一、事故简述

  2010年4月2日，在美国Tesoro炼油厂的一个换热器E-6600E发生了灾难性的破裂，易燃的氢气和约260℃的石脑油从破裂的换热器泄漏出来，被引燃发生爆炸，并引起火灾，经过3小时才扑灭。

  图-1 换热器突然破裂形成大火球

  换热器破裂时，高温物料泄漏后就被引燃，形成一个大火球。当时有操作人员正在现场工作，1名班长和6名操作工当场死亡。

  图-2 操作人员需要在现场频繁开关手阀（调节流量和温度）

  工厂该单元共有6个换热器（平行的两组），用于反应器的进料预热。发生事故时，换热器D、E与-F在工作中，操作人员正在将换热器A、B和C投入生产，此时换热器E突然破裂了（碳钢材质）。

  图-3 两组并联的换热器

  二、调查发现的情况

  换热器E是碳钢材质建造，遭受了高温氢腐蚀。换热器B和换热器E的材质及操作条件相同，它虽然没有破裂，其实也遭受了严重的高温氢腐蚀。

  高温氢腐蚀会产生裂纹：当碳钢暴露在高温的氢气环境下，会发生高温氢腐蚀。氢腐蚀容易发生在应力大和没有经过焊后热处理的区域。

  【机理】：氢原子渗透进入金属本体，氢原子与金属结构中的碳原子结合，形成甲烷气体。甲烷留在金属体内并且膨胀，产生压力，金属本体因此产生裂纹。

  图-4 氢原子和碳原子结合成甲烷分子

  图-5 甲烷分子膨胀形成裂纹

  氢腐蚀非常难识别：它往往出现在很小的局部区域，需要在显微镜下才能发现，而且，只有当设备已经损坏后，才能发现它。对氢腐蚀的识别，对检验人员的专业要求非常高，大部分的检验人员都不具备这样的专业能力。因此，依靠检验很难解决问题。设备的检验和焊接后热处理都依赖管理制度（属于行政管理措施），不是可靠的安全措施。

  本质安全的设计是防止氢腐蚀更好的途径。API（美国石油协会）提出，高铬钢能显著消除氢腐蚀的影响。本次事故中的换热器B和E都是碳钢建造，不是本质上更加安全的材质。

  工厂之前开展过工艺危害分析，提到过氢腐蚀的问题，但只是定性地对相关措施进行了罗列，没有对安全措施的有效性进行确认。后续的工艺危害分析复审，也没有提出新的要求。

  这些换热器的开车操作是非常规作业，具有一定的危险性。在以往开车期间，经常发生泄漏，工厂管理层之前的确想了一些办法来阻止泄漏，都没有奏效。在生产正常后，这些泄漏通常就会终止。逐渐地，工厂后来就没有再采取新的措施，把开车期间的泄漏视为可以接受的“正常现象”，

  在1995年，对换热器的操作进行了改变（变更），增加了换热器内氢气的分压，这会加剧氢腐蚀。针对该变更的工艺危害分析并没有对氢腐蚀的影响开展评估。在2009年，为了阻止泄漏，工厂又在换热器上增加了蒸汽注入点。

  尽管很容易监控这些换热器的操作条件，但是工厂并没有这么做。腐蚀专家通过尼尔森曲线（Nelson curve）来判断氢腐蚀的影响时，采用的是设计条件数据，而不是实际的操作参数，于是得出了错误的结论（事实上，换热器B和E的一些高温区是在碳钢尼尔森曲线以上操作，会存在氢腐蚀）。

  图-6 换热器第四段的操作部分位于曲线上方

  换热器的操作程序要求只安排一名操作人员到现场执行开车任务，在开车这类危险性较高的作业任务执行过程中，该工厂缺乏有效的措施来限制现场的作业人数。事故发生时，班长要求额外的5个人到现场，他们都不幸死亡（换热器组在开车期间总是存在泄漏的情形，工厂管理层没有进一步研究落实防止泄漏的措施，因此，在开车期间需要较多人在现场，主要任务是准备堵漏。此外，换热器相连的管道上有尺寸很大的手阀，操作人员需要在开车时就地频繁开关阀门来调节温度，这也是导致现场需要更多人的原因之一。

  在2006年以前，工厂建立了腐蚀控制制度，根据该制度编制了详细的机械完整性检查清单，此后中断了腐蚀相关的检查，理由是“这些不是法规所明确要求的”任务。

  三、小结

  机械完整性是防止泄漏、实现工艺安全的物质基础。它贯穿设备的整个生命周期，包括设备的设计阶段。设计时，根据工艺条件选择适当的建造材质，是实现机械完整性的重要前提条件。

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