水蒸氣爆炸引發火災  之危害與改善建議
The risk of fire caused by steam explosions and suggestions for improvement


壹、前言

  爆炸現場常伴隨著火災發生,消防人員到達爆炸事故現場,首先必須了解爆炸物的性質及其在火災中所起的作用,避免搶救時造成二次危害,此外,調查人員抵達災害現場,除第一時間須詳實記載爆炸壓力造成物品、門、窗飛散及建築物破壞情形,對於爆炸產生現象與原理應充分了解,本文以水蒸氣爆炸為例,探討水蒸氣爆炸引發火災的機制與危害。

貳、爆炸定義及分類

  爆炸係壓力之快速產生,並釋放至周圍壓力較低之環境,因氣體快速膨脹,擠壓空氣或容器壁摩擦,發出聲響,造成破壞。然而蒸氣爆炸(vaper explosion)係指熱液體接觸冷液體時,使冷液體過熱的結果,引起急激蒸發,發生衝擊波。熱液體常為熔融金屬,冷液體則常為水。
  一、依據爆炸理化性分類
  (一)物理性爆炸:
  物理性爆炸特徵為爆炸現場通常無燃燒痕跡,並且傷者衣物無大面積燃燒痕跡。輪胎爆炸、電線過負載爆炸、火山爆炸、水蒸氣爆炸(突沸)、沸騰液體膨脹蒸氣爆炸(BLEVE)之前段及儲槽在施氣體耐壓試驗失敗所發生的爆炸等,皆屬於物理性爆炸。
  (二)化學性爆炸:
  化學性爆炸特徵為爆炸現場有燃燒的痕跡,且傷者有大面積燃燒痕跡,這是因為燃燒的化學物質爆炸燃燒波於受難者四周展開,導致皮膚表面積大面積燒傷。氣體爆炸、霧滴爆炸、粉塵爆炸、分解爆炸、聚合爆炸、反應性失控爆炸、可燃性蒸氣爆炸均屬之。
  (三)物理化學性爆炸:
  物理化學性爆炸是同時或順序發生物理及化學性爆炸,例如:液化氣體因某種因素造成壓力低於其臨界壓力或溫度升高至其臨界溫度以上時,由於無法維持液體狀態而急速蒸發體積膨脹造成沸騰液體膨脹蒸氣爆炸(BLEVE),這是物理性爆炸部份;如果此種蒸氣屬於可燃,接觸外部之著火源後,又會發生開放空間之蒸氣雲爆炸(UVCE),形成火球,這是化學性爆炸部分;兩部分緊接著發生,因之稱為物理化學性爆炸。
  二、爆炸造成之損害
  (一)爆炸處發生的壓力波傳播,其衝擊造成損害。
  (二)爆炸的破壞造成物品飛散、衝撞造成損害。
  (三)發生火球,其輻射熱造成損害。
  (四)爆炸後形成火災,導致燒損。
  (五)爆炸發生有害物質,其污染造成損害。

參、火災案例

案例一
  (一)發生時間:6月17日早上6時45分。
  (二)建築物用途:金屬製造廠。
  (三)燒損範圍:火災現場熔爐區內部物品、設備及鐵皮均受火熱不等程度的燒(爆)損面積約20平方公尺。
  (四)火災概要:
  1.現場為1層鋼骨鐵皮結構建築物,火災時現場銅熔爐正在進行銅熔解工作,當時現場工作人員正在進行進料(銅料)作業,工作到一半即發生爆炸,熔爐上方產生巨大的火球。
  2.現場熔爐區設有2座高週波感應熔解爐,主要熔解物料為銅,銅熔爐1內部物品及設備受不等程度燒(爆)損,熔解爐2輕微燒損。
  3.勘查現場,發現銅熔爐1嚴重被燒(爆),爐體爆開、向前傾斜約45度,爐體四周散落大量熔凝之銅料。
  4.銅熔爐1爐體上層嚴重受熱、變色、氧化,爐體內部壁面有銅料之殘存。
  5.銅熔爐1爐體下層無明顯燒痕,四周地面有散落熔凝之銅料,銅熔爐1爐體周圍有冷卻水盤管,盤管係為銅管,銅管(冷卻水盤管)有局部破損、熔凝之情形。
■熔爐區銅熔爐1 處內部物品及設備受不等程度之燒(爆)損。
■銅熔爐1 嚴重被火燒損,爐體爆開、向前傾斜約45 度,
爐體四周散落大量熔凝之銅料。
■ 銅管(冷卻水管)有局部熔凝之情形。

