氧氣瓶爆炸事故性質(zhì)認(rèn)定及原因分析

梁 斌梁 華業(yè) 成張禮敬

（1．南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院 南京 210002）

（2．南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院 南京 210009）

氧氣瓶爆炸事故性質(zhì)認(rèn)定及原因分析

梁 斌1,2梁 華1業(yè) 成1張禮敬2

（1．南京市鍋爐壓力容器檢驗(yàn)研究院 南京 210002）

（2．南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院 南京 210009）

在事故現(xiàn)場勘查的基礎(chǔ)上，通過材料成分、力學(xué)性能、金相組織與斷口、碎片附著物以及充裝氣體成分等檢測和試驗(yàn)，結(jié)合爆炸能量的理論估算，對一起氧氣瓶爆炸事故的性質(zhì)和原因進(jìn)行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明：瓶體存在的脫碳、微裂紋及局部腐蝕凹坑這些類裂紋缺陷在爆炸產(chǎn)生的巨大載荷下誘發(fā)了氣瓶的開裂及擴(kuò)展，其宏觀斷口表現(xiàn)為韌脆交替的快速斷裂特征。依據(jù)碎片拋射距離估算的氣瓶實(shí)際爆炸能量遠(yuǎn)大于其發(fā)生物理爆炸所產(chǎn)生的能量，氣瓶爆炸屬于化學(xué)爆炸。氣瓶內(nèi)存在的碳烴類油脂有機(jī)物以及瓶閥關(guān)閉時產(chǎn)生的摩擦熱或靜電火花是氧氣瓶發(fā)生化學(xué)爆炸的直接原因。

氧氣瓶 爆炸事故 斷口分析 爆炸能量估算 原因分析

氧氣瓶由于公稱壓力高，裝卸運(yùn)輸頻繁，使用環(huán)境復(fù)雜，近年來陸續(xù)發(fā)生了多起爆炸事故[1-8]。就爆炸性質(zhì)而言，氧氣瓶爆炸可分為物理爆炸和化學(xué)爆炸。氧氣瓶的物理爆炸是由于某種物理原因引起氣瓶內(nèi)氧氣壓力超過氣瓶強(qiáng)度導(dǎo)致氣瓶破裂而引起的，如氣瓶受到暴曬、明火或其他熱輻射作用，使瓶中氣體受熱后壓力急劇增加，直至超過允許值而發(fā)生超壓物理爆炸；如氣瓶受到外力破壞或者氣瓶結(jié)構(gòu)、材料不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，以及氣瓶銹蝕導(dǎo)致厚度減薄或產(chǎn)生裂紋，均可能導(dǎo)致氣瓶強(qiáng)度不夠而發(fā)生爆炸。氧氣瓶的化學(xué)爆炸是由于氣瓶內(nèi)混入的可燃性物質(zhì)與高壓氧發(fā)生劇烈反應(yīng)而引起的，如混用氣瓶內(nèi)殘留的氫氣與氧形成爆炸性氣體，裝卸氣瓶時的相互碰撞或開關(guān)瓶閥的摩擦產(chǎn)生的極低能量均可能促發(fā)其爆炸[3]；如氣焊作業(yè)中，為提高焊接速度并節(jié)省氧氣用量，焊工人為降低氧氣瓶內(nèi)壓力而提高可燃性乙炔氣體壓力，焊炬一旦結(jié)焦堵塞，高壓乙炔將倒流入氧氣瓶中形成混合爆炸氣體，遇到明火即發(fā)生爆炸[4-5]；如其他氣瓶作為氧氣瓶使用前未按照要求進(jìn)行脫脂處理，氣瓶內(nèi)油脂在高壓氧作用下發(fā)生劇烈的氧化燃燒反應(yīng)，放出的熱量使瓶內(nèi)高壓氧氣升溫升壓，最終導(dǎo)致氣瓶超壓爆炸[6-8]；如氣瓶使用可燃的密封材料或連接管，高壓氧氣會與之發(fā)生劇烈反應(yīng)而導(dǎo)致氣瓶燃燒爆炸[9]。

