アメリカのマーカス・オイル＆ケミカル社のポリエチレンワックス製造設備での爆発火災事故

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アメリカのマーカス・オイル＆ケミカル社におけるポリエチレンワックス製造装置の爆発火災事故についての要約　本稿では、アメリカの化学物質安全・危険性調査委員会（CSB）がテキサス州ヒューストン市南西部にあるマーカス・オイル＆ケミカル社のポリエチレンワックス製造装置の爆発火災事故について行った分析をもとに、変更管理の観点から事故の原因を深く分析し、改善策を提案している。2004年12月3日午後5時50分、アメリカのテキサス州ヒューストン市の南西に位置するマーカス石油化学社のポリエチレンワックス製造施設で爆発と火災が発生しました。多くの従業員が大きな爆発音を聞きました。約45秒後にさらに大きな爆発が起こりました。消防隊は爆発から約5分後に現場に到着し、爆発から7時間後（真夜中）になってようやく3か所の火災を鎮圧することができました。 消火活動中に3人の消防士が軽傷を負い、地元住民数名が割れたガラスによってけがをしました。爆発により建物や車両の窓ガラスが破壊され、400メートル範囲内の建物の構造も損傷しました。近くの建物や商業施設、教会内の天井や照明器具も落下しました。直径3.7m、長さ15m、重量23tの7#タンクは爆発の衝撃波によって68mも遠くまで投げ出され、最終的に近くの別の会社の倉庫に衝突した（図1は爆発による7#タンクの位置変化を示している）。その他、より大きな爆発片は近隣の地域に飛んで行き、例えば152m離れた住宅地で9kgの鋼板が発見された；274m先の草地で54kgの鋼板が発見された；400m離れた住宅地で1kgの鋼板が発見されました。図1：爆発により7番のタンクが45平方メートル移動した。マーカス石油化学会社の爆発火災事故に関する工程の説明、および物的証拠と検査結果。マーカス石油化学会社は1987年に設立され、主に高密度ポリエチレンワックスを生産している。この高密度ポリエチレンワックスは、塗料や接着剤、研磨剤、ゴム製品、繊維製品などの製造に広く使用されており、年間の生産量は11.3万トンを超える。2.1 工程の説明
マーカス石油化学会社のポリエチレンワックス製造工程のフローチャートは図2に示されている。ポンプを用いてパラフィンを積んだタンクから洗浄タンクへ送り込み、原料は洗浄タンク内で沈殿する。不純物はタンクの底部に沈み、洗浄タンクの上部にあるパラフィンからヘキサンやその他の炭化水素を抽出した後、固形化してポリエチレンワックスの粒子となり、包装される。抽出された炭化水素は貯蔵タンクに保管され、販売される。工程生産の全過程で窒素が使用され、溶融したパラフィンが空気中の酸素と接触するのを防ぎます。酸素の酸化作用によって、明るい色のパラフィンが変色してしまうことは、許容できない。図2：ポリエチレンワックスの製造工程の概略図　作業員は定期的に、洗浄タンクの底に溜まった不純物を多く含む残留液を清掃し、清掃された残留液は固まった後、倉庫で保管され、後続の処理が行われる。2.2 残液処理作業員は、固まった残液を手作業で高温蒸気コイルが設置された4#タンクに入れて溶融させ、その後ポンプで6#および7#タンクに送り込んで保管し、処理の準備を行う。タンク内のコイルに蒸気を通して、液体パラフィンの温度を約149℃に維持する。オペレーターは窒素システムを用いて6#および7#タンクに圧力をかけ、圧力差によって4#タンク内の液体残留物をリフトパイプを通じてポンプの入口まで送ります。その後、ポンプによって残留物が処理装置へ送られ、そこで残留物中の炭化水素がさらに除去されます。精製された残留物は固体となって粒子状になり、包装されます。精製後の残留物の様子は図3に示されています。図3：残液処理後のパラフィン球状粒子 2.3 窒素システム 窒素は現場で1台の小型窒素製造機を用いて製造され、2基の大型圧力容器に貯蔵されている。