  (五)火災原因分析:
  銅熔作業係以電熔爐加熱銅料熔成銅水,再鑄成銅錠。銅熔爐之爐體外側設有冷卻盤管,進行熔爐作業前,需將進水開關開啟進水,作業過程中熔爐溫度約為1,200℃,當爐體耐火材料長時間使用造成局部龜裂時,高溫造成破壞冷卻水管洩漏,冷卻水侵入爐體內,高溫的銅溶液與水接觸,將水瞬間汽化成水蒸氣,造成壓力上升,體積膨脹發生爆炸,高溫的銅溶液往四周飛散,接觸可燃性物質如紙箱、塑膠,即著火引起火災。

案例二
  (一)發生時間:12月7日1時21分。
  (二)建築物用途:多晶矽太陽能晶圓製造廠。
  (三)燒損範圍:火災現場長晶室內部物品、設備、屋頂及牆壁受火熱不等程度的燒(爆)損,並輕微波及廠務區、坩鍋塗佈室及倉庫,燒(爆)損面積約150平方公尺。
  (四)火災概要:
  1.現場目擊者指稱:下午1時21分聽到爆炸,發現製造區長晶室發生爆炸,查事故現場有26臺長晶爐,其中僅第7臺長晶爐有爆損的情形。當日現場操作人員指出第7臺長晶爐於上午8時左右TC1OPEN(第1支溫度感應器)發出警示並已完成故障排除。下午1時左右,TC3溫度低於平時約100℃,不久機臺警報聲響起,隨即產生爆炸。
  2.勘查長晶室南側西端與廠務區中間燒爆損情形,發現隔間牆壁係由長晶室向廠務區爆損。
  3.長晶室設有26臺長晶爐,第7臺長晶爐上、下爐體爆開(分離)腳架及管路向外傾到。
4.第7臺長晶爐安全閥外部完整,安全閥內部有橡膠墊已脫落,安全閥內部有石墨板碎片。
■長晶室南側西端與廠務區中間燒爆損情形,隔間牆壁向南側爆損。
■第7 臺長晶爐上、下爐體爆開(分離)腳架及管路向外傾到。
■長晶爐安全閥外部完整,安全閥內部橡膠墊已脫落。
■打開安全閥,內部有石墨板碎片。
■第7 臺長晶爐下爐體內部之套筒有局部熔凝之情形。
■下爐體內部(底部)中央有熔凝、破損。
■開啟第7 臺長晶爐冷卻水開關進入注水試驗時,發現
第7 臺長晶爐下爐內部(底部)中央處有湧水之情形。
■比較長晶爐下爐體原始模樣。


