王夢蓉｜編譯

2001年11月8日17時13分，位于英國塔爾博特港的康力斯公司發(fā)生一起高爐爆炸事故，爐內(nèi)約200 t的高溫物料和氣體泄漏，導(dǎo)致3名員工死亡、12名員工及承包商重傷，另有多人受輕傷。事故后果之嚴(yán)重，在煉鋼行業(yè)前所未有。

事故主要原因為該公司長期以來在安全管理上存在種種問題。事發(fā)前2天，冷水進(jìn)入到爐膛內(nèi)，導(dǎo)致5號高爐的爐缸凍結(jié)，在試圖恢復(fù)正常作業(yè)的過程中發(fā)生爆炸。事故直接原因是水與高溫物料混合。

圖1 事故工廠鳥瞰圖（左側(cè)為5號高爐，右側(cè)為4號高爐）

背景介紹

事故工廠

康力斯公司在塔爾博特港的工廠主要生產(chǎn)扁鋼。按照生產(chǎn)工藝，首先在4號、5號高爐中把鐵礦石煉成生鐵，燃燒后用生鐵水煉成鋼。4號高爐由日本設(shè)計，90年代初建成；5號爐設(shè)計于50年代，之后被數(shù)次改造。

煉鐵過程

高爐的用途是通過化學(xué)反應(yīng)將鐵的氧化物（鐵礦石）轉(zhuǎn)化成鐵水，生產(chǎn)生鐵。煉鐵過程中，首先將鐵礦石、焦炭等從高爐頂部加入，這些物料在爐膛緩慢下移的過程中會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)和熱反應(yīng)。爐內(nèi)物料一直保持在1 800～2 000 t。爐頂加入的物料通常要經(jīng)過6～8 h到達(dá)爐底，生成鐵水和熔渣（即高爐中熔化的廢物）。鐵水和熔渣會定期從爐中排出（抽出）。

此外，高爐還會產(chǎn)生大量熱氣。氣體通過下降管的“煤氣出口”從爐內(nèi)排出，從下降管中排出的煤氣凈化冷卻后被燒掉。部分被凈化過的煤氣進(jìn)入到熱風(fēng)爐中，經(jīng)燃燒生成熱風(fēng)供高爐使用。

煉鐵過程中，由于爐內(nèi)會發(fā)生強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)，因此會生成大量的熱，這就需要對爐殼和襯里進(jìn)行冷卻。

5號高爐

5號高爐建成于1959年，為爐腰或支柱支撐型高爐。爐腰是對爐身起支撐作用的大型結(jié)構(gòu)鋼環(huán)。20世紀(jì)以來建成的高爐大多都采用了這種設(shè)計，并且大部分都還在用。高爐基本上分為兩部分，上部為爐身，下部包括“爐缸”——用來容納熔化的金屬和熔渣的熔爐 、“爐腹”——爐缸上部向外傾斜的區(qū)域。上下兩部分通過搭接接頭連接。

爐殼內(nèi)部安裝了耐火襯里，還配備了冷卻元件以確保循環(huán)冷卻水的恒定流量。整個殼體內(nèi)部冷卻器遍布，但高爐底部由于熱量產(chǎn)生的最多，冷卻器的數(shù)量也最多。

圖2 5號高爐

圖3 高爐簡圖

高爐是將鐵礦石轉(zhuǎn)化成生鐵的設(shè)施。進(jìn)料通過爬式加料機(jī)經(jīng)過大斜橋從爐頂上的氣密分布系統(tǒng)加入到高爐中。此氣密系統(tǒng)也可以防止?fàn)t內(nèi)煤氣在加料過程中發(fā)生泄漏。

煉鐵過程中產(chǎn)生的煤氣通過下降管運送到附近的煤氣廠。熱空氣從加熱爐通過環(huán)狀風(fēng)管通入到高爐中。環(huán)狀風(fēng)管是圍繞在高爐下部的大型環(huán)狀管道，通過風(fēng)口供應(yīng)熱空氣。在5號高爐上共有24個風(fēng)口。風(fēng)口與環(huán)狀風(fēng)管相連，將熱空氣送入爐缸護(hù)板中。