窒素システムの最大圧力は0.83Mpa（表圧）です。窒素減圧弁は、圧力を0.28～0.48Mpa（表圧）まで下げた後、6#および7#タンクに供給する。小型窒素製造機の負荷ではタンクから物質を移すための要求を満たすことができないため、時には窒素の圧力が、タンクから物質を移すのに必要な最低圧力まで下がってしまうことがあります。オペレーターが窒素製造機による窒素タンクの加圧を待っている間、パラフィンの輸送は遅れることになる。オペレーターは一時的なホースを使って圧縮空気システムと窒素製造機の窒素供給システムを接続しました。大容量の空気圧縮機が補充空気によって迅速に窒素システムの圧力を上げることができたため、上記の生産遅延の問題が解決されました。最後に、作業員は恒久的な配管とバルブを使ってこの仮設ホースを交換しました。この変更により、窒素システムの圧力が低くなったたびに仮設ホースを接続しなければならないという非定型的な作業がなくなりました。しかし、作業員は窒素システムに直接空気を供給することで窒素タンク内に酸素が混入することに気づいていませんでした。爆発事故の後、アメリカ化学安全・危険調査委員会（CSB）は、窒素製造機、窒素減圧弁、窒素タンク内のガス、パラフィン、加工装置内の残留液、および7番タンクの金属サンプルを検査した。損傷していない窒素発生装置の出口ガスを検査することで、装置が設計条件通りに動作しているかを確認する。検出結果は、ガスサンプルに窒素が92％～96％、酸素が4％～8％含まれており、装置の設計条件を満たしていることを確認しました。窒素タンクから採取したガスサンプルを検査し、6#および7#タンクに供給される窒素の純度を確認する。このサンプルは、82％の窒素と18％の酸素を含んでいます。これによりCSBの結論は、マーカス石油化学会社が窒素システムに圧力をかけるために設置した圧縮空気接続配管が、窒素タンク内の窒素を酸素で汚染したというものである。CSBのさらなる結論は、窒素中の酸素含有量は燃焼の発生を支えるのに十分であるというものだ。CSBは、さまざまな入口圧力および流量の値で窒素減圧弁をテストし、事故発生時の7#タンクの想定される操作圧力を特定した。元々設定されていた圧力は0.46Mpa（表圧）でした。さらなるテストにより、減圧弁の機能が正常であることが確認され、減圧弁に取り付けられた圧力計の精度は0.007Mpa未満であった。2.4 物理的証拠と検査 CSBは7#タンクおよび回収されたタンク本体とヘッドを目視検査したが、機器の銘板は見つからず、またマーカス石油化学会社は7#タンクやその他の（5#、6#、8#）タンクの設計、製造、および安全運転圧力に関する書類を提供できなかった。CSBは、アメリカ機械学会（ASME）のボイラーおよび圧力容器規格に従って、7号タンクの安全運転圧力を0.55Mpa（表圧）と算出しました。CSBは、マーカス石油化学社が5号、6号、7号、8号タンクを改造したことを発見した。タンク内のパラフィンの温度が融点を上回るように、各タンクのシールプレートには直径609mmの穴が開けられており、その穴に蒸気加熱用のコイルを取り付けた後、溶接して密閉している。8号タンクの溶接補強板は図4に示されている。図4：8号タンクの溶接補板 7号タンクの補板は見つからなかったが、CSBの調査員の結論では、それは他の3つのタンクにある補板と類似しているとのことだ。補修板の溶接部が、一般的な圧力容器製造の工業品質基準を満たしていなかったため、事故発生時にこの溶接部が破損したのである。 マーカス石油化学社は、資格を持つ溶接工や適切な溶接方法を使用せずに、容器のヘッド部分にある補修板を再溶接し、タンクに蒸気配管のノズルを取り付けた。会社の担当者も、溶接作業完了後にこの容器の水圧試験を行わなかったことを認めている。CSBは廃パラフィンサンプルの可燃性と反応性を検査した。パラフィンの引火点は110℃です。パラフィン様のサンプルには発熱性は見られなかったため、CSBの結論は、制御不能な化学反応は今回の事故の要因には含まれないというものである。3. マーカス石油化学会社の爆発火災事故の原因分析
