二氧化碳鋼瓶破裂爆炸失效分析

劉課秀, 王 戀, 盧忠銘, 黎 華, 馬小明

(1. 廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院， 廣州 510663; 2. 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣州 510630)

質(zhì)量控制與失效分析

二氧化碳鋼瓶破裂爆炸失效分析

劉課秀1, 王 戀1, 盧忠銘1, 黎 華1, 馬小明2

(1. 廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院， 廣州 510663; 2. 華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣州 510630)

某氣體公司發(fā)生一起充裝二氧化碳的37Mn鋼無縫鋼瓶破裂爆炸事故。通過現(xiàn)場勘察與宏觀分析、壁厚測量、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、金相檢驗(yàn)、斷口分析等方法，分析了鋼瓶破裂爆炸的原因。結(jié)果表明：該鋼瓶瓶體內(nèi)壁發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂，在內(nèi)部壓力和搬運(yùn)過程中的碰撞及振動作用下，鋼瓶承壓能力不足，最終導(dǎo)致鋼瓶發(fā)生了物理破裂爆炸。最后,根據(jù)失效原因提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

37Mn鋼；二氧化碳鋼瓶；破裂爆炸；應(yīng)力腐蝕；失效分析

瓶裝二氧化碳一般為高壓液化氣體，使用管理不當(dāng)或者鋼瓶存在質(zhì)量缺陷都可能導(dǎo)致鋼瓶失效甚至發(fā)生事故。充裝高壓二氧化碳的鋼瓶一旦發(fā)生事故具有嚴(yán)重的破壞性，存在隱患的鋼瓶就像炸彈一樣，對人們的生命和財產(chǎn)安全存在著巨大威脅。

失效分析是一門新興的、發(fā)展中的學(xué)科，近些年來開始從軍工普及到普通企業(yè)，在提高產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)開發(fā)和改進(jìn)、產(chǎn)品修復(fù)及仲裁失效事故等方面具有很強(qiáng)的實(shí)際意義[1-2]。

廣州某氣體公司一個充裝二氧化碳的37Mn鋼無縫鋼瓶在搬運(yùn)過程發(fā)生破裂爆炸。由于37Mn鋼二氧化碳鋼瓶使用廣泛，且其失效具有嚴(yán)重的破壞性，因此該起事故鋼瓶的失效分析對同類事故的預(yù)防具有重要的實(shí)際價值。筆者通過現(xiàn)場勘察與宏觀分析、壁厚測定、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、金相檢驗(yàn)、斷口分析等方法，研究了該二氧化碳鋼瓶破裂爆炸的原因，并提出了預(yù)防措施。

1 現(xiàn)場勘查與宏觀分析

對二氧化碳鋼瓶的爆炸現(xiàn)場情況進(jìn)行了勘查分析，并對鋼瓶的開裂特征、內(nèi)部裂紋和內(nèi)部殘留物等進(jìn)行宏觀分析，初步分析引起該鋼瓶破裂爆炸的原因。

鋼瓶鋼印顯示，失效鋼瓶為1999年3月制造，工作壓力15.0 MPa，試驗(yàn)壓力22.5 MPa，凈重49.4 kg，容積41.4 L，公稱壁厚5.0 mm，外徑219 mm，鋼瓶材料為37Mn鋼。

現(xiàn)場受鋼瓶爆炸的影響較輕微，固定鋼瓶的鋼架一端有一定變形，鋼架部分焊接接頭發(fā)生撕裂，上方橫梁有一個燈具損壞，其余燈具正常未受影響，地面、墻壁、房頂均未見明顯損壞，見圖1。

圖1 鋼瓶爆炸現(xiàn)場Fig.1 Explosion site of the steel cylinder

鋼瓶宏觀破裂特征如圖2所示，最大裂口位于鋼瓶瓶體的2/3高度位置(距離瓶底約800 mm)，即圖2中區(qū)域A和區(qū)域B處。裂口沿著軸向擴(kuò)展，向兩側(cè)撕裂，上端至瓶口處完全裂開，下端撕裂至瓶底位置。鋼瓶內(nèi)壁覆蓋一層灰褐色殘留物，下部有殘留液態(tài)物，初步判斷最大裂口區(qū)域A和區(qū)域B處為起裂區(qū)。鋼瓶破裂形狀較規(guī)則，可初步判斷鋼瓶是由破裂導(dǎo)致物理爆炸。

