一起夹套反应釜爆炸事故的原因分析

2013-04-10刘兴林袁耿民

化工装备技术 2013年4期

刘兴林袁耿民

（江西省锅炉压力容器检验检测研究院)

0 前言

2009年的一天晚间时分，江西南昌某化工公司发生了一起反应釜爆炸事故。笔者作为事故调查组成员，参加了对该起事故的调查、取证、分析以及对事故性质、原因作出结论。为吸取事故教训，引以为戒，防止类似事故再次发生，现将该起反应釜爆炸事故的调查分析情况介绍如下。

1 事故经过及现场破坏情况

通过对事故现场勘察，开展对设备相关资料审查及询问当事人等工作，得知该事故是在公司进行生产柴油润滑剂的模式放大试验时发生的。该试验的重要组分为双聚蓖麻油酸和双醚（二乙二醇单甲醚），预计进行两步反应。第一步反应生成蓖麻油酸二乙二醇单甲醚脂；第二步进行聚合，为放热反应，生成双聚蓖麻油酸二乙二醇单甲醚脂。工艺规定反应温度一般控制在180～195℃，压力控制在0.2～0.3 MPa。事故前两天，先在一台反应釜上进行了首次试验。两天后的上午又在另一台同类型的反应釜（即事故反应釜）上进行第二次试验。第二次试验从下午4：00开始，技术人员带领共5名操作人员进行试验。按照试验要求，首先向反应釜内加入500 kg双醚，通入氮气，投入金属钠5 kg作为催化剂，反应釜内氮气加压至0.2～0.3 MPa，然后在反应釜夹套内通入导热油进行加热。由有机热载体锅炉出来的导热油温度一般控制在200℃以下。晚7：30左右反应釜内温度升至180℃，此时停止了锅炉运行。晚7：40左右开始进行2 t脱水蓖麻油酸甘油脂的滴加（由计量泵控制数量）。根据当时操作人员反映，在加料过程中，反应釜内温度不断上升，当温度升至190℃时，开启了冷油循环系统，但是反应釜内温度仍继续上升。温度升至195℃时少量开启了排空管上的放空阀排空，然后反应釜内温度上升速度仍然很快，于是立即将放空阀全开，但是反应釜内温度仍然无法控制。温度很快升至200℃，现场负责的技术人员立即电话请示了不在现场的技术总负责人，此时温度已经升至230℃，技术总负责人指示立即启动应急措施，迅速紧急撤离所有现场人员，避免人员伤害。当现场人员撤至200 m远处时，反应釜发生了爆炸，此时时间为晚8：20左右。

发生爆炸事故的反应釜周围一片狼籍，爆炸后燃起的大火将约1000 m2的厂房烧得只剩下框架，房顶部分钢筋混凝土横梁垮塌，前后周围厂房门窗被冲击波整排震碎，几百米开外的房屋玻璃也被气浪冲击造成不同程度破损。

安装反应釜的操作平台整体垮塌，在跨塌处底部堆积物下可观察到反应釜爆炸后残留的两大块内筒金属筒片，残片已扭曲，变形严重。其中靠外面的一块内筒片纵向长约2.5 m，断面金属壁厚最薄处由原34 mm减薄至28 mm；另一块周向长2 m多，断面金属壁厚38 mm（筒体和封头基层材料为16MnR，厚度34 mm，复层材料为 304，厚度 4 mm），无明显减薄，裂口断面与金属材料表面普遍呈45°斜角。从损坏情况看，釜体属于韧性断裂。

2 事故原因分析及结论

2.1 设备主要技术参数

根据设备的出厂资料得知，发生爆炸事故的反应釜是由山东威海化工机械有限公司设计制造的磁力驱动反应釜，属于三类压力容器，制造出厂日期为2008年11月。该反应釜内筒设计压力为6.0 MPa，设计温度为160℃；工作压力为5.0 MPa，工作温度为150℃；设计工作介质为乙醇、异丙醇、哌啶酮、哌啶醇、氢气、氨气、氮气；筒体内直径1600 mm，容积为5 m3；筒体和封头基层材料为16MnR，厚度34 mm，复层材料为304，厚度4 mm。夹套设计压力0.55 MPa，设计温度161℃，工作压力为0.5 MPa，工作温度158℃，设计介质为饱和蒸汽；夹套内直径1750 mm，夹套筒体和封头材料为Q235B，厚度为10 mm。釜体内布置有12 m2的冷却盘管，设计压力0.55 MPa，设计温度161℃，工作压力0.5 MPa，工作温度158℃，设计介质为冷却水，盘管材料1Cr18Ni9Ti，管直径覫57 mm×3.5 mm。反应釜釜底内表面到釜顶法兰面高度为3302 mm，设备质量为8832 kg。

反应釜配置的安全阀型号为A42Y-64P，数量为2个，设计开启压力5.5 MPa,公称压力PN6.4 MPa，工作压力等级5.0～6.4 MPa，公称直径DN50 mm，接管为57 mm×5 mm，由同一接管经三通分为两个安全阀接口。

爆破片型号为LC125-6.0-150，设计爆破压力6.0 MPa，设计爆破温度150℃，公称直径DN125 mm，材料为316L，爆破片接管规格为覫133 mm×7.5 mm。