CSBはマーカス石油化学会社の爆発火災事故について調査を行い、得られた物理的証拠や検査結果に基づき、最も可能性の高い事故の状況は以下の通りであると判断しました：1) 操作員が、本来設計上では酸素濃度8％以下であるはずの窒素の代わりに、酸素濃度18％を含む窒素を使用して、6#および7#タンクに圧力をかけた；2）7#タンクの内部圧力（0.46Mpa（表圧））は、タンク本体の補強板溶接部の強度を超える可能性がある。この溶接部は完全に破損し、補修用プレートがタンクから飛び出した；3）タンク内圧力は、直径609mmの開口部から迅速に減圧される。炭化水素蒸気、圧縮空気、そして高温の液体パラフィンが、開口部から一緒に噴出する；4）補強板がコンクリート基盤に衝突した際に火花が発生し、パラフィンや炭化水素の蒸気が引火した可能性がある；5）7号タンク内の酸素濃度が高いため、炎がタンク内部に逆流し、内部での爆発により7号タンクのヘッドが数片に破壊された；6）2268kgのタンクが爆発によって飛ばされ、近くにあった使われていない機器に衝突した後、最終的に137m先の倉庫に停止した；7）燃えているポリエチレン蝋が倉庫や他の設備に飛び散り、可燃物に引火した。発生した大火は約7時間燃え続けました。その中でCSBは、マーカス石油化学会社による3回の変更がこの事故の原因となったと指摘している。変更1：7番タンク内に蒸気加熱用コイルを追加した際、補修板の溶接部の厚さは補修板全体の厚さの20％未満であり、多数の亀裂も存在していた。不適切な溶接の影響は二重のもので、一方ではその部分のタンクの強度を75％も低下させてしまった；同時に、溶着部の不足や劣悪な溶接部品質は疲労き裂の発生を引き起こし、さらに溶接部の強度を低下させる；変更2：窒素減圧弁による検出結果に基づき、7号タンクの内部圧力は0.46MPa（表圧）である可能性が最も高い。作業員によると、この窒素減圧弁は通常0.31MPaに設定されているが、パラフィンが加工装置内に流れ込み続けるために、人為的に圧力を上げたとのことだ。7号タンクの高い圧力が、事故発生時に不具合箇所の溶接部の変形を引き起こした可能性がある。変更3：マーカス石油化学社は窒素システムと圧縮空気システムを接続し、窒素システムの迅速な充填を可能にした。廃パラフィンの処理過程において、製品が空気にさらされることで起こる脱色現象は注目されていなかった。しかし、管理職は工程変更によるリスクを評価していなかった。圧縮空気を利用して窒素システムを加圧することで、窒素中に最大18％の酸素が含まれるようになる。この窒素濃度は、タンク内のパラフィンおよび炭化水素蒸気の燃焼を維持するのに十分である。4. マーカス石油化学会社の火災事故から得られる教訓 CSBによる事故原因の分析を通じて、事故が発生したのは3度の変更があったためであることが明らかになります。化学工業においては、市場のニーズに応えたり、生産効率を向上させたり、操業条件を最適化したり、安全性を高めたり、その他の目的を達成したりするために、常に様々な変更が行われています。しかし、これらの変更は両刃の剣であり、利益をもたらす一方で害を増大させる可能性もあります。化学・石油化学業界における多くの悲惨な事故は、工程技術や設備を不適切に変更したことが原因で起きています。統計によると、約80％の工芸安全事故は「不適切な変更」に起因しているため、変更を管理することの本質は、潜在的な事故の予防と制御にある。マーカス石油化学会社の事故の重要な原因の一つは、工場に管理変更の仕組みが欠如しており、変更が行われたプロセスシステムに対する適切な安全審査が行われず、関連する変更を監督し承認する者もいなかったことである。変更管理制度の欠如により、審査されていない変更が設計、設置、稼働にスムーズに至った。変更を行う人員は研修や十分な経験が欠けており、このような工程システムの変更が引き起こすかもしれない深刻な結果を認識していない。4.1 変更管理とは何か