煤氣產(chǎn)生的壓力由大型閥門控制。多余的壓力從爐頂?shù)?個泄放閥排出。5號高爐的泄放閥可自動操作也可手動操作。

5號高爐上有2個用于卸除鐵水和液體熔渣的水冷出鐵口。高爐下部的操作區(qū)是“出鐵場”。5號高爐的出鐵場內(nèi)還包括1個控制室，為了便于對運行和高爐的狀況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測和記錄，電子監(jiān)測設(shè)備和計算機(jī)仿真系統(tǒng)都放在這里。操作員在控制室內(nèi)可密切觀察高爐風(fēng)口和出鐵口的運行狀況。

冷卻水系統(tǒng)

煉鐵會放出大量的熱，爐內(nèi)溫度會超過2 000℃，因此，冷卻水的供應(yīng)非常重要。正常情況下，5號高爐冷卻系統(tǒng)每分鐘需要消耗8萬～9萬L冷卻水。

高爐內(nèi)部還有很多管式銅冷卻元件。冷卻器的持續(xù)效率和完整性完全取決于通過冷卻器內(nèi)部通道的冷卻水的流量是否穩(wěn)定。如果水供應(yīng)中斷，存留在冷卻器里的水就會沸騰并蒸發(fā)。進(jìn)而會迅速導(dǎo)致冷卻器融化或燒壞；銅的熔點為1 083℃左右，比高爐內(nèi)的溫度低得多。

冷卻器燒壞的速度和程度與多種因素有關(guān)：在高爐中的位置（爐腹和爐身下部的冷卻器更易受損）；水供應(yīng)中斷的時間；冷卻器的現(xiàn)有狀況；冷卻器是否受到“結(jié)垢”（固體硅類物質(zhì)附著在冷卻器的堆積層）保護(hù)。最初安裝時，冷卻器上會覆蓋耐火材料進(jìn)行保護(hù)。隨著耐火材料不斷被磨掉，會逐漸失去這層保護(hù)。

圖4 拆解開的高爐，內(nèi)壁上的冷卻器清晰可見

圖5 供應(yīng)冷卻水的渦輪水泵

運行中的高爐中的煤氣壓力要小于供水壓力。一旦冷卻器發(fā)生故障，從帶壓系統(tǒng)中泄漏出來的水會直接流向高爐內(nèi)部，很可能會干擾爐內(nèi)的平穩(wěn)運行，如果水量較大，甚至?xí)l(fā)安全運行風(fēng)險。值得注意的是，如果向發(fā)生故障的冷卻器恢復(fù)供水，很可能會使大量水泄漏進(jìn)爐內(nèi)。一旦冷卻器發(fā)生故障，通常會將其拆除更換或灌入氧化鋁泥漿。

冷卻水供應(yīng)系統(tǒng)

5號高爐的冷卻水供應(yīng)設(shè)施包括2臺“蘇爾壽”泵，2臺渦輪泵（T1和T2），3臺電動冷卻水泵，1套冷卻水塔及附屬風(fēng)扇，1套應(yīng)急補(bǔ)充水系統(tǒng)。

每臺蘇爾壽電動泵的供水量為 4.5萬 L/min。T1和 T2的供水能力分別為4.5萬 L/min和3.4萬 L/min。正常情況下，2臺4.5萬 L/min的泵同時運行就能為高爐提供足夠的冷卻水。

按慣例，5號高爐使用1臺電泵和1臺渦輪泵供水，另一臺蘇爾壽泵備用。當(dāng)冷卻水壓力降到預(yù)定值以下時，壓力開關(guān)檢測到壓力損失情況后會立即啟動備用泵。

工廠在部分裝置上安裝了儀表，監(jiān)測水流量和溫度，但冷卻水供應(yīng)系統(tǒng)未配備儀表來測量從系統(tǒng)泄漏到高爐內(nèi)的水量。

