Sterigenics国际公司医用品灭菌装置环氧乙烷爆炸事故

1CSB经典案例分析—Sterigenics国际公司医用品灭菌装置环氧乙烷爆炸事故唐彬天津市居安企业管理咨询有限公司中国石油和化学工业协会培训中心摘要本文结合美国化学品安全与危害调查委员会（CSB）对Sterigenics国际公司医用品灭菌装置环氧乙烷爆炸事故的调查，详细介绍医用品灭菌装置环氧乙烷爆炸事故的背景、过程与后果，并从技术和管理角度综合分析、总结导致事故的各方面原因，分享CSB调查组为预防类似事故发生提出的建议措施。关键词:医用品灭菌、环氧乙烷、爆炸、美国化学品安全与危害调查委员会(CSB)1.事故简介2004年8月19日，位于美国加利福尼亚州Ontario的Sterigenics国际公司的空气污染控制装置和医用品灭菌柜内发生一起爆炸事故，造成4名工作人员受伤，生产装置严重破坏，停工9个月，如图1所示。事故发生时，维护人员通过输入密码跳过了计算机控制的保障措施，导致灭菌柜门过早打开，造成含有环氧乙烷（EthyleneOxide,EO）的爆炸性混合物通过灭菌柜通风系统被排放到催化氧化器（内有明火）中，环氧乙烷立即被点燃，火焰通过通风导管迅速回窜到灭菌柜中，造成约22.7kg环氧乙烷被点燃，并发生剧烈爆炸。爆炸事故中涉及的装置平面布置和关键设备如图2所示。2图1：事故现场图图2：装置平面布置示意图2.事故背景32.1公司背景Sterigenics国际公司是一个知名的医用品灭菌服务提供商，在美国及全球范围内专门提供各种类型的灭菌技术服务。目前Sterigenics国际公司在全球范围内拥有40个分公司，包括美国境内的9套环氧乙烷灭菌装置，员工约1000人。此次事故中涉及的Ontario环氧乙烷灭菌装置建造于1993年，1994年开始投入使用。该套装置设有8个灭菌柜，一周7天、一天24小时运行，员工约30人。2.2环氧乙烷特性环氧乙烷（EthyleneOxide,EO）具有可燃性和毒性。美国职业安全与健康管理局（OSHA）通过2个独立的法规对环氧乙烷进行管控：环氧乙烷（29CFR1910.1047）和高危险性化学品过程安全管理（ProcessSafetyManagementofHighlyHazardousChemicals,PSM）。同时，环氧乙烷还受美国环境保护局（EnvironmentalProtectionAgency,EPA）管控。（1）可燃性环氧乙烷是一种高活性化合物，化学式为CH2OCH2。环氧乙烷/空气混合物的燃烧下限是2.6%，燃烧上限是100%，因为在没有空气或氧气的情况下，纯环氧乙烷也可以燃烧。在富含气体的管道或通风管内部，环氧乙烷一旦被点燃，其火焰燃烧速度会迅速加快。随着火焰的加速，火焰前端未燃烧的环氧乙烷被压缩和加热，导致更深度、更剧烈的燃烧反应。正是由于环氧乙烷火焰急剧加速的特点，设计和安装可靠的爆炸控制系统非常困难，特别是把环氧乙烷加入到已有工艺设备中时。为了避免发生爆炸，装置必须把进入催化氧化器的环氧乙烷浓度控制在燃烧下限以下。美国国家防火协会（NationalFireProtectionAssociation,NFPA）规范要求对输往催化氧化器的环氧乙烷浓度进行稀释，低于燃烧下限的25%或者6500ppm。通常情况下，灭菌过程中灭菌柜内的环氧乙烷浓度能达到400000ppm，非常容易爆炸。（2）毒性环氧乙烷对人体的急性（短期）影响主要包括中枢神经系统抑郁、眼部和黏膜刺激。慢性（长期）暴露的话，环氧乙烷会造成眼部、皮肤和黏膜刺激，以及大脑和神经功能问题。美国职业安全与健康研究所近期进行的一项研究表明，长期暴露在环氧乙烷环境下会增加男性4骨癌和女性乳腺癌的风险。EPA已将环氧乙烷列为可能的人类致癌物，国际癌症研究机构(IARC)把环氧乙烷列为1类人类致癌物。OSHA规定的允许暴露阈值是1ppm（基于8小时工作日）。对于较高浓度的短期暴露，OSHA规定的短期（不超过15分钟）暴露阈值是5ppm。