変更管理（Management of Change、MOC）は、プロセス安全管理システムの重要な要素です。変更管理とは、化学物質、工程技術、設備、手順、操作プロセスなどの永続的または一時的な変更を計画的に管理し、その変更の種類やレベル、実施手順などを決定することです。化学工場や石油化学工場におけるプロセス安全に関わる変更は、一般的に4つのカテゴリーに分けられる：プロセス技術の変更；作業手順の変更；工場設備変更；組織機構の変更。その中で、工程技術の変更、作業手順の変更、工場設備の変更は通常、工程安全に直接影響を与えるが、組織構造の変更は間接的に工程安全に影響を与える。しかし、国内では一般的に変更を：同種交換、微細変更、工程設備管更（技術変更）の3つに分けています。変更の管理プロセスには：変更分類；変更管理チームの設立、プロセス危険性分析、申請と承認、変更の実施、フォローアップ・検証、完了報告書の作成、文書の更新・アーカイブ、変更内容に関する研修・情報共有。手順は図5に示されている通りです。図5：変更管理フローチャート 4.2 変更プロセスにおけるリスク管理 変更管理の重点は、変更プロセスにおけるリスクをコントロールすることであり、変更プロセスのリスク管理は、変更案の提案段階、変更実施段階、変更後の再起動段階に分かれる。1）変更案提案段階のリスク管理 変更を要望する人が変更案を提出した後、その変更案に基づき、上司の承認を得る前にまずその案に対して適切な危険性分析を行う必要がある。例えば、危険と操作性の分析（HAZOP）、保護層分析（LOPA）、ウォット・イフ分析（What-If）、チェックリスト（Check-List）、事象樹分析（ETA）、事故樹分析（FTA）、ボウタイ分析（Bow-tie analysis）、定量的分析（QRA）、故障モード及び影響分析（FMEA）、信頼性・可用性・保守性分析（RAM）などである。元の工程や設備はすべて計算と検証を経ているため、新たな変更を行う際には、変更案自体が関わる工程システムや設備などのリスクだけを考慮するのではなく、変更後のシステム全体への影響も考慮し、全体的な観点から検討する必要があります。2）変更実施段階のリスク管理は、変更案がリスク分析を経て確定した後に実施される際、動火作業、制限空間内での作業、高所作業、隔離ロックアウトなどの作業が関わってくる。この段階でのリスクに対しては、作業安全分析（JSA）、タスクリスク分析（TRA）、事前危険分析（PHA）といった手法を用いて工事過程のリスクを特定する必要があり、作業安全はHSEシステム内の規程によって管理される。3）変更後の運転段階におけるリスク管理 変更実施が完了した後、運転を開始する前には運転前安全点検（PSSR）を行う必要がある。この際、変更が施された施工現場を確認し、変更対象の設置が完了していること、施工や機器の仕様などが以前承認された変更書類や図面と一致していることを確認する。また、安全、操作、保守、緊急対応などに関する手順書も作成または改訂されていることが求められる。変更プロジェクトの稼働前にチェックリストを作成し、稼働前にそのチェックリストに記載された項目を一つずつ確認します。すべての項目が要件通りに完了し、稼働条件が整った時にのみ、材料を投入して生産を開始できます。マーカス石油化学会社の数回にわたる変更では、各段階でリスクを特定し、そのリスク特定の結果に基づいて適切な対策を講じることがなかったため、事故が発生した。4.3 変更完了後の資料の更新 変更された工程システムが稼働し始めても、変更作業はまだ完了したとは言えず、変更の影響を受けるすべての図面や文書を更新し、保存する必要がある。一般的に更新が必要な文書には、工場の平面図、機器配置図、配管・計装フロー図、操作手順書、メンテナンス手順書、緊急対応計画、教育資料などがある。