事故情況

2001年11月8日17時13分，由于水和熔化物料之間的相互作用，導(dǎo)致爐腹區(qū)域發(fā)生超壓，該部分被拔出搭接接頭，爐腰從支承高爐的柱頭上竄出。高爐上部拔起后，在搭接接頭的整個圓周附近留下了一處開口，氣體和熱物料從中噴出。約200 t的液體、固體和半固體物料噴射到出鐵場地面上。氣態(tài)物料和粉塵騰起，飛入出鐵場，從樓內(nèi)各個開放處噴到大氣中，發(fā)生燃燒。燃燒的粉塵和氣態(tài)物料飛到高爐上空。爐頂?shù)男狗砰y也被打開，從閥門里泄放出的氣體進(jìn)入到大氣后也發(fā)生燃燒。

隨著壓力下降，高爐又垂直回落下來。在爆炸過程中，爐身發(fā)生形變，偏離中心位置大約100 mm，落在了下部搭接接頭板上，爐腰的安裝位置無法接觸到柱頂法蘭。這意味著整個爐身的重量都偏壓在下部搭接接縫板上。

高爐移動的過程中，多條供水管爆裂；一段時間內(nèi)，水不斷流入出鐵場，落在噴出的熱物料上，使出鐵場充滿熱水和蒸汽。煤氣排出系統(tǒng)受到猛烈沖擊，但煤氣廠和爐頂容器的煤氣控制能力未受影響。

整個爆炸只持續(xù)了幾秒鐘，導(dǎo)致3人死亡，12人重傷，數(shù)人受輕傷。事發(fā)前事件

2001年9月30日至11月5日，5號高爐的水泵出現(xiàn)6次停泵和6次嚴(yán)重的故障，多次無法自動重啟?？傊?，在此期間整個泵系統(tǒng)的可靠性非常差。

事發(fā)前的一段時間內(nèi)，一直由2臺蘇爾壽電泵向5號高爐供水，蒸汽渦輪泵T1由于齒輪箱損壞尚未修復(fù)，從2001年10月初就已停用。直到事發(fā)時，該泵還無法使用。

1996年，1號蘇爾壽泵被更換，由于生產(chǎn)商無法供應(yīng)所需規(guī)格的電機(jī)，不得不降級使用。而安裝新電機(jī)時，熱過載保護(hù)器未得到正確調(diào)整，使之無法適應(yīng)新電機(jī)的較高功率。因此，在11月7日發(fā)生故障時，該泵很快就停機(jī)了。

11月7日，工廠能源部安排對蘇爾壽泵的相關(guān)電氣設(shè)備進(jìn)行維修。5號高爐的工作人員并不知道此次維修的目的。由于蒸汽進(jìn)入變壓器控制柜，因此這項維修作業(yè)是必要的。為了便于維修，對電力供應(yīng)進(jìn)行了調(diào)整，導(dǎo)致蘇爾壽1號泵因電流上升而停機(jī)，原因是輸入電壓對該泵的電流影響很大。工廠的書面程序中未要求在切換變壓器時檢查電壓輸出，盡管這是眾所周知的基礎(chǔ)性工作。

大約9時16分，處理量較小T2自動啟動，對1號蘇爾壽泵停機(jī)造成的供水中斷進(jìn)行補(bǔ)償。但沒過幾秒，T2泵也停機(jī)（自身超速保護(hù)），致使高爐的進(jìn)水量僅為需求量的55%。應(yīng)急水塔也未能起作用，因為水壓過低無法使該塔運行。

9時25分左右，蘇爾壽1號泵的供電恢復(fù)。發(fā)現(xiàn)冷卻水流量減少后，作業(yè)人員按照已有程序，減少了風(fēng)口進(jìn)入的熱空氣量。隨著水流量回升，高爐又恢復(fù)了正常供氣狀態(tài)。后來發(fā)現(xiàn)氫氣讀數(shù)升高后（說明有水進(jìn)入到爐中），工人又開始查找是否有冷卻器泄漏，最初認(rèn)為泄漏原因是冷卻水供應(yīng)減少導(dǎo)致冷卻器被燒壞。后來，這一推斷得到了證實。

10時11分，屏幕警告表明爐內(nèi)氫氣含量明顯升高，但仍未找到漏點。11時30分，進(jìn)風(fēng)切斷。但由于仍有鐵水和熔渣從爐中流出，高爐的停運時間被推遲到14時30分。