圖2 失效鋼瓶開裂形貌Fig.2 Cracking morphology of the failed steel cylinder

在圖2中區(qū)域A處，裂紋存在Y字形的分叉走向，對Y字形交叉開裂位置進(jìn)行進(jìn)一步宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域的斷口粗糙，無明顯塑性變形，沿著壁厚有明顯的顏色差異，如圖3所示?？拷鼉?nèi)壁的部分呈深褐色，無金屬光澤，有明顯的放射狀條紋，為陳舊斷口?？拷獗诘牟糠殖是嗷疑薪饘俟鉂?，為新鮮斷口，與主斷裂面約成45°。撕裂部位的斷口平齊，呈青灰色，有金屬光澤，與主斷裂面約成45°。對區(qū)域A附近的剩余新鮮壁厚進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)鋼瓶Y字形開裂部位的最小剩余厚度約為1 mm。

對鋼瓶內(nèi)壁進(jìn)行仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)區(qū)域A和區(qū)域B附近有多條肉眼可見的未穿透裂紋，裂紋的長度方向和鋼瓶的軸向基本平行，見圖4。裂紋周邊未見明顯局部腐蝕坑，裂紋長度約為10 mm。

由以上觀察結(jié)果初步判斷：在破裂爆炸前，鋼瓶內(nèi)壁就存在未穿透裂紋，鋼瓶承壓能力不足；剛充裝完成的鋼瓶內(nèi)部壓力較大，在內(nèi)部壓力和搬運(yùn)過程的振動作用下，最終鋼瓶發(fā)生了物理破裂爆炸。

圖3 區(qū)域A局部斷口形貌Fig.3 Morphology of the partial fracture of area A

圖4 未穿透裂紋形貌Fig.4 Morphology of partially penetrating cracks

2 理化檢驗(yàn)

2.1 壁厚測量

對鋼瓶瓶體進(jìn)行壁厚測量，結(jié)果顯示鋼瓶最小壁厚為5.0 mm，滿足設(shè)計壁厚(5.0 mm)的要求，可見鋼瓶未出現(xiàn)明顯腐蝕減薄。

2.2 化學(xué)成分分析

對鋼瓶瓶體材料進(jìn)行火花直讀光譜分析，結(jié)果顯示鋼瓶的化學(xué)成分符合GB 18248-2008[3]對37Mn鋼鋼瓶材料的化學(xué)成分要求，見表1。

表1 鋼瓶材料的化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

2.3 力學(xué)性能測試

從鋼瓶瓶體截取縱向拉伸試樣，按照GB/T 228.1-2010的要求進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，采取比例試樣。結(jié)果顯示，試樣的拉抗拉強(qiáng)度Rm、規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2和斷后伸長率A均滿足GB 18248-2008對37Mn鋼的技術(shù)要求，見表2。

表2 鋼瓶材料的拉伸試驗(yàn)結(jié)果

2.4 金相檢驗(yàn)

對鋼瓶裂源區(qū)的材料進(jìn)行金相檢驗(yàn)，觀察面為瓶體橫截面。分析顯示，鋼瓶靠近外壁的顯微組織為保持馬氏體位相的回火索氏體+鐵素體，未見帶狀組織，如圖5所示。鋼瓶壁厚中間部位組織為保持馬氏體位相的回火索氏體+鐵素體，未見明顯的帶狀組織，如圖6所示。鋼瓶內(nèi)壁附近顯微組織也為保持馬氏體位相的回火索氏體+鐵素體，但靠近內(nèi)壁有明顯的帶狀組織(帶狀級別為C2～C3)，如圖7所示。

圖5 裂源區(qū)外壁的顯微組織形貌Fig.5 Microstructure morphology of the outer wall of the fracture source area

圖6 裂源區(qū)截面中部的顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of the middle section of the fracture source area

圖7 裂源區(qū)內(nèi)壁的顯微組織形貌Fig.7 Microstructure morphology of the inner wall of the fracture source area

對裂源區(qū)區(qū)域A內(nèi)壁上的一條未穿透裂紋進(jìn)行金相檢驗(yàn)，觀察面平行于內(nèi)壁表面。檢驗(yàn)結(jié)果顯示，裂紋附近顯微組織為保持馬氏體位相的回火索氏體+鐵素體，裂紋穿晶擴(kuò)展，局部存在分支，如圖8所示。對圖8中裂紋尖端區(qū)域進(jìn)行金相檢驗(yàn)，觀察面平行于內(nèi)壁表面，可見顯微組織也為保持馬氏體位相的回火索氏體+鐵素體，裂紋同樣穿晶擴(kuò)展，如圖9所示。

圖8 未穿透裂紋附近的顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of the region nearby the partially penetrating crack