工場では、変更そのものに関する書類も保管する必要があります。例えば、変更申請書、図面、稼働前の安全点検記録、関係者への研修や通知に関する書面記録などです。OSHAのPSM要件によれば、工場は5年ごとにこれまでに行われたプロセス危険性評価の有効性を再確認する必要があります。その重要な作業の一つが、過去5年間に生じた変更事項をレビューすることで、このレビューには変更に関する文書資料が使用されます。現在、多くの企業が、電子版のPID図面が現場の実際の状況と一致しない、機器の操作マニュアルが現場の機器と合致しないなど、様々な資料が現場の実情と食い違う問題に直面しており、これが今後の生産管理やHAZOPの実施、新しく導入される装置の従業員への教育などに困難をもたらしています。実際、このような問題は、**小さな変更を実施した後に資料をタイムリーに更新しないという悪循環が原因で起こるのです。4.4 変更後の追跡 変更後は、単に変更資料をアーカイブしたからといって変更が完全に完了したと考えるだけではなく、変更の効果を追跡し、変更実施後に期待された変更目的が達成されたかどうかを確認する必要がある工程システムに他の付随的な影響をもたらしたか？システム内の他の機器に影響を与えましたか？追跡の結果、変更の目的が達成され、付随する影響がなく、変更後の工程安全情報が更新され、関係者に研修が行われ、関連資料がアーカイブされた場合にのみ、変更が完了したと見なすことができる。4.5 一時的変更の管理
一時的変更も災害的な事故を引き起こす可能性がある。一時的変更は一般的に恒久的変更のように図面や文書を更新する必要はないが、それでも通常の変更と同様の手順に従って審査、承認、稼働前の安全検査などを行うべきである。一時的な変更とは、例えば工程システムに一時的に機器を追加または取り外すこと、工程システム内で一時的な配管やバルブを使用すること、重要な警報やインターロックを一時的に無効にすることなどです。一時的な変更は一定期間後に元の状態に戻す必要があるため、一定の期間制限があります。工場は一時的な変更の期間を自ら定めることができ、その期間は数日から数週間までです。期間を超過した場合も延長することは可能ですが、その際には書面による承認が必要です。延期しても、通常は期間は6ヶ月を超えるべきではなく、そうでない場合は、現在承認されている一時的変更が期限切れになった際に、新たに一時的変更の申請を行う必要があります。5. 結論 どんな変更も、プロセスシステムを当初の設計意図から逸脱させる可能性がある。たとえごく小さな変更であっても、適切に管理しなければ破局的な結果を招く恐れがあり、これこそが企業が変更管理プロセスを確立し、変更管理の手順を規定する必要がある重要な理由である。企業は、変更の管理を担当する専任者を配置し、詳細な変更管理手順を策定する必要がある。変更の分類を明確にし、変更の各段階でリスク管理を徹底して、変更プロセスにおけるリスクを最小限に抑えるのである。6. 参考文献 Center for Chemical Process Safety (CCPS), 1992. 化学プロセス安全の技術的管理に関する工場ガイドライン（改訂版）, American Institute of Chemical Engineers, (AIChE)； 化学プロセス安全センター/(CCPS)、1993年。『プロセス安全のためのエンジニアリング設計ガイドライン』、539ページ。アメリカ化学工学会、(AIChE)； 化学プロセス安全センター/(CCPS)、1993年。プロセス安全管理と事故予防； ケーススタディ：ポリエチレンワックス処理施設での爆発・火災、2005-02-I-TX、2006年6月； AQ-T3034-2010 化工企業のプロセス安全管理実施ガイドライン； 『化学工業企業のプロセス安全管理実施ガイドライン』（AQ-T3034-2010）； 「化学プロセスの安全管理強化に関する指導意見」、安監総管三【2013】88号。