13時左右，停止進(jìn)料。這時一名技術(shù)專家在3號風(fēng)口附近發(fā)現(xiàn)了黃綠色火苗，認(rèn)為是水進(jìn)入而產(chǎn)生的氫氣燃燒的火苗。對所有的風(fēng)口進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)，除3號和4號風(fēng)口發(fā)濕之外，其余均正常。從風(fēng)口的觀察孔可以看到水在爐內(nèi)滴流。下午再次對水系統(tǒng)進(jìn)行了檢查，發(fā)現(xiàn)有一組Sorrelor冷卻器未檢測。

19時，開始對高爐進(jìn)行通風(fēng)，重新恢復(fù)作業(yè)。此時有人在3層平臺上發(fā)現(xiàn)有3臺冷卻器發(fā)生故障，于是通過旁路和灌漿進(jìn)行隔離。當(dāng)時，冷卻器已經(jīng)泄漏了約10 h。23時30分，高爐開始進(jìn)風(fēng)并重新進(jìn)料。

11月8日午夜過后，員工試圖通過在出鐵口上鉆孔與鐵水“建立連接”。但幾次嘗試都未成功。并且在第二次嘗試過程中有橘色火苗從出鐵口中竄出，說明有氫氣存在。

之后就開始在出鐵口上“穿刺”。該過程是利用熱噴槍使?fàn)t內(nèi)的固化物質(zhì)燃燒，以便引出熔化的鐵水或熔渣。0時30分，有氣體火苗和一些熔渣從南部的出鐵口流出，但沒有鐵水。2時30分，鐵水慢慢流出。

11月18日12時50分，氫氣濃度超出7%，說明又有大量水進(jìn)入爐中。高爐仍在繼續(xù)進(jìn)風(fēng)，同時也在進(jìn)行查漏作業(yè)。

17時12分，一名在出鐵口周圍的員工發(fā)現(xiàn)在搭接接頭處有異物出現(xiàn)，認(rèn)為肯定是漏鋼了，喊了一聲“快跑”，幾乎就在此時，高爐發(fā)生爆炸。

事故原因

第一，直接原因是水和熔化的熱物料在高爐下部發(fā)生反應(yīng)，致使?fàn)t內(nèi)超壓。第二，關(guān)鍵性水冷系統(tǒng)發(fā)生故障，導(dǎo)致水從冷卻系統(tǒng)進(jìn)入爐中。第三，該廠的安全工作一直存在重大問題。除了高爐廠之外，這些問題在全公司范圍內(nèi)都存在，尤其是向高爐提供冷卻水的能源部門存在很大問題。

由于未能對高爐作業(yè)進(jìn)行充分的風(fēng)險評價，導(dǎo)致無法進(jìn)行技術(shù)和程序控制。冷卻水供應(yīng)的裕量和安全性不足，冷卻系統(tǒng)的可靠性在幾個月內(nèi)不斷下降，呈惡化趨勢。

事故教訓(xùn)

安全管理

公司應(yīng)該對安全部門的職能和作用進(jìn)行審查。將其更好地融入運行和工程管理。

高爐目前屬于重大事故危險控制條例（COMAH）管制的范圍，對重大危險進(jìn)行識別和評價是法律要求。在這之前，預(yù)測工具和技術(shù)在鋼鐵行業(yè)的用途有限。危險與可操作性分析（HAZOPS）、失效模式與效應(yīng)分析（Failure Mode and Effects Analysis）、故障樹分析（FTA）、過程危險審查（PHR）及保護(hù)層分析（LoPAl）等風(fēng)險評價和管理預(yù)測工具，均應(yīng)在鋼鐵行業(yè)和其他過程行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。冷卻水

應(yīng)該保證冷卻水的供應(yīng)。供水系統(tǒng)本身要具有較高可靠性。這種可靠性來自于良好的工程設(shè)計（包括適當(dāng)?shù)脑Ａ浚?、適當(dāng)?shù)木S護(hù)，還要進(jìn)行密切的監(jiān)測，及早發(fā)現(xiàn)可能會影響完整性的危險因素。