圖9 未穿透裂紋尖端附近的顯微組織形貌Fig.9 Microstructure morphology of the region nearby the partially penetrating crack tip

2.5 斷口分析

2.5.1 掃描電鏡觀察

在區(qū)域B截取斷口試樣進(jìn)行掃描電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)鋼瓶裂源區(qū)斷口沿壁厚方向有明顯的分界，如圖10所示?？拷鼉?nèi)壁的絕大部分?jǐn)嗫跒殛惻f斷口，表面有一層覆蓋物，掩蓋了斷裂特征，但仍然可見起源于內(nèi)壁表面的放射狀條紋；靠近外壁的小部分?jǐn)嗫谳^干凈，為新鮮斷口，與主斷裂面約成45°。

對圖10中的區(qū)域1和區(qū)域2進(jìn)行局部形貌觀察，見圖11～12，發(fā)現(xiàn)斷口表面受到氧化腐蝕，無法看清楚斷口的原始顯微形貌特征。區(qū)域2為區(qū)域1和區(qū)域3的交界處，對比可見區(qū)域1的腐蝕情況相對區(qū)域3的輕微一些，見圖12。對區(qū)域3進(jìn)行局部形貌觀察，發(fā)現(xiàn)斷口腐蝕嚴(yán)重，表面有一層腐蝕產(chǎn)物覆蓋，也無法看清楚斷口的原始顯微形貌特征，見圖13。

圖10 裂源區(qū)原始斷口形貌Fig.10 Initial fracture morphology of the fracture zone

圖11 區(qū)域1斷口形貌Fig.11 Fracture morphology of area 1

圖12 區(qū)域2斷口形貌Fig.12 Fracture morphology of area 2

圖13 區(qū)域3斷口形貌Fig.13 Fracture morphology of area 3

為進(jìn)一步觀察斷口形貌，從區(qū)域B附近截取一塊斷口，使用體積分?jǐn)?shù)為1%的鹽酸溶液及丙酮超聲波清洗后再進(jìn)行觀察。低倍下可觀察到陳舊斷口處有明顯的源于內(nèi)壁的放射狀條紋以及多條二次裂紋，如圖14所示。對圖14中的區(qū)域4進(jìn)行放大觀察，可以清楚看到斷口上有多條二次裂紋，見圖15。

在圖2中區(qū)域A附近截取一個帶有未穿透裂紋的試樣，研磨拋光后通過掃描電鏡觀察，可見裂紋具有一定分支，如圖16所示。

圖14 清洗后的斷口形貌Fig.14 Fracture morphology after cleaning

圖15 區(qū)域4斷口形貌Fig.15 Fracture morphology of area 4

圖16 未穿透裂紋形貌Fig.16 Morphology of the partially penetrating crack

2.5.2 能譜分析

從鋼瓶內(nèi)壁提取表面覆蓋物進(jìn)行能譜分析，并對鋼瓶的陳舊斷口和新鮮斷口也進(jìn)行了能譜分析，分析位置見圖17。能譜分析結(jié)果顯示：內(nèi)壁粉末狀覆蓋物的主要元素成分有鐵、氧、碳、硅、鈣等，見圖18；陳舊斷口表面覆蓋物的主要元素成分有鐵、氧、碳、鐵、硅、鈣、氯、硫，如圖19所示，其中，氯、硫等元素為有害元素；新鮮斷口表面的主要元素有鐵、錳，與陳舊斷口和內(nèi)壁覆蓋物的化學(xué)成分存在明顯差別，見圖20。

圖17 能譜分析位置示意圖Fig.17 Schematic diagram of analysis positions of energy spectrum

圖18 內(nèi)壁粉末能譜Fig.18 Energy spectrum of the inner wall powders

圖19 陳舊斷口表面覆蓋物能譜Fig.19 Energy spectrum of covered material on the old fracture surface

圖20 新鮮斷口表面能譜圖Fig.20 Energy spectrum pattern of the fresh fracture surface

2.6 物相分析

對鋼瓶內(nèi)壁的粉末狀物體、陳舊斷口、新鮮斷口分別進(jìn)行了X射線衍射分析(XRD)。分析結(jié)果顯示：內(nèi)壁上的粉末狀覆蓋物主要為碳酸亞鐵和二氧化硅，如圖21所示，由此可見，在鋼瓶制造或使用過程中，有二氧化硅等進(jìn)入了鋼瓶內(nèi)部；陳舊斷口上顆粒狀覆蓋物的主要成分為碳酸亞鐵和鐵，如圖22所示；靠近瓶底的新鮮斷口表面的主要成分是鐵，如圖23所示。