2.2 事故前设备状况

该反应釜是从该公司集团内部关联企业转入的，转入前闲置了近一年时间，从未使用过。转入后，在2009年9月由江西省某安装工程有限公司安装。该安装公司无压力容器安装资质，安装前未向当地特种设备监察部门办理安装告知手续，安装时也未经当地检验检测部门进行安装监督，且安全附件未经校验。当地质监部门在例行检查中发现特种设备违规安装情况后予以制止，并向建设、安装单位下达了整改指令书，责令停止安装，设备不得投入使用。该特种设备使用前也未按规定向管辖当地的特种设备安全监察部门办理注册登记手续。该设备安装完毕后，厂方擅自将原设计的反应釜夹套中的蒸汽介质改为导热油介质，由一台型号为YYL-930Y有机热载体锅炉加热导热油，内盘管中也改用常温导热油进行冷却循环。安装时通过釜顶的一个原设计为真空接口的DN50 mm接口连接了一根DN38 mm的排放管，排放管经过二级冷凝器后接至房顶放空。

2.3 事故原因和结论

事故的直接原因如下所述：该化工公司在进行生产柴油润滑剂的模式放大试验过程中，对反应剧烈程度估计不足，导致反应温度上升过快，冷却系统又无法迅速导出反应释放的热能，致使温度快速升高，加剧了筒体内部混合物介质的化学反应进程并进一步促使温度上升，使釜内液体介质急剧汽化，压力温度迅猛升高；生成蓖麻油酸二乙二醇单甲醚脂的反应为脂化反应，反应分解出的H2O与催化剂金属钠Na发生化学反应2H2O+2Na=2NaOH+H2，生成易燃易爆物H2；釜内置换不彻底，可能残留空气，同时聚合反应放热后双酶发生裂解，形成混合爆炸物；由于上述这些原因，导致在高温高压下反应失控，发生爆炸，酿成事故。

事故的主要原因可以归纳为如下几个方面。

2.3.1 试验系统设计不合理

试验选用的反应釜并不是针对该公司实际生产工艺专门设计的。由于参与反应的工作介质、换热介质、工作压力、温度等与原设计不符，介质、设计温度、压力难以满足生产工艺的要求，导致反应釜安全阀和爆破片的泄放能力不能达到安全排放的要求。对冷却系统冷却效果没有进行针对性的设计计算，也导致了反应温度失控；反应釜选型不当，实际操作中工作压力为0.2～0.3 MPa，却选用了设计压力为6.0 MPa的承压设备，致使安全泄放装置定压过高，不能及时泄放压力，积累了爆炸能量，增加了破坏力。

2.3.2 设备安装和使用不规范

该反应釜属于特种设备，按照《特种设备安全监察条例》，应由取得相应安装许可资质的单位安装。安装前应告知当地特种设备安全监察部门，并应经当地相应检验检测机构进行安装监督检验。设备操作、管理人员应经培训，取得质监部门颁发的特种设备管理人员证书或操作人员证书后方可上岗。设备应办理注册登记手续后才能合法使用。经查，该设备系由无安装资质的安装单位安装，也未向当地特种设备安全监察部门办理告知手续，管理、操作人员未持有效证件上岗，设备未办理使用注册登记手续。由于上述不规范行为，该设备系统和试验过程不排除存在诸多安全隐患。例如：设备的安全阀、压力表、温度计等安全附件使用前未经校验，可能存在计量误差或失效；试验没有严格的操作规程，可能存在操作不当等情况。

2.3.3 反应温度过高

从进行2 t脱水蓖麻油酸甘油脂滴加后釜内温度上升较快这一点来看，工艺或存在缺陷，可能存在加料量过大、加料速度过快和反应温度偏高等问题。原设计夹套设计压力0.55 MPa，设计温度161℃，工作压力0.5 MPa，工作温度158℃，设计介质为饱和蒸汽。改为型号为YYL-930Y有机热载体锅炉提供导热油为热传导介质后，其最高温度可达到320～350℃。从现场的试验情况看，要求导热油温度控制在200℃以下（这实际上也已高于设备设计温度）。事故发生现场操作人员撤离时温度已升至230℃，而且还不清楚这是否是精确的温度值，但显然已经远远超出了设计温度161℃。导热油的热传导性和流动性远远不如蒸汽和冷水，冷却系统没能快速带走热量，加速了聚合反应过程，也致使该反应釜超温超压运行，埋下了事故隐患。

2.3.4 反应釜氮气置换效果无监测

虽然操作人员表示试验时反应釜进行了充氮气和泄压排空置换过程，但由于排放口设置在反应釜上部，分子量较大的氧气有可能未充分排出釜外，且没有对釜内含氧量进行监测，存在空气置换不彻底的可能，这也增加了发生爆炸的可能性。

2.3.5 试验缺乏必要的安全防范措施

试验中，在冷却系统无法迅速降低反应温度、有可能使反应失控时，整个工艺系统没有预设防范措施，既没有设置投放抑制反应的阻聚物，也没有设置紧急卸料装置以降低反应规模。此外，反应釜安全阀泄放能力不足，以及过高的开启压力、爆破压力的设定，都不利于介质及时排放，增加了设备爆炸时积聚的爆炸能量。