一起真空油淬火爐爆炸事故分析與警示

杜向陽

(浙江省安全生產(chǎn)科學(xué)研究院)

一、前言

真空油淬火爐是一種在真空狀態(tài)下對熱處理工件進(jìn)行加熱和淬火過程的先進(jìn)設(shè)備。與傳統(tǒng)的常壓淬火設(shè)備相比,該類設(shè)備在熱處理工藝中對工件的加熱溫度、表面氧化程度方面的可控度有了很大提升,也徹底解決了油淬火工藝產(chǎn)生的油霧對環(huán)境的污染問題。為此,近十年來,真空油淬火爐在機械加工行業(yè)小型工件的熱處理中得到了大量應(yīng)用。同時,需要明確指出的是,該類設(shè)備盡管具備先進(jìn)性,但在操作工藝上依舊包含高溫加熱、抽真空、油淬火快速冷卻等過程,如操作使用不當(dāng),在使用過程中還是可能引發(fā)生產(chǎn)安全事故的。下面就該類設(shè)備的一起傷亡事故案例作一剖析,希望能給真空油淬火爐設(shè)備的使用企業(yè)一些啟示。

二、真空淬火爐事故案例

2015年1月某日的午后,某機械制造企業(yè)熱處理車間的一臺真空油淬氣冷爐,在運行過程中突然發(fā)生爆炸,造成1人死亡1人受傷的生產(chǎn)安全事故。

墻壁邊的移動式空壓機

旋轉(zhuǎn)的爐門(油漆脫落處為凹坑)

拋出6米開外的氮氣瓶

拋出6.5米開外的氮氣瓶

設(shè)備正上方向前推進(jìn)10米范圍內(nèi)的天窗玻璃被擊碎

車間側(cè)墻的窗戶玻璃被擊碎

(一)事故設(shè)備情況

事故設(shè)備為無錫某企業(yè)生產(chǎn)的雙室真空油淬氣冷爐,采用臥式、雙室結(jié)構(gòu),爐體前室為冷卻室,后室為加熱室,均為圓筒形；兩室間采用中間墻隔開,工件輸送通道由閘板式真空隔熱門升降實現(xiàn)開閉。設(shè)備運行主要由機、油、氣、電、水五個系統(tǒng)實現(xiàn)。

1.機械系統(tǒng)

通過鏈條傳動方式使工件在加熱室和冷卻室內(nèi)實現(xiàn)平移和升降動作。

2.油系統(tǒng)

在冷卻室內(nèi)有油池,用于存放淬火油。采用油淬工藝時,工件浸入淬火油內(nèi)實現(xiàn)淬火冷卻。

3.氣系統(tǒng)

通過羅茨風(fēng)機抽氣使加熱室和冷卻室處于真空狀態(tài),極限真空度可達(dá)0.4Pa；設(shè)備在淬火過程中,為保護(hù)工件在淬火時表面不被氧化,減少淬火油的沸騰,利用氮氣瓶向冷卻室內(nèi)充入適量氮氣。

4.電系統(tǒng)

加熱室用沿圓周均勻分布的18支石墨電加熱管來加熱,并通過3個帶冷卻水套的接線樁與外部電氣連接；設(shè)備自帶自控記錄儀,在設(shè)備開機后同步記錄兩室壓力、溫度和淬火油溫度、工藝時間等參數(shù),可實現(xiàn)自動控制。

5.水系統(tǒng)

用于加熱室外殼冷卻和冷卻室內(nèi)淬火油溫的控制,由一根進(jìn)水管、一根回水管、露天水池、循環(huán)泵組成水循環(huán)冷卻系統(tǒng)。

通過系統(tǒng)組成及工藝表明,該設(shè)備在加熱和淬火過程中已考慮了抽真空和充氮氣的防爆措施,只要使用得當(dāng),正常作業(yè)過程中不會同時出現(xiàn)“爆炸三要素”。而實際工藝操作流程如下圖：