圖21 內(nèi)壁粉末XRD譜Fig.21 XRD pattern of the inner wall powders

圖22 陳舊斷口覆蓋物XRD譜Fig.22 XRD pattern of the covered material on the old fracture surface

圖23 新鮮斷口XRD譜Fig.23 XRD pattern of the fresh fracture surface

3 分析與討論

3.1 鋼瓶爆炸性質(zhì)分析

從現(xiàn)場勘察可知，鋼瓶爆炸現(xiàn)場受爆炸的影響較為輕微，鋼瓶破口呈規(guī)則狀態(tài)。一般來說，鋼瓶化學(xué)爆炸的能量比物理爆炸的要大得多，發(fā)生化學(xué)爆炸時現(xiàn)場會受到較大影響，鋼瓶也會受到較嚴(yán)重的破壞，而且破壞基本是不規(guī)則的。通過鋼瓶破裂斷口的宏觀觀察可知，裂源區(qū)位于鋼瓶2/3高度的部位為起裂源所在位置，裂源區(qū)附近內(nèi)壁有陳舊斷口特征，鋼瓶剩余壁厚約為1 mm，同時裂源區(qū)附近有多條未穿透的縱向裂紋。綜上可以判斷，鋼瓶是由于剩余壁厚承壓能力不足，發(fā)生了物理破裂爆炸。

3.2 鋼瓶應(yīng)力腐蝕原因分析

金屬構(gòu)件發(fā)生應(yīng)力腐蝕必須滿足一定的拉應(yīng)力、特定的腐蝕介質(zhì)環(huán)境和材料的應(yīng)力腐蝕敏感性3個要素。

(1) 應(yīng)力條件

應(yīng)力腐蝕的出現(xiàn)一般僅需要較小的應(yīng)力即可，充裝二氧化碳產(chǎn)生的內(nèi)部壓力為鋼瓶的應(yīng)力腐蝕提供了應(yīng)力條件。鋼瓶充裝二氧化碳后，鋼瓶便承受了較大的拉應(yīng)力，此應(yīng)力條件可促進(jìn)應(yīng)力腐蝕的發(fā)生并以較快的速率進(jìn)行。

(2) 材料敏感性和介質(zhì)環(huán)境條件

通過現(xiàn)場勘察和宏觀分析發(fā)現(xiàn)，失效鋼瓶內(nèi)部存在水分。由能譜分析結(jié)果可知，陳舊斷口表面覆蓋物主要含有鐵、氧、碳、硅、鈣、氯、硫等元素，內(nèi)壁粉末狀覆蓋物主要含有鐵、氧、碳、硅、鈣等元素。

3.3 應(yīng)力腐蝕機(jī)理分析

3.4 鋼瓶使用管理因素分析

由檢驗(yàn)結(jié)果可知，鋼瓶內(nèi)壁存在多條陳舊裂紋，且鋼瓶沒有進(jìn)行定期檢驗(yàn)，未及時發(fā)現(xiàn)鋼瓶內(nèi)部裂紋缺陷。從現(xiàn)場勘察和宏觀分析可知，鋼瓶外壁有明顯的碰撞痕跡，鋼瓶在運(yùn)輸過程中可能存在振動或碰撞。在振動和碰撞產(chǎn)生的沖擊力作用下，鋼瓶內(nèi)部的裂紋逐步擴(kuò)展，最終瞬間發(fā)生破裂爆炸。

4 預(yù)防措施

為預(yù)防鋼瓶發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，可以通過采取預(yù)防措施控制應(yīng)力腐蝕發(fā)生的條件。通過控制二氧化碳?xì)怏w和鋼瓶質(zhì)量可以避免應(yīng)力腐蝕介質(zhì)和降低材料的腐蝕敏感性。加強(qiáng)氣瓶的使用管理可以及時發(fā)現(xiàn)鋼瓶的異常情況并及時處理，減少事故發(fā)生的可能性。

4.1 二氧化碳?xì)怏w質(zhì)量控制措施

二氧化碳?xì)怏w質(zhì)量控制包括生產(chǎn)環(huán)節(jié)和充裝環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，應(yīng)盡量減少二氧化碳中水、氯離子、油等含量。鋼瓶在干燥的氣體環(huán)境中一般不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，但該鋼瓶的應(yīng)力腐蝕過程存在電化學(xué)腐蝕，因此應(yīng)特別嚴(yán)格控制二氧化碳?xì)怏w中的水含量，例如可以采取吸濕性液體吸收、用活性固體干燥劑吸收、用壓縮或冷卻方法冷凝等方法來減少二氧化碳?xì)怏w中的水含量。