目前國內(nèi)氧氣瓶爆炸事故研究方面，袁淑芳[10]應(yīng)用事故樹分析方法給出了引起氣瓶爆炸的基本原因事件及其結(jié)構(gòu)重要度，孟亦飛等[11]運(yùn)用TNT當(dāng)量法對氣瓶的爆炸能量進(jìn)行了理論計算。就事故調(diào)查技術(shù)而言，國內(nèi)主要通過分析爆炸碎片的化學(xué)成分、機(jī)械性能、金相組織、斷口形貌以及估算氣瓶爆破壓力來判斷氣瓶是否可能發(fā)生物理爆炸；通過觀察爆炸現(xiàn)場的燃燒現(xiàn)象，進(jìn)行瓶體內(nèi)壁附著物的能譜分析以及灼燒產(chǎn)物的紅外光譜分析來確定可燃物并查找引爆能量來源，進(jìn)而判斷氣瓶是否可能發(fā)生化學(xué)爆炸[3-8]；從能量角度分析氧氣瓶爆炸性質(zhì)和起因的相關(guān)研究較少。本文通過事故現(xiàn)場勘查，依據(jù)碎片拋射距離估算氣瓶實(shí)際爆炸能量，同時綜合運(yùn)用上述事故調(diào)查技術(shù)，系統(tǒng)分析了一起氧氣瓶爆炸事故的原因。

1 爆炸事故現(xiàn)場勘查

2009年12月14日凌晨，南京某公司發(fā)生氧氣瓶爆炸事故，導(dǎo)致1人當(dāng)場死亡，2人受傷。據(jù)了解，當(dāng)時一組氣瓶已充裝完畢（充裝時間不足20min），操作工在關(guān)閉其中第4只氣瓶瓶閥時，該氣瓶發(fā)生爆炸，爆炸時現(xiàn)場沒有火焰現(xiàn)象發(fā)生。

通過現(xiàn)場勘查，發(fā)現(xiàn)氣瓶充裝間頂棚及側(cè)墻板大部分脫落，防護(hù)墻向北倒塌，爆炸點(diǎn)附近堆放的氣瓶傾倒，其中一只氣瓶被擊穿，數(shù)只氣瓶外表面存在噴射狀油脂，擊穿氣瓶距離爆炸點(diǎn)2m。氣瓶充裝用匯流排損毀，與之連接的壓力表顯示為14MPa，整定壓力為16MPa的安全閥鉛封完好。爆炸現(xiàn)場如圖1所示。

圖1 氣瓶爆炸現(xiàn)場

在現(xiàn)場共發(fā)現(xiàn)爆炸氣瓶碎片3塊，如圖2所示，a號大塊碎片（連瓶底）、b號小塊碎片及c號瓶肩碎片分別距離爆炸點(diǎn)15m、2.9m和1.8m，碎片位置分布如圖3所示。c號瓶肩碎片上鋼印信息見表1。

圖2 氣瓶爆炸碎片

圖3 爆炸碎片位置示意圖

表1 爆炸氣瓶鋼印信息

2 檢測與試驗(yàn)分析

2.1 碎片重量與厚度

經(jīng)目視檢查，爆炸氣瓶碎片內(nèi)表面存在明顯的炭黑，刮除炭黑后，碎片內(nèi)外表面均無嚴(yán)重腐蝕及開裂性缺陷。對氣瓶碎片稱重和超聲波測厚，a號碎片重46kg，最小壁厚為6.4mm；b號碎片重3kg，最小壁厚為6.1mm；c號碎片重6kg，最小壁厚為6.6mm。3塊氣瓶碎片總重量為55kg，與氣瓶鋼印顯示的原始重量55.8kg基本相符，碎片最小壁厚為6.1mm，大于要求的設(shè)計壁厚5.8mm，瓶體厚度滿足強(qiáng)度設(shè)計要求。

2.2 材質(zhì)分析與力學(xué)性能試驗(yàn)

