,and8,thenitrogenstoragevessels,andthecompressedairstoragevesselwerenotequippedwithpressurereliefdevicesasrequired.However,thiswasnotafactorincausingtheincident.

CSB发现5-8号储罐、氮气储存容器和压缩空气储存容器没有按要求装设泄压装置。

然而，这不是引起事故的原因。

2.3WaxTesting

TheCSBtested“rag”waxsamplesforflammabilityandreactivity.Thewaxflashpointwas110oC（230oF）.ThewaxsamplesdidnotdemonstrateexothermicactivitysotheCSBconcludedthatarunawaychemicalreactionwasnotinvolvedintheincident.

2.3石蜡检测

CSB检测了“抹布”石蜡样品的易燃性和反应活性。

石蜡的闪点是110℃。

石蜡样品没有出现放热活动，因此CSB得出的结论是，该事故中不涉及化学反应的失控。

3IncidentAnalysis

3.1FailureScenario

TheCSBidentifiedthefollowingmostlikelyfailurescenario:

•OperatorspressurizedTanks6and7withnitrogengascontaining18percentoxygeninsteadoftheintendedconcentrationofnotmorethan8percentoxygen.

•TheinternalpressureofTank7（67psig）likelyexceededthestrengthofthedefectiveweldonthepatchplate.Theweldcompletelyfailed,severingtheplatefromthetank.

•Thetankrapidlydepressurizedthroughthe24-inchhole.Hydrocarbonvapor,compressedair,andhotliquidwaxwereejectedthroughthehole.

•Sparksweregeneratedwhenthepatchplatestrucktheconcretepad,andlikelyignitedthewaxandhydrocarbonvapors.

•TheoxygenconcentrationinTank7permittedtheflametoflashbackintothevessel.Aninternaldeflagrationblewthevesselheadintomultiplefragments.

•The50,000lbvesselwaspropelledintosurplusequipmentstorednearby,andcametorestagainstawarehouseonanadjacentpropertymorethan150feetaway（seecoverphotograph）.

•Burningpolyethylenewaxwasblownagainstthewarehouseandotherequipmentandignitedcombustiblematerials.Theresultingfireburnedfornearlysevenhours.

3突发事件分析

3.1故障情景

CSB确定了几下最有可能导致事故的故障情景：

●操作人员向6号和7号储罐充装的氮气含氧量达到18%，而不是原本规定的不高于8%；

●7号储罐的内部压力（67psig）可能超出了焊接补丁的承受能力。

焊缝被彻底撕开，补丁从储罐上脱落；

●储罐内的气体迅速从直径24英寸的孔洞泄出，内部压力急剧下降；

●焊接补丁碰到混凝土垫块时产生的火星可能点燃了混凝土垫块石蜡和碳氢化合物蒸汽；

●7号储罐的氧气含量使火焰回燃至容器内，内部爆燃将容器盖炸成了碎片；

●5万磅的容器被推入存储在附近的设备中，并继续被推动，撞到了隔壁公司的仓库；

●燃烧的聚乙烯石蜡被吹到仓库及其他设备上，点燃了可燃物，由此产生的大火燃烧了近7个小时。

3.2Tank7Failure

ImproperalterationofTank7ledtoitsfailure:

theclosureweldusedtoreinstallthepatchplatewasfusedlessthan25%throughthethicknessoftheplateandcontainednumerousflaws.

Theeffectoftheinadequateclosureweldwastwo-fold.First,itdecreasedthestrengthofthispartofthetankbymorethan75percent.Second,thelackofweldfusionandpoorqualitylikelycausedpressure-cycleinducedfatiguecrackstodevelop,furtherreducingtheweldstrength.

TheinternalpressureinTank7wasmostlikely67psig,basedonthenitrogenregulatortest.Operatorsstatedthattheregulatorwasnormallysetatabout45psigbutthattheyincreaseditwhennecessarytomaintainwaxflowtotheprocessunit.ThehigherpressureinTank7atthetimeoftheincidentlikelystrainedthepoorlymadeweldtothefailurepoint.

3.27号储罐故障

7号储罐的不当改动导致其故障：

用于补丁焊缝的融合厚度低于钢板厚度的25％，并含有大量的缺陷。

焊缝融合度不足的影响是双重的。

首先，降低了储罐这一部分75%的耐压强度；其次，焊接质量较差使得压力循环诱发疲劳裂纹扩展，进一步降低了焊接强度。

根据氮气调节器的测试结果，7号储罐的内部压力可能达到了67psig。

操作员提到，调节器通常设置在45psig，但是为了保证石蜡向工艺单元的输送效果会适当提高设置压力值。

7号储罐的高压使得焊接补丁成为诱发事故的故障点。

3.3Nitrogen/CompressedAirConnection

MarcusOilinstalledaconnectionbetwee