一、事故簡述

    2010年4月2日，在美國Tesoro煉油廠的一個換熱器E-6600E發生了災難性的破裂，易燃的氫氣和約260℃的石腦油從破裂的換熱器泄漏出來，被引燃發生爆炸，并引起火災，經過3小時才撲滅。

    圖-1 換熱器突然破裂形成大火球

    換熱器破裂時，高溫物料泄漏后就被引燃，形成一個大火球。當時有操作人員正在現場工作，1名班長和6名操作工當場死亡。

    圖-2 操作人員需要在現場頻繁開關手閥（調節流量和溫度）

    工廠該單元共有6個換熱器（平行的兩組），用于反應器的進料預熱。發生事故時，換熱器D、E與-F在工作中，操作人員正在將換熱器A、B和C投入生產，此時換熱器E突然破裂了（碳鋼材質）。

    圖-3 兩組并聯的換熱器

    二、調查發現的情況

    換熱器E是碳鋼材質建造，遭受了高溫氫腐蝕。換熱器B和換熱器E的材質及操作條件相同，它雖然沒有破裂，其實也遭受了嚴重的高溫氫腐蝕。

    高溫氫腐蝕會產生裂紋：當碳鋼暴露在高溫的氫氣環境下，會發生高溫氫腐蝕。氫腐蝕容易發生在應力大和沒有經過焊后熱處理的區域。

    【機理】：氫原子滲透進入金屬本體，氫原子與金屬結構中的碳原子結合，形成甲烷氣體。甲烷留在金屬體內并且膨脹，產生壓力，金屬本體因此產生裂紋。

    圖-4 氫原子和碳原子結合成甲烷分子

    圖-5 甲烷分子膨脹形成裂紋

    氫腐蝕非常難識別：它往往出現在很小的局部區域，需要在顯微鏡下才能發現，而且，只有當設備已經損壞后，才能發現它。對氫腐蝕的識別，對檢驗人員的專業要求非常高，大部分的檢驗人員都不具備這樣的專業能力。因此，依靠檢驗很難解決問題。設備的檢驗和焊接后熱處理都依賴管理制度（屬于行政管理措施），不是可靠的安全措施。

    本質安全的設計是防止氫腐蝕更好的途徑。API（美國石油協會）提出，高鉻鋼能顯著消除氫腐蝕的影響。本次事故中的換熱器B和E都是碳鋼建造，不是本質上更加安全的材質。

    工廠之前開展過工藝危害分析，提到過氫腐蝕的問題，但只是定性地對相關措施進行了羅列，沒有對安全措施的有效性進行確認。后續的工藝危害分析復審，也沒有提出新的要求。

    這些換熱器的開車操作是非常規作業，具有一定的危險性。在以往開車期間，經常發生泄漏，工廠管理層之前的確想了一些辦法來阻止泄漏，都沒有奏效。在生產正常后，這些泄漏通常就會終止。逐漸地，工廠后來就沒有再采取新的措施，把開車期間的泄漏視為可以接受的“正常現象”，

    在1995年，對換熱器的操作進行了改變（變更），增加了換熱器內氫氣的分壓，這會加劇氫腐蝕。針對該變更的工藝危害分析并沒有對氫腐蝕的影響開展評估。在2009年，為了阻止泄漏，工廠又在換熱器上增加了蒸汽注入點。

    盡管很容易監控這些換熱器的操作條件，但是工廠并沒有這么做。腐蝕專家通過尼爾森曲線（Nelson curve）來判斷氫腐蝕的影響時，采用的是設計條件數據，而不是實際的操作參數，于是得出了錯誤的結論（事實上，換熱器B和E的一些高溫區是在碳鋼尼爾森曲線以上操作，會存在氫腐蝕）。

    圖-6 換熱器第四段的操作部分位于曲線上方

    換熱器的操作程序要求只安排一名操作人員到現場執行開車任務，在開車這類危險性較高的作業任務執行過程中，該工廠缺乏有效的措施來限制現場的作業人數。事故發生時，班長要求額外的5個人到現場，他們都不幸死亡（換熱器組在開車期間總是存在泄漏的情形，工廠管理層沒有進一步研究落實防止泄漏的措施，因此，在開車期間需要較多人在現場，主要任務是準備堵漏。此外，換熱器相連的管道上有尺寸很大的手閥，操作人員需要在開車時就地頻繁開關閥門來調節溫度，這也是導致現場需要更多人的原因之一。

    在2006年以前，工廠建立了腐蝕控制制度，根據該制度編制了詳細的機械完整性檢查清單，此后中斷了腐蝕相關的檢查，理由是“這些不是法規所明確要求的”任務。

    三、小結

    機械完整性是防止泄漏、實現工藝安全的物質基礎。它貫穿設備的整個生命周期，包括設備的設計階段。設計時，根據工藝條件選擇適當的建造材質，是實現機械完整性的重要前提條件。

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責任編輯：劉洋

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