【案例分析】从一起管道腐蚀泄漏案例看安全决策
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【案例分析】从一起管道腐蚀泄漏案例看安全决策

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        总论:安全决策是管理人员汇总各类安全信息,分析未来风险情况,并对安全管理起决定性的环节,对于安全信息的正确研判和把握是其关键,缺失部分安全信息就有可能影响最终的安全决策。

        本文从一起管道腐蚀泄漏引发爆炸的案例出发,介绍了该材料(304不锈钢)的常见腐蚀问题及其腐蚀原理,并通过“5-14”模型,对事故发生前后的信息流通环节进行分析,分析其安全信息流通中的信息缺失情况,并分析安全决策失误的主客观原因。
        全文约5000字,阅读时间10分钟。

01.管道腐蚀泄漏相关信息

        2022年6月18日,上海某石化公司发生一起爆炸事故,某座环氧乙烷精制塔(T-450)和再吸收塔(T-320)之间的管道P-4507的一处焊缝发生腐蚀断裂,管道内工艺水(约104℃)大量泄露,导致塔釜内溶液漏空后,精制塔内的环氧乙烷落到塔釜底部,沿着管道P-4507大量泄漏至大气中,遇到点火源起火爆炸。大火导致塔内环氧乙烷发生自分解反应,造成环氧乙烷精制塔爆炸。
        
        可以看出,这是一起典型的,因为化工管道腐蚀导致泄漏,继而引发爆炸的事故案例。管道作为化工装置的动脉,因为生产条件大部分为露天,且部分物料具有腐蚀性,石油化工设备是极易受到腐蚀的。且由于受到腐蚀的因素或者导致腐蚀的介质不同,腐蚀的具体问题也不同。一部分化工装置或者流程中,存在腐蚀性液体,或者存在高毒性、高碱性、酸性物质,或者带有腐蚀性离子,都有可能导致腐蚀。根据有关研究调查,近10年来,化工事故中,从设备来看,管道引起的事故约占71%,从事故起因来看,腐蚀引起的事故约占50%。
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        腐蚀泄漏的物料本身可能对员工的人身健康造成危害;腐蚀也会导致设备失效,继而造成巨大的经济损失。事故案例中,管道腐蚀导致整个塔釜内的环氧乙烷泄漏,继而引发大爆炸,经济损失高达971.48万元。

        根据事故调查结果,本次发生泄漏的管道情况如下:

        该管道属于换热器工艺水出口管道。管道材质为304不锈钢,规格为DN200,工作压力为0.7兆帕,工作温度为110摄氏度工作介质为工艺水

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        该管道一共有四道焊缝,分别编号①②③④,后来断裂的为焊缝③,可以看到,焊缝③本身位于管道的弯折处,平时经常受到介质的冲刷,应力较高。

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        根据有关记录,该管道的焊缝检查记录如下:

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        2021年11月,该处管道的③号焊缝处已经发生一次泄漏,11月18日采用了带压堵漏的操作,对四处焊缝均使用了四处焊缝卡具。
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        事故发生后,调查组委托相关机构对事故焊缝断口进行了检查,检查结果为:管道P-4507②、③、④焊口在运行过程中因腐蚀介质(氯离子)作用在内壁焊趾高应力部位萌生裂纹,裂纹不断沿环向及壁厚方向腐蚀疲劳扩展,当③焊口上的裂纹扩展至有效承载截面不足时,在轴向应力作用下该焊口被完全拉断,导致管道断裂

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        根据调查,氯离子来源有:一是微量的抑制剂二氯乙烷;二是调整酸碱度使用的氢氧化钠溶液,其中含有微量氯化钠;三是氧化反应单元原料中的乙烯、甲烷中夹杂氯化物(极微量)

02.304不锈钢的腐蚀机理

        304不锈钢是一种常见的奥氏体不锈钢,约占不锈钢使用量的70%。304不锈钢实在铬(Cr)含量大于18%的铁素体不锈钢中加入镍(Ni)、锰(Mn)、氮(N)等元素获得的钢种系列,主要的合金的元素是镍。( 奥氏体,是钢铁的一种层片状显微组织,通常是γ-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体,来自于英国冶金学家罗伯茨-奥斯汀。)

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        奥氏体不锈钢的耐腐蚀能力来自于表面的保护膜,又称钝化膜。但是在含有氯离子的腐蚀环境中,奥氏体不锈钢的钝化膜很容易被破坏,继而发生氯离子点蚀和应力腐蚀。