2.3环氧乙烷灭菌工艺Sterigenics国际公司的Ontario灭菌工艺，首先把待灭菌产品放入一个大型的不锈钢柜中，抽真空，并注入纯环氧乙烷，达到灭菌浓度，约400000ppm。环氧乙烷通过破坏维持生命的细胞分子来杀死微生物。经过灭菌处理的医用品必须满足美国食品和药物管理局（FoodandDrugAdministration,FDA）颁布的严格的安全法规，涉及医用品微生物含量和环氧乙烷残余量的可接受等级。环氧乙烷灭菌工艺主要包括预处理、灭菌和解析等阶段，如图3所示。图3：医用品灭菌工艺概况（1）预处理医用品灭菌工艺的第一阶段是预处理，根据待灭菌产品的不同，预处理阶段持续时间约6~24小时，形成高等级湿度的环境，温度约27~49℃。该阶段主要目的是确保环氧乙烷能有效渗透进入待灭菌产品，并为灭菌阶段提高待灭菌产品的温度。预处理阶段在4个可以控制环境条件的室内进行。（2）灭菌预处理阶段完成后，操作人员使用叉车把待灭菌产品移至灭菌柜中，然后对灭菌柜进行密封，准备灭菌处理。控制室位于装置的西侧，操作人员把命令代码输入到计算机过程控制系统（Antares系统），控制并监控灭菌循环的过程。根据待灭菌产品的特性，灭菌循环持续时间约6~15小时。5灭菌循环开始时，首先把灭菌柜初始抽真空，并注入一些蒸汽对待灭菌产品进一步处理，然后注入环氧乙烷。待灭菌产品暴露在高浓度环氧乙烷环境中，同时灭菌柜维持着负压条件至预定时间，称作“气体驻留”阶段。这一阶段结束后，灭菌柜中的气体混合物被排放到一个酸洗涤器中，目的是除去其中的环氧乙烷。此时约60%的环氧乙烷会从灭菌柜中排出。然后灭菌柜会进行一系列的氮气或空气冲洗过程，从而除去剩余的环氧乙烷。灭菌循环顺序如图4所示。图4：灭菌循环序列虽然经过灭菌处理产品中的所有环氧乙烷会被除去，但是气体冲洗后灭菌柜中还可能存有一定具有毒性浓度的环氧乙烷，但通常不会达到爆炸浓度。为了吹扫这些残余的环氧乙烷，操作人员会打开灭菌柜门约15cm，同时自动打开通风导管（称作“后部放空口”，位于灭菌柜的后部）。操作人员把灭菌柜门置于开启位置几分钟，对灭菌柜进行通风吹扫，然后工作人员可以安全进入灭菌柜，取出灭菌后的产品。通过后部放空口排出的气体进入催化氧化器，从气流中除去残余的环氧乙烷。（3）解析灭菌柜通风完成后，操作人员完全打开灭菌柜门，使用叉车把灭菌后的产品移至解析室中。解析室中的循环空气也会被排放到催化氧化器中，除去任何残留的环氧乙烷。2.4排放控制EPA和加州空气资源委员会（CaliforniaAirResourcesBoard,CARB）关于环氧乙烷的排放6标准，要求灭菌装置必须除去其气体排放物中的环氧乙烷。此次事故涉及的Ontario灭菌装置在1994年建造时，安装了催化氧化器，以满足上述气体排放物标准的要求。后来，其他使用环氧乙烷的灭菌装置发生了多次爆炸事故，1998年，Ontario灭菌装置又增设了一个酸洗涤器，用于处理灭菌和气体冲洗阶段结束时从灭菌柜排出的高浓度气体。但是，该套装置继续使用催化氧化器处理从灭菌柜后部放空口和解析室排出的低浓度排放气，因为酸洗涤器不能满足CARB的气体排放物标准。（1）酸洗涤器酸洗涤器较催化氧化器更安全，因为酸洗涤器不使用明火和热源。酸洗涤器使用水和硫酸的溶液把气态环氧乙烷转化成乙二醇溶液，然后送去废水处理装置。酸洗涤器非常适合高浓度排放物的处理，但是针对从灭菌柜后部放空口和解析室排出的低浓度气体，酸洗涤器不能达到加州气体排放物的处理标准。所以，Ontario灭菌装置继续使用催化氧化器来处理这部分排放物。（2）催化氧化器一系列的螺旋状钢制导管连接着一个管汇，把含有环氧乙烷的排放气送至催化氧化器。一个换热器和使用天然气的燃烧室（明火）把进入催化氧化器的空气加热至约149℃，到达这个温度时，环氧乙烷才能和催化剂床中的金属合金发生反应，环氧乙烷分子转化成二氧化碳和水蒸气，从而除去环氧乙烷:，如图5所示。