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB5099-1994《鋼質(zhì)無縫氣瓶》，對氣瓶爆炸碎片進(jìn)行材質(zhì)分析及力學(xué)性能試驗(yàn)，碎片的化學(xué)成分分析結(jié)果見表2，力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果見表3。從表2和表3中可以看出，碎片的化學(xué)成分及斷后伸長率結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，屈強(qiáng)比與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值相比稍高，材料仍具有一定的沖擊韌性。

表2 爆炸碎片化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

表3 爆炸碎片力學(xué)性能

2.3 斷口分析

對爆炸氣瓶碎片斷口進(jìn)行宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，a號和c號碎片斷口多數(shù)呈90°，顯示脆性斷裂特征，其它碎片斷口呈45°，顯示撕裂特征。在a號碎片斷口部位取1號、2號、4號試樣（取樣位置如圖4所示），采用美國JSM-6300型掃描電子顯微鏡（SEM，scanning electron microscope）進(jìn)行觀察。

圖4 a號碎片斷口分析取樣部位

對1號試樣尖角的一面裂紋起裂后擴(kuò)展部位進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)有明顯的解理斷裂特征見圖5（a），觀察尖角的另一面，表現(xiàn)為韌脆交替的快速斷裂特征見圖5（b）。2號試樣斷口表現(xiàn)為韌窩斷裂特征，如圖6所示，其中圖6（a）可見斷口受到撞擊。4號試樣為縱向裂紋，斷口顯示木紋狀斷裂特征，并有二次裂紋存在，斷裂部位經(jīng)過放大，仍為韌窩，如圖7所示。

圖5 1號試樣斷口特征（25X）

圖6 2號試樣斷口特征

圖7 4號試樣斷口特征

2.4 金相組織分析

在a號碎片斷口部位取3號試樣（取樣位置如圖4b所示），經(jīng)過機(jī)械拋光和硝酸酒精浸蝕，采用德國ZEISS型光學(xué)顯微鏡觀察，如圖8和圖9所示。發(fā)現(xiàn)試樣外壁組織存在一些腐蝕及微坑，但未見脫碳現(xiàn)象，如圖8a所示。試樣中部組織為鐵素體和珠光體，具有明顯的帶狀特征，如圖8b所示，符合正火狀態(tài)下氣瓶瓶體的組織結(jié)構(gòu)要求。試樣內(nèi)壁組織表現(xiàn)為脫碳（脫碳層深度約為43μm，如圖9a所示），同時存在許多細(xì)小的微裂紋（長度約7μm，如圖9b所示）以及腐蝕脫落后的局部凹坑（如圖9c所示）。氣瓶內(nèi)壁和外壁存在的腐蝕凹坑及微裂紋等類裂紋缺陷，在遇到較大載荷時可誘導(dǎo)瓶體開裂及擴(kuò)展。

圖8 3號試樣外壁和中部的金相組織（500X）

2.5 碎片內(nèi)壁附著物分析

采用美國熱電NORAN系統(tǒng)KYKY電鏡對a號碎片瓶底內(nèi)壁黑色附著物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其碳含量最大為48.25%，氧含量最大為20.60%。采用紅外光譜儀、氣/質(zhì)聯(lián)用儀及碳硫測定儀對同樣的附著物進(jìn)行成分定性分析，結(jié)果見表4說明存在碳烴類油脂有機(jī)物。

2.6 充裝氣體成分分析

爆炸氣瓶充裝氧氣來源為空分制氧，取樣分析與爆炸氣瓶同批充裝的另外3只氣瓶內(nèi)的氣體成分，其氧含量最低為99.3%，另外存在最大含量為0.02×10-6m3的氫和12.7×10-6m3的甲烷，未檢出一氧化碳和丙烷。充裝氣體成分符合工業(yè)用氧純度標(biāo)準(zhǔn)，未發(fā)現(xiàn)能夠引起鋼瓶爆炸的可燃?xì)怏w雜質(zhì)含量。