  5.第7臺長晶爐下爐體內部之套筒有局部熔凝之情形,下爐體內部(底部)中央有熔凝、破損。
  6.開啟第7臺長晶爐冷卻水開關進入注水試驗時,發現第7臺長晶爐下爐內部(底部)中央處有湧水之情形。
  (五)火災原因分析:
  1.水在液體狀態轉變成氣體狀態時,其體積膨脹1700倍以上,即液體由液相瞬間變成氣相,呈現蒸氣爆炸的現象,理論體積比:依據PV=nRT沸點100℃時約為1700倍,實際體積比(如表1)。
  由上表得知,水在失去平衡時所發生的蒸氣體積與原來液體遠大於其他的液體,長晶爐於加熱中溫度約1350℃(成長期),當用於保護爐體的水不慎進入,水因高溫,體積迅速膨脹,壓力遽增,導致「水蒸氣爆炸」,使得上、下爐體
爆開,腳架傾倒。
  2.由於矽表層對氧分子有高的親和力(affinity)。矽晶片表面曝露在含氧的環境下,很容易形成一層氧化層。將矽晶片置於爐體中,升到適當溫度時,矽與氧氣或水蒸氣的反應可以由下列化學反應式來表示:
  Si(s)+O2(g)→ SiO2(s)⋯⋯(1)
  S(i s)+2H2O(g)→SiO2(s)+2H2(g)(⋯⋯ 2)
  本案開啟第7臺長晶爐冷卻水開關進行注水測試時,發現第7臺長晶爐下爐體內部(底部)中央處有湧水的情形,因此當高溫之矽原料與水接觸,經化學反應會產生矽的氧化物(SiO2、SiO、Si3O4)與氫氣,由表2可知氫氣的爆炸界限(4%~75%),如與高溫熔融之矽原料(1400℃以上)接觸,可能造成「氫氣爆炸」之劇烈燃燒。
  3.本案係為「物理化學性爆炸」,但係為同時或順序發生物理及化學性爆炸則無法得知,但我們由此案可知,當爐體以水作為防止溫度過高之保護裝置,一但水洩漏於爐體內,將因爐體內高溫造成水蒸氣爆炸,再加上製程中的原料與水會發生反應,產生氫氣,造成本案的爆炸範圍約150平方公尺,又因爐內高溫之矽原料噴出,造成現場操作人員2人死亡的慘劇。

肆、相關法令規範

  國內針對熔融高熱物應設置設備之規範於「職業安全衛生設施規則」第180 條至第183條如下:
  第180條 雇主對於勞工工作場所之通道、地板、階梯,應保持不致使勞工跌倒、滑倒、踩傷等之安全狀態,或採取必要之預防措施。
  第181條 雇主對於以水處理高熱礦渣或廢棄高熱礦渣之場所,應依下列規定:
  一、應有良好之排水設備及其他足以防止水蒸汽爆炸之必要措施。
  二、於廢棄高熱礦渣之場所,應加以標示高熱危險。
  第182條 雇主使勞工從事將金屬碎屑或碎片投入金屬熔爐之作業時,為防止爆炸,應事前確定該金屬碎屑或碎片中未雜含水分、火藥類等危險物或密閉容器等,始得作業。
  第183條 雇主對於鼓風爐、鑄鐵爐或玻璃熔解爐或處置大量高熱物之作業場所,為防止該高熱物之飛散、溢出等引起之灼傷或其他危害,應採取適當之防範措施,並使作業勞工佩戴適當之防護具。
  此外「職業安全衛生法」及「職業安全衛生管理辦法」亦有相關規定。

伍、結語

  水蒸氣爆炸之危害對於工業安全之影響甚鉅,為了防止發生類似重大災害發生,特提出下列建議:
  (一)針對設計者:研擬製程設計策略時,解決或處理任何有關安全的問題時,必須使用嚴謹可行的方法,除了鑑定可能發生的危害因素與它們之間的相互關係,必須將危害程度及影響列出並採取積極有效作為。
  (二)工廠的操作人員:應有足夠的程序設計與機械設計能力及資訊,以便於操作者於意外事件發生時的緊急處置。如果操作者具備足夠的資訊及知識,可以正確地做出合理的判斷,將危險消弭於無形。
  (三)風險程度高的狀況處理宜以電腦化自動控制系統負責,因為在緊急狀況中,電腦化系統可以依據需要在瞬間做出適當合理的判斷,並且啟動相關控制步驟,避免人員曝露在危險的環境中。