        不锈钢腐蚀的起点,一般为钝化膜产生点蚀。点蚀是304不锈钢在酸性(尤其是带氯离子)的介质中常见的局部腐蚀现象,其本质是一种电化学腐蚀。钝化膜局部被破坏后形成了电解槽,破口处的金属成为阳极,钝化膜形成阴极,电子向阴极产生转移,并且进一步在氧气分子和水分子的作用下生成氢氧离子。此时,带正电的金属离子(M+)为了保持电中性,会让氯离子(Cl-)向金属物质迁移,氯离子增浓,金属离子发生水解,形成金属氢氧化物和盐酸,进一步加速腐蚀。

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        在304不锈钢的腐蚀过程中,氯化物、溴化物和次氯酸盐的存在会诱发腐蚀,而温度升高和低pH值会促进腐蚀的过程。事故中的腐蚀管道的介质常年大于100℃,会导致氯离子浓缩,提升腐蚀速度,进一步诱发氯离子的应力腐蚀。

        应力腐蚀破裂(SCC),是在拉应力腐蚀介质共同作用下引起的材料开裂,是在特定成分和组织的金属、特定环境与足够的拉应力作用下发生的,且应力腐蚀只会发生在合金中。它是由电化学腐蚀拉应力下金属局部破坏共同作用的结果。本次事故中的管道电化学腐蚀过程即为氯离子腐蚀过程。

        应力腐蚀产生的条件有三个:敏感金属材料、特定腐蚀介质、足够大的应力。

        本次事故管道发生应力腐蚀的深层因素,依然与上述三种条件一一对应。

        材料:事故管道材质304不锈钢属于合金,符合条件。

        介质:事故管道的工艺水含氯离子。

        应力:腐蚀部位处于焊口,属于高应力部位。

        (应力,是物体由于外因发生形变时,在物体内各部分之间产生相互作用的内力,单位面积上的内力称为应力。焊口部位因为焊接工序而发生形变,因而会积累一定的应力。)

        应力腐蚀的隐患在于:一旦发生应力腐蚀,其裂纹扩展速度极快,且发生脆性断裂,表现在管道中,就像本次事故管道一样,从一个小的腐蚀点极快的发展成为整个管道断裂。相关研究将应力腐蚀特征总结为“滞后破坏”,发展阶段分为孕育期、裂纹扩展期、快速断裂期,在裂纹达到临界尺寸时,会发生快速断裂,让人猝不及防。

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        氯化物应力腐蚀(CLSCC)是304/316等奥氏体不锈钢最常见的失效模式,发生应力腐蚀时的应力阈值也较低,往往由冷加工应力和焊接引起的残余应力引起,而且304不锈钢的阈值温度也比较低,仅为20℃,事故中的管道介质常年在100℃以上,氯化物应力腐蚀的发生概率与速率都大大增加了。有研究表明,304不锈钢在60℃中性溶液中发生应力腐蚀的临界氯离子浓度值为90㎎/L。

03.安全信息流通与决策分析

       美国安全理事会NSC的研究指出,90%的安全事故是由人的不安全行为引起的。要减少事故的发生,对于人的不安全行为研究一样重要,这其中,既包括操作人员的不安全心理及行为干预,以及安全管理与安全决策。其中,安全决策是管理人员汇总各类安全信息,分析未来风险情况,并对安全管理起决定性的环节,对于安全信息的正确研判和把握是其关键,缺失部分安全信息就有可能影响最终的安全决策。

        我们从第二部分的奥氏体不锈钢腐蚀机理介绍中,可以看出,腐蚀是化工设备常见的、客观的、经常发生的、不以人的意志为转移的现象。腐蚀发生的直接因素,是管道设备本身的材料、介质、制作工艺,这三个条件中的每一个,都无法避免。比如材料,304不锈钢本身具有耐腐蚀、耐高温、经济等特性,是工业管道常见且适用的材料,如果不是合金,也无法做到耐腐蚀、耐高温;而介质中的氯离子,更是无法避免的,化工厂本身的物料,比如二氯乙烯、乙烯、甲烷都有可能携带氯离子杂质,水体消毒也会使用含氯离子的消毒剂,工艺水不可避免带有氯离子;焊接更是制作管道弯折处的常见工艺,如果不采用焊接,难道还要把管道直接拗弯吗?所以腐蚀是无法避免的。

        物的不安全因素是注定的,但是人的不安全因素是可以变更的,在第一次泄漏产生到第二次管道断裂,中间经历了7个月时间,设备一直被默许带病运行。这其中存在的风险不可能不为人所知。

然而,大型化工装置不可随意停车,一个是装置所采用的连续工艺决定了停车必须有序进行,提前制定停车计划,否则随意停车容易引发各类事故意外;二是停车检修会影响经济效益。所以,风险爆发的突然性与停车的计划性之间,天然就存在矛盾,如何平衡矛盾就需要安全管理人员做出正确的安全决策。