3 爆破壓力估算

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB5099-1994《鋼質(zhì)無縫氣瓶》，氣瓶發(fā)生物理爆炸所需要的爆破壓力pb為：

將氣瓶材料的抗拉強(qiáng)度Rm=825MPa，氣瓶筒體設(shè)計壁厚S=5.8mm，氣瓶筒體外徑D0=219mm，系數(shù)C=1.0代入式（1），可得pb=44.89MPa，即只有充裝壓力大于等于44.89MPa時，氣瓶才能夠發(fā)生物理爆炸。由事故現(xiàn)場損毀的匯流排上的壓力表顯示，表明氣瓶充裝壓力不超過14.0MPa，因此，可排除超壓導(dǎo)致氣瓶物理爆炸的可能。

4 爆炸能量估算

4.1 碎片運(yùn)動的動力學(xué)方程

氣瓶爆炸的能量除將氣瓶撕裂并產(chǎn)生沖擊波外，還有一部分能量轉(zhuǎn)化為碎片的動能。具有一定動能的碎片在空氣中高速運(yùn)動,進(jìn)而在空氣中拋射一定的距離。碎片飛行過程如圖10所示。

圖10 爆炸碎片的飛行軌跡示意圖

碎片在拋射過程中受到重力和空氣阻力的作用。在亞音速狀態(tài)下，空氣阻力與碎片速度的平方成正比，此種情況下，碎片的動力學(xué)方程為[12-13]：

式（2）和式（3）中，x為碎片水平方向飛行距離；y為碎片豎直方向飛行距離；t為飛行時間；g為重力加速度；n為空氣阻力方向系數(shù)，當(dāng)碎片處于上升階段時，n=2，當(dāng)碎片處于下降階段時，n=1；k為空氣阻力因子。假定碎片拋射時的初速度為uf，拋射角為φ，則碎片在水平方向和豎直方向的初速度分別為ufcosφ和ufsinφ。當(dāng)碎片上升到最高距離時,其豎直方向的速度為0；當(dāng)碎片到達(dá)地面時時，y=0；由此可解出式（2）和式（3）如下：

4.2 基于事故現(xiàn)場碎片實(shí)際位置爆炸能量估算

由碎片的初速度uf可知，爆炸碎片的初動能Ek為：

式（7）中m為碎片質(zhì)量。由于氣瓶爆炸時僅有一部分能量轉(zhuǎn)化為碎片的初動能，經(jīng)驗(yàn)?zāi)芰勘萬介于3%～15%之間[14]，因此氣瓶爆炸能量E為：

由事故現(xiàn)場勘查可知，碎片曾將距爆炸點(diǎn)2m的氣瓶擊穿（如圖1c），且碎片水平飛出的最大距離為15m，因此可認(rèn)為碎片近似水平拋射，拋射角φ≤5°。將碎片水平飛出距離x=15m，拋射角φ=5°，空氣阻力因子k=2.1×10-3，a號碎片質(zhì)量m=46kg代入式（4）—式（7），可求出碎片的初動能為19.68kJ。由式（8）可知，氣瓶爆炸的能量E在131.2kJ-656kJ之間。

4.3 物理爆炸能量估算

氣瓶的物理爆炸是瓶內(nèi)氣體由爆炸前的高壓力迅速降至大氣壓的降壓膨脹過程，屬于永久氣體氣瓶的爆破。由于爆破時間很短，即可認(rèn)為膨脹過程是在絕熱狀態(tài)下進(jìn)行的，所以永久氣體的爆炸能量也就是氣體膨脹時所作之功，可以由式（9）表示。

式中E1為氣體膨脹所做的功，p為氣體壓力，V為氣瓶容積，K為氣體的比熱容比。將p=14MPa，V=0.0407m3，K=1.4代入式（9），可求出氣體膨脹所做的功，也即氣瓶物理爆炸的能量E1=107.7kJ，遠(yuǎn)小于4.2中基于碎片實(shí)際位置估算的爆炸能量E，可以判斷此次氣瓶爆炸絕非單純的物理爆炸，應(yīng)屬于化學(xué)爆炸。