要運用可靠工程技術(shù)來識別關(guān)鍵安全裝置，并采取適當(dāng)?shù)陌脖４胧Ｔ诤侠砜尚械那闆r下，應(yīng)該將高爐冷卻水系統(tǒng)建成密閉系統(tǒng)。

泄漏檢測

迅速發(fā)現(xiàn)爐內(nèi)冷卻水的泄漏點至關(guān)重要。泄漏點的快速檢測離不開良好的工程、合適的檢測方法及經(jīng)過充分培訓(xùn)且合格的操作員。水冷高爐的所有操作員都應(yīng)掌握快速檢測泄漏的措施。

在合理可行的情況下，應(yīng)為水冷高爐安裝專門為發(fā)現(xiàn)泄漏用的儀表，以便更早、更精確地檢測到泄漏的元件。

維修

高爐供水裝置的維修、檢查或測試工作非常重要。要清楚維修、檢查及測試不當(dāng)會對安全造成的影響。各相關(guān)部門在進(jìn)行可能影響裝置安全操作或可靠性的維修或其他作業(yè)前，要適當(dāng)溝通，簽訂正式協(xié)議。要對關(guān)鍵安全設(shè)備進(jìn)行識別，并對這些設(shè)備的維修、檢查和測試加以優(yōu)先考慮。

高爐恢復(fù)及異常情況

高爐恢復(fù)過程比正常操作時的風(fēng)險大得多。所有相關(guān)人員都要了解這些風(fēng)險及控制措施，包括進(jìn)行有效溝通，以保持對風(fēng)險的控制。

5號高爐恢復(fù)作業(yè)的過程中，存在一個嚴(yán)重問題，即無法了解爐內(nèi)的變化情況。裝置發(fā)生異常時，應(yīng)由經(jīng)驗豐富的高級管理者負(fù)責(zé)整個情況，專門對關(guān)鍵的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控，以便為處理異常狀況的人員出謀劃策。在高爐恢復(fù)作業(yè)中的專業(yè)參數(shù)應(yīng)包括鐵水、氫氣和相關(guān)趨勢的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

變更管理

改變安全相關(guān)裝置和設(shè)備（包括操作參數(shù)變化）前，應(yīng)建立正式的改造前風(fēng)險評價體系，同樣也要有改造后安全審查體系。變更管理體系不僅包括工程和運行職能部門，還要有經(jīng)驗豐富的安全專業(yè)人員參與評估。另外要明確各方的責(zé)任和義務(wù)。對裝置進(jìn)行任何物理改變都要進(jìn)行評價、詳細(xì)記錄和再評估。

決策

對于緊急情況的管理，應(yīng)該建立明確的“直線責(zé)任”。裝置或過程出現(xiàn)不良情況時，管理者在壓力下做出的決策可能會產(chǎn)生重大錯誤。適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)和豐富的經(jīng)驗非常重要，但對于可預(yù)見的情況，應(yīng)該制定更精確的協(xié)議來指導(dǎo)決策。進(jìn)行應(yīng)急事件模擬培訓(xùn)時,要注意培養(yǎng)操作人員在緊急或異常情況下的信心和技能。

設(shè)計問題

通過徹底改進(jìn)高爐設(shè)計方案來削減風(fēng)險的方法，并不常見。對新的或大部分需要重建的高爐進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)考慮提高冷卻水供應(yīng)的可靠性、更合適的管網(wǎng)布局、閥門位置和水監(jiān)測系統(tǒng)，以便快速發(fā)現(xiàn)漏點，采取補(bǔ)救措施。

為加強(qiáng)對高爐冷卻水參數(shù)的監(jiān)測，應(yīng)改進(jìn)監(jiān)測系統(tǒng)。設(shè)計并安裝精度更高的安全儀表。

人為因素

裝置或過程出現(xiàn)異常時，所有人都應(yīng)了解誰負(fù)責(zé)制定決策，確保響應(yīng)人員之間有正確的溝通方式。員工也要了解自己的職責(zé)。

還要提高員工的安全意識，充分重視水和金屬、水和熔渣產(chǎn)生的爆炸風(fēng)險。最后，熔化的物質(zhì)與水接觸后會帶來多大風(fēng)險仍需持續(xù)探索。