4.2 鋼瓶制造質(zhì)量控制措施

鋼瓶制造材料、工藝等都可能導(dǎo)致鋼瓶材質(zhì)存在問題，不僅會影響鋼瓶的力學(xué)性能，同時也會影響鋼瓶的應(yīng)力腐蝕敏感性。無縫鋼瓶的制造過程可能會導(dǎo)致瓶體存在殘余應(yīng)力，并可能導(dǎo)致鋼瓶發(fā)生應(yīng)力腐蝕，可采取熱處理措施，減小鋼瓶瓶體的殘余應(yīng)力。在鋼瓶制造完成后，應(yīng)對鋼瓶內(nèi)部進(jìn)行清洗和干燥，減少鋼瓶內(nèi)部水分和其他雜質(zhì)的殘留。在進(jìn)行水壓或氣密性試驗(yàn)后，應(yīng)采取內(nèi)表面干燥處理，并予以密封。

4.3 鋼瓶使用管理措施

鋼瓶充裝和使用單位應(yīng)做好鋼瓶的管理工作，并按照相關(guān)規(guī)定對鋼瓶進(jìn)行定期檢驗(yàn)，及時發(fā)現(xiàn)鋼瓶缺陷。應(yīng)控制水壓試驗(yàn)使用水中氯離子的含量，減少氯離子在氣瓶內(nèi)的殘留。在水壓或氣密性試驗(yàn)后，應(yīng)對內(nèi)表面進(jìn)行干燥處理，并予以密封[6-7]。鋼瓶儲存和運(yùn)輸過程應(yīng)避免碰撞和跌落，并按要求做好定期檢驗(yàn)工作。

5 結(jié)論及建議

綜合分析認(rèn)為，該失效鋼瓶具備應(yīng)力腐蝕開裂的特征和條件，瓶體內(nèi)壁發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂。在內(nèi)部壓力和搬運(yùn)過程的碰撞及振動作用下，鋼瓶承壓能力不足，最終導(dǎo)致鋼瓶發(fā)生了物理破裂爆炸。建議加強(qiáng)對二氧化碳鋼瓶的生產(chǎn)、儲存運(yùn)輸、充裝和使用的監(jiān)管，確保各環(huán)節(jié)的規(guī)范管理，減少類似事故的發(fā)生。

[1] 王榮.機(jī)械裝備的失效分析 第1講 現(xiàn)場勘查技術(shù)[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊,2016,52(6):361-369.

[2] 馬小明,肖鵬.38CrMoAlA擠出機(jī)螺桿軸斷裂失效分析[J].熱加工工藝,2016,45(10):246-249.

[3] GB 18248-2008 氣瓶用無縫鋼管[S].

[5] 張明鋒,陳學(xué)東,高增梁.碳鋼和低合金鋼在碳酸鹽溶液中的應(yīng)力腐蝕研究進(jìn)展[J].壓力容器,2007,24(12):45-52.

[6] GB/T 13004-2016 鋼質(zhì)無縫氣瓶定期檢驗(yàn)與評定[S].

[7] 張清廉,李銘,王起江.20G無縫鋼管穿孔泄漏失效分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊,2016,52(4):265-269.

Failure Analysis on Rupture Explosion of a Steel Cylinder for Carbon Dioxide

LIU Kexiu1, WANG Lian1, LU Zhongming1, LI Hua1, MA Xiaoming2

(1. Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection Institute, Guangzhou 510663, China; 2. School of Mechanical and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510630, China)

A rupture explosion accident of a 37Mn seamless steel cylinder occurred in a gas company. Through the site investigation and macro analysis, wall thickness measurement, chemical composition analysis, mechanical property testing, metallographic examination, fracture analysis and so on, the reasons for the rupture explosion of the steel cylinder were analyzed. The results show that: the stress corrosion cracking happened on the inner wall of the steel cylinder; under the action of internal pressure together with the collision and vibration during the transport process, the pressure bearing capacity of the steel cylinder was insufficient, and finally the physical rupture explosion happened to the steel cylinder. Finally, the preventive measures were put forward according to the failure reasons.

37Mn steel; steel cylinder for carbon dioxide; rupture explosion; stress corrosion; failure analysis

10.11973/lhjy-wl201705009

2016-06-23

廣州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技資助項(xiàng)目(2015kj26)

劉課秀(1984-)，男，工程師，工程碩士，主要從事金屬材料檢測和機(jī)械裝備失效分析工作，liukexiu@126.com

TG115.2

B

1001-4012(2017)05-0342-07