图5：催化氧化器示意图为了防止对催化氧化器造成破坏，催化氧化器设有几个安全特性，但是都不具备防止高浓度7灭菌柜排放气被点燃的功能，也不能探测和阻止火焰从催化氧化器回窜到灭菌柜中。3.环氧乙烷爆炸事故发生过程3.1事故发生前2004年8月19日，上午约1:30，灭菌装置的Antares系统发生报警，显示7号灭菌柜中注入环氧乙烷失效。操作人员在控制室中立即进行了数次常规系统检查，确定报警是否准确，但是没有发现任何问题。然后他叫来操作班长商量，他们决定中止灭菌循环过程。按照公司规定，他们使用了控制室操作台上的循环中止按钮。循环中止完成后，操作人员把灭菌柜中的产品转移到解析室中，灭菌柜门敞开着，等待维护人员进行检查维修。维修监督上午约7:30来到现场，立即安排2名技术人员解决环氧乙烷注入问题。技术人员进行了一系列测试，并注入约1.8kg环氧乙烷进行了简短测试循环，没有发现任何问题。技术人员最后又使用约56.7kg环氧乙烷进行了最终的校准循环，注入过程同样正常，没有问题。技术人员已经排除了环氧乙烷注入系统的问题，并急于让灭菌柜恢复使用，于是技术人员向维修监督请求许可，跳过最后的气体冲洗阶段，提前完成循环过程。技术人员认为灭菌柜中已经没有残余的环氧乙烷，所以没有必要进行气体冲洗。维修监督同意他们的观点，同意提前完成循环过程。3.2事故发生为了提前完成循环过程，维修监督口头告知技术人员密码，技术人员把命令和密码输入到Antares系统，跳过了气体冲洗阶段。几分钟后，技术人员把灭菌柜门开启至预定的通风状态，自动打开后部放空口，导致残留在灭菌柜中的约22.7kg环氧乙烷进入通风系统。环氧乙烷立刻从灭菌柜门开口处泄漏出来，引起附近区域的可燃气体监测仪报警。但是，报警没有留下足够的时间去关停催化氧化器或者疏散装置人员。携带着环氧乙烷的空气进入催化氧化器，并被点燃，火焰通过通风导管回窜至灭菌柜，点燃了剩余的环氧乙烷，引起剧烈爆炸。爆炸过程示意图如图6所示。8图6：爆炸示意图4.环氧乙烷爆炸事故分析4.1爆炸源根据通风系统和7号灭菌柜破坏的位置和程度，可以看出爆炸性混合气体（携带环氧乙烷的空气）是从通风导管进入催化氧化器的，在催化氧化器中被明火点燃，然后火焰又从通风导管回窜至灭菌柜中，最终导致剧烈爆炸。火焰快速燃烧和蔓延过程中产生的爆炸超压，造成整个灭菌柜结构严重破坏，如图7所示。9图7：爆炸后的7号灭菌柜4.2工程控制措施根据美国化工过程安全中心（CenterforChemicalProcessSafety,CCPS），过程安全的基础是工艺设计，包括控制系统、报警和联锁、安全停车系统、应急响应和培训等。但是，如果基本的保护系统失效的话，则必须采用可靠的备用系统控制危险。（1）浓度控制设计措施阻止Ontario环氧乙烷灭菌装置爆炸事故发生的关键是确保高浓度的环氧乙烷气体混合物不能接触点火源（例如催化氧化器）。事故发生时，Ontario环氧乙烷灭菌装置的工艺设计措施包括灭菌柜压力监测、排空和气体冲洗、以及联锁系统。在最初的灭菌循环设计阶段，Antares系统通过指令顺序编程控制上述功能。Ontario环氧乙烷灭菌装置通过间接的监测灭菌柜浓度，验证灭菌柜是否达到了FDA要求的环氧乙烷等级。但是，不能监测灭菌柜中环氧乙烷的爆炸性浓度。事故发生前，当循环序列被中断时，工作人员无法确定灭菌柜中的环氧乙烷浓度是否处于爆炸范围。在灭菌循环过程中的排空和气体冲洗阶段，会把高浓度的灭菌柜气体送至酸洗涤器进行处理，除去灭菌柜中达到爆炸浓度的环氧乙烷气体。为了防止灭菌柜门的误打开，设置了充氮门垫和压力传感器等联锁。Ontario环氧乙烷灭菌装置还设计了4:1的放空气稀释气，确保灭菌柜里的最终环氧乙烷浓度10低于25%LEL，所以装置人员认为不可能存在爆炸性浓度气体进入催化氧化器的情况。但是，他们没有预想到在循环结束后会有大量环氧乙烷留在灭菌柜里。CSB调查组估计，爆炸发生前灭菌柜中的环氧乙烷浓度约为18%（180000ppm），是LEL的6倍。（2）控制室设计和位置用于监控和控制灭菌过程的控制室距离7号灭菌柜