工藝流程圖

事發(fā)時點在工件經(jīng)油淬火并上升至出料位后、“打開爐門鎖圈、放氣閥”的工藝環(huán)節(jié)。

(二)事故原因分析

經(jīng)技術(shù)人員現(xiàn)場踏勘和對引發(fā)事故的可能性因素(包括物理爆炸、化學(xué)爆炸和事發(fā)當(dāng)日異常情況等)的分析,本起事故是由發(fā)生在冷卻室內(nèi)的一起因淬火過程形成的油霧,與出料過程進(jìn)入冷卻室內(nèi)的空氣形成可燃性混合物,遇到工件因淬火冷卻不足形成高溫?zé)岜砻鎸?dǎo)致的化學(xué)爆炸引發(fā)的事故。

引發(fā)事故的主要原因有以下幾點：

1.存在可燃物

在油淬火工藝中,高溫工件(900℃以上)遇到常溫淬火油時,會導(dǎo)致淬火油蒸騰并在冷卻室空間內(nèi)冷凝形成油霧。相關(guān)資料表明,該設(shè)備使用的淬火具有可燃燒性。由于油霧中液滴粒徑小,比表面積大,有利于油分子與氧氣的充分接觸反應(yīng),故較液態(tài)更具燃燒性。在打開放氣閥前,冷卻室內(nèi)除了工件升降機構(gòu)的擾動外,沒有其他的對流動力,故油霧能夠在此之前持續(xù)在冷卻室內(nèi)彌漫。這種狀態(tài)在真空油淬火爐中是不可避免的。

2.可燃物與空氣中氧氣形成爆炸性混合物

在放氣閥打開后,環(huán)境空氣由于負(fù)壓作用被吸入冷卻室,吸入氣流使得油霧與氧分子不斷地接觸混合,油氣混合物中的氧含量不斷升高。

3.事發(fā)日出現(xiàn)了斷電斷水異常情況,作業(yè)人員未進(jìn)行有效處置

由于水循環(huán)系統(tǒng)沒有水箱等應(yīng)急設(shè)施,導(dǎo)致設(shè)備斷電后即刻斷水,而此時設(shè)備加熱室已加熱至882℃左右,圍繞在加熱室周圍的冷卻水管因管內(nèi)缺水而被加熱升溫。來電后,作業(yè)人員并未采取先開通冷卻水循環(huán),讓水管冷卻并使回水溫度回歸到正常溫度的處置工作,即啟動真空爐繼續(xù)加熱,從而導(dǎo)致冷卻水循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)水溫升高。由于加熱室外殼冷卻和冷卻室內(nèi)淬火油溫控制采用同一冷卻水源,水溫升高又降低了對油溫的冷卻效果,在淬火時間沒變的情況下,降低了對工件的冷卻效果,導(dǎo)致出現(xiàn)工件的高溫?zé)岜砻妗?/p>

4.放氣時爐門鎖圈解鎖

根據(jù)工藝操作設(shè)定,打開放氣閥的同時,爐門鎖圈也被解鎖。由于該設(shè)備無安全鎖扣,冷卻室內(nèi)發(fā)生爆炸時,爐門成為泄壓面被突然彈開。

綜上所述,由于第1、2、3點原因,導(dǎo)致在冷卻室內(nèi)具備了化學(xué)爆炸的三要素而發(fā)生了爆炸；在爆炸發(fā)生時,操作人員違規(guī)站立,正處于爐門正面,由于第4點原因,受到爐門正面撞擊死亡。

(三)案例分析

事故是偶發(fā)的,但必由其存在的隱患而導(dǎo)致。該設(shè)備現(xiàn)實操作工藝過程存在“爆炸三要素”同時形成的可能,以及作業(yè)人員不了解設(shè)備操作說明中冷卻水循環(huán)的重要性及嚴(yán)禁站于爐門正面作業(yè)的安全警告,正是此次事故發(fā)生的誘因。

在仔細(xì)閱讀該設(shè)備制造廠家提供的設(shè)備使用說明書后,我們發(fā)現(xiàn)使用單位在實際使用該設(shè)備過程中存在以下幾個問題：

(1)說明書要求冷卻水循環(huán)系統(tǒng)在設(shè)備運行期間嚴(yán)禁斷水,同時,關(guān)注回水水溫≤40℃；而實際水循環(huán)系統(tǒng)由于缺乏水箱等應(yīng)急設(shè)施,導(dǎo)致設(shè)備運行過程中斷電時出現(xiàn)斷水,并在來電后作業(yè)人員未及時測量回水水溫,未采取有效處置措施。