        在本次事故中,该公司原定于6月16号开始进行停车大检修,但是因为疫情、人员、工艺、资金等因素,多次更改检修时间,最后定于6月20号开始检修,结果就在6月18号,即检修前两天,发生了事故。我们从前后的资料可以合理推测出,虽然去年已经发现了泄漏,并进行了不合规的带压堵漏操作,但是由于停车本身就较为复杂,该腐蚀管道迟迟未得到更换。中间又有很多突发因素影响检修的时间,最终影响了安全决策。

        我们将通过“5-14”安全信息的流动模型分析其中的信息流通情况,以分析在安全决策因素中,安全信息如何组织并最终影响了安全决策。“5-14”模型包括五个信息流通环节,14个一级要素,46个二级要素,具体如下:

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        我们根据上述模型构建分析表格:

基于“5-14”模型的临时带压堵漏安全决策信息流通缺失分析

环节

一级要素

二级要素

安全信息缺失情况

信息采集

(1)

②可供使用的内部资源

第一次泄漏发生于11月,此时全厂没有停工检修计划与预算,内部资源无法满足更换

(2)

①有关法律和制度规章

1)对于管道腐蚀更换没有硬性法律规定,只有《压力管道定期检验规则——工业管道》(TSG D7005-2018)

2)事故企业对于带压堵漏操作有规定,实施带压堵漏的每条管道泄漏点一般不得超过二处。

(3)

①生产原料、中间产物、催化剂、产品性质

未对管道介质进行氯离子分析

②设备仪器状况

管道状况见本文第二章

焊缝③出现腐蚀裂缝,同管道焊缝①长期带压堵漏,未出现明显事故。

安全预测

(1)化工危险源辨识与分析

②工艺过程危险性分析

未辨识出环氧乙烷精制塔T-450系统工艺水管道泄漏、塔釜漏空后的环氧乙烷爆炸风险

(2)化工风险评价

①②③④⑤

该装置HAZOP报告未对塔釜釜底液位过低进行风险分析

(3)隐患排查

①②③

对于焊缝③情况未进行有效的隐患排查,未对腐蚀介质氯离子浓度进行检测,未对设备安全进行完整隐患分析

安全决策

(1)

①程序与工作指南

②工艺管理变更

允许对焊缝③进行带压堵漏,直到六月份停车大检修更换

(2)

②安全费用提取和使用制度

《2022年度生产经营计划》 《2022年第二季度生产经营计划》,执行定期停车大检修,统一拨付经费。2021年安全生产投入11236.89万元

(3)

/

执行较好,不进行分析

(4)

/

执行较好,不进行分析

安全执行

(1)

①②③④

未及时有效进行管道腐蚀异常处理

检测记录与本企业自身规定不符合,管理人员未严格落实安全执行

(2)

①②

与案例无关,不进行分析

信息反馈

(1)

①②

腐蚀安全管理存在漏洞,建议增加防腐蚀管理相关规定

(2)

①②③

对腐蚀的相关成因必须要进行定量分析,以确定腐蚀的预期速率和后果

04.总结

        通过上述表格分析,我们可以清晰看出,最主要的问题出在“安全预测”的“隐患排查和治理方案”这一环节,问题在于:第一次③号焊缝发生腐蚀后,对于腐蚀隐患没有进行有效的隐患排查,仅执行带压堵漏操作,未对氯离子浓度进行分析。结果,③号焊缝在腐蚀达到一定阶段后出现快速断裂,形成突发事故。

       出现我们从主观原因和客观原因两方面来看,分析本次安全决策形成的最终成因:

        (一)主观原因

        1.企业的安全管理缺乏灵活性,采用统一停车检修,统一拨付安全经费的方式,设备管理人员对于隐患处理缺乏绝对决策权。

        2.设备安全因素在安全决策中权重较低。

        3.企业在防腐蚀管理上缺乏相关的制度,对于工业管道的腐蚀管理法律法规也比较模糊。

4.在腐蚀泄漏上未采取有效的隐患排查方式:在安全预测环节,未进行氯离子浓度检测,未预防管道的脆性断裂风险。

        (二)客观原因

        1.化工生产的复杂性:整套乙二醇-环氧乙烷设备生产过程较为复杂,无法随意开车停车,无法随意更换管道等物料。

        2.腐蚀机理的隐蔽性:虽然氯离子应力腐蚀常见的失效原因,但是从宏观指标无法准确判断应力腐蚀的发展阶段,且氯离子应力腐蚀分析需要对氯离子浓度进行检测,同样无法通过宏观指标进行判断。

参考文献

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[2]赵淑琪,吴超.基于安全信息-安全行为模型的化工安全管理模型及体系重构过程[J].科技促进发展,2020,16(07):781-788.

[3]王贵斌.奥氏体不锈钢的腐蚀与防护[J].硫磷设计与粉体工程,2023,(04):5-12+57.DOI:10.16341/j.cnki.spbmh.2023.04.002.

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