5 引燃引爆能量的確定

氣瓶發(fā)生化學(xué)性爆炸的前提是在氣瓶內(nèi)必須同時存在且有足夠多的可燃物、助燃物及引燃引爆能量。在充滿氧氣的瓶中具有足夠多的助燃物。爆炸點(diǎn)周圍數(shù)只氣瓶外表面存在的噴射狀油脂以及2.5的分析可知，碳烴類油脂有機(jī)物是引起爆炸的可燃物。高壓氧氣與油脂直接接觸會發(fā)生劇烈的氧化放熱反應(yīng)而產(chǎn)生高溫及能量，在關(guān)閉閥門產(chǎn)生摩擦熱或靜電火花的條件下，反應(yīng)將突然加劇而點(diǎn)燃油脂，引發(fā)爆炸。這也是爆炸發(fā)生在操作工關(guān)閉氣瓶閥門時的原因。

6 結(jié)論

1）事故氣瓶材料化學(xué)成分及斷后伸長率結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求，屈強(qiáng)比稍高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，材料具有一定的沖擊韌性，且瓶體厚度滿足設(shè)計要求。

2）事故氣瓶材料組織為具有明顯帶狀特征的鐵素體和珠光體，但內(nèi)壁存在脫碳、微裂紋及局部凹坑，外壁亦有腐蝕凹坑存在，這些類裂紋缺陷在經(jīng)受較大載荷時可誘導(dǎo)開裂及擴(kuò)展。

3）爆炸氣瓶起裂靠近其底部外壁處，并沿周向快速擴(kuò)展，表現(xiàn)為解理斷裂；在周向應(yīng)力作用下，繼而沿縱向開裂，表現(xiàn)為木紋狀撕裂并伴有二次裂紋；其宏觀斷口表現(xiàn)為韌脆交替的快速斷裂特征。

4）依據(jù)碎片拋射距離估算的氣瓶實(shí)際爆炸能量遠(yuǎn)大于其發(fā)生物理爆炸所產(chǎn)生的能量，氣瓶爆炸絕非單純的物理爆炸而屬于化學(xué)爆炸。

5）氣瓶內(nèi)存在的碳烴類油脂有機(jī)物以及瓶閥關(guān)閉時產(chǎn)生的摩擦熱或靜電火花為氧氣瓶發(fā)生化學(xué)爆炸提供了條件。

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Property Determination and Cause Analysis on Explosion Accident of Oxygen Cylinder

Liang Bin1,2Liang Hua1Ye Cheng1Zhang Lijing2
(1. Nanjing Boiler and Pressure Vessel Inspection Institute, Nanjing 210002
(2. School of Mechanical and Power Engineering, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009)

Based on material composition, mechanical property, metallurgical structure,pieces of attachments , filling gas component test and the theoretical estimates of explosion energy the properties and reasons for an explosion accident of oxygen cylinder based on accident scene investigation was analyzed. The results showed that the decarburization, micro-cracks and localized corrosion pits, which were similar to crack defects, induced cracking and expansion of the cylinders under huge explosion load. The actual explosion energy, which is estimated based on the projectile distance of fragments, is much larger than its physical explosion occurred. This oxygen cylinder accident belongs to a chemical explosion. When operators closed the cylinder valve, the detonating energy was provided. Therefore, the hydrocarbon grease in the cylinder and friction heat or electrostatic spark at the closing cylinder valve is the direct cause of chemical explosion for oxygen cylinder.

Oxygen Cylinder Explosion accident Fracture analysis Explosion energy estimation Cause Analysis

X933

：B

167 3－257 X(201 4)1 2－5 1－07 D O I: 1 0.396 9/j.i s s n.167 3-257 X.201 4.1 2.014

梁斌（1978～），男，工程師，研究方向?yàn)榛ぴO(shè)備安全檢測及評價技術(shù)，主要從事化工設(shè)備安全檢測及評價技術(shù)研究。

2014-05-05）