(2)說明書中對油淬火冷卻后打開放氣閥之前,有一個對冷卻室再次抽真空,去除室內(nèi)油霧的步驟；實際操作中忽略了這一步,導(dǎo)致了爆炸三要素同時存在的可能。

(3)說明書的安全注意事項中明確指出,禁止在設(shè)備運行期間站立在爐門正面；在事故中死亡的作業(yè)人員正是站在了爐門正面,受爐門高速撞擊而死,而事故中受傷的人員因站在爐門側(cè)面僅受到熱氣浪的輕微燙傷。

結(jié)合前述的原因分析表明,正是上述問題的存在,才誘發(fā)了本次事故的發(fā)生。如果使用單位在新設(shè)備投入使用前,能夠重視對其危險有害因素的辨識,仔細(xì)組織學(xué)習(xí)操作說明書,掌握設(shè)備工藝特性中存在的危險因素,理出危險點,制定相應(yīng)的作業(yè)規(guī)程和應(yīng)對措施,并及時對作業(yè)人員進(jìn)行安全培訓(xùn),上述問題都會被及時發(fā)現(xiàn)和正確解決,事故也可以避免。

(四)建議采取的針對性措施

(1)冷卻水循環(huán)供水系統(tǒng)為防止在真空爐運行過程中,因突然發(fā)生斷電而引起冷卻水中斷,應(yīng)增加一只水箱,水箱的容量及出水壓力能夠滿足約20分鐘的供水需求。

(2)為防止爆炸三要素同時出現(xiàn),應(yīng)調(diào)整工藝操作流程,在油淬火后打開放氣閥前,再次對冷卻室抽真空,盡量除去室內(nèi)油霧；在確定無油霧后,操作人員離開爐門正面,關(guān)閉真空閥,打開爐門鎖圈,再打開放氣閥待壓力平衡后開門卸料；再次抽真空程序應(yīng)該由PLC控制邏輯自動控制。

(3)增加設(shè)備安全可控性,改善人機界面,增加冷卻水循環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)水總管流量測量、回水總管水溫測量、冷卻室內(nèi)淬火前和淬火后的工件溫度測量、淬火油溫測溫點等；并將相應(yīng)的控制閾值可輸入到PLC控制邏輯中,形成輸出報警或提前干預(yù)切斷危險操作的功能。

(4)在爐門上設(shè)置安全鎖扣裝置,以避免開爐門過程中,爐門因兩側(cè)氣壓失衡而發(fā)生突然彈開的情況。

(5)應(yīng)將壓力表和對冷卻室頂部的安全泄壓閥及時送檢并定期檢定,確保示值和動作閾值的準(zhǔn)確。

(6)在爐門觀察窗上安裝高分辨率攝像頭,操作人員便于通過攝像頭反饋的圖像了解爐內(nèi)情況,避免處于爐門正面操作。

(7)將機床燈改成防爆型,并采用冷光照明；照明開關(guān)僅在爐外設(shè)置；電源線應(yīng)有抗高溫和阻燃措施。

(8)設(shè)備改進(jìn)后,應(yīng)加強對操作人員關(guān)于設(shè)備操作性能要求和操作流程的培訓(xùn),使他們明確設(shè)備操作過程中的注意事項、危險點存在部位及應(yīng)采取的應(yīng)急措施。

(9)加強設(shè)備管理,做好上崗安全交底和交接班工作,并做好記錄；對生產(chǎn)過程中,設(shè)備使用情況和關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行檢查并記錄,發(fā)現(xiàn)問題及時向車間主管匯報。

三、結(jié)束語

《安全生產(chǎn)法》第二十六條明確指出：“生產(chǎn)經(jīng)營單位采用新工藝、新技術(shù)或使用新設(shè)備,必須了解、掌握其安全技術(shù)特性,采取有效的安全防護(hù)措施,并對從業(yè)人員進(jìn)行專門的安全生產(chǎn)教育和培訓(xùn)。”血的教訓(xùn)告訴我們,生產(chǎn)經(jīng)營企業(yè)認(rèn)真執(zhí)行《安全生產(chǎn)法》、落實主體責(zé)任是多么地重要!