氧氣瓶爆炸事故原因分析

張 杰 吳繼權(quán) 邱康勇

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗研究院 深圳 518029）

隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展，氧氣的需求量隨之增長，但相應(yīng)氧氣瓶爆炸事故也日益增多[1-2]。2017年6月，深圳市某企業(yè)廠房內(nèi)，氣焊作業(yè)人員在進行作業(yè)操作時，氧氣瓶發(fā)生爆炸，造成一人死亡的嚴重后果。該氣瓶制造時間為2016年3月；氣瓶使用壽命為30年；氣瓶制造標準為GB 5099—1994《鋼制無縫氣瓶》。為盡量避免類似事故繼續(xù)發(fā)生，本文對該起爆炸事故中的氧氣瓶進行失效分析，找出爆炸原因，提出防范措施。

1 氧氣瓶殘留物宏觀檢查

1.1 氧氣瓶殘留碎片宏觀檢查

氧氣瓶爆炸后，共收集碎片17件（見圖1）。其中瓶底與瓶頂封頭（瓶肩上部）各1件，長度大于170mm碎片有5件，短粗狀碎片（寬度約為50mm）有2件，不規(guī)則碎片有8件（最大長度約為30mm）。從位于瓶肩附近存有鋼印標記的碎片形貌可知，不規(guī)則形狀小碎片應(yīng)靠近瓶肩下部附近。檢查各碎片的斷口形貌特征：瓶底及附近長條狀碎片均為一次性斷口；瓶肩附近碎片沿瓶身方向斷口存有分層狀形貌特征，而其環(huán)向方向斷口呈一次性斷裂形貌。這表明氧氣瓶爆炸起源于氧氣瓶瓶肩下部附近，即氧氣瓶瓶肩下部附近為起裂源。此處爆炸能量最大，氧氣瓶損壞最為嚴重，長條狀碎片應(yīng)靠近瓶底，且越近瓶底碎片寬度越大?；谝陨戏治?，將所有氧氣瓶碎片進行連接復(fù)原（見圖1）。復(fù)原時，盡量按斷口吻合性進行拼接，但能完全吻合的碎片較少，缺失碎片較多。從圖1可知：該氧氣瓶外表面顏色為天藍色，符合氧氣瓶瓶身顏色要求。

圖1 殘留物實物圖

1.2 減壓閥及瓶口燒蝕情況檢查

圖2給出了減壓閥的內(nèi)部情況。由圖2可知：該減壓閥上的壓力表表盤上注明該表為氧氣壓力表；減壓閥內(nèi)部氣體入口存在明顯燒蝕痕跡；減壓閥內(nèi)部四周存在燒熏痕跡。氧氣瓶瓶口的連接密封帶呈燒融膠狀（見圖3）；瓶口連接閥入口處存在明顯燃燒痕跡（見圖4）。

圖2 減壓閥內(nèi)部形貌

圖3 閥門及連接密封帶形貌

圖4 瓶身進口處形貌

2 氧氣瓶碎片理化檢驗

2.1 化學成分分析

在氧氣瓶碎片上截取光譜試樣，經(jīng)清洗、干燥、打磨后，采用臺式直讀光譜儀進行化學成分分析，分析結(jié)果見表1。氧氣瓶化學成分光譜分析結(jié)果符合GB/T 5099—1994《鋼制無縫氣瓶》[3]對碳錳鋼的技術(shù)要求。

表1 氧氣瓶化學成分分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù)，%）

2.2 金相組織分析

在氧氣瓶碎片上截取橫截面試樣，經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后，用4%硝酸酒精溶液進行浸蝕，試樣金相組織見圖5及圖6。從圖中可知，氧氣瓶金相組織為鐵素體+珠光體；低倍下，組織呈帶狀分布；高倍下，組織分布均勻，無異常。氧氣瓶金相組織符合鋼鐵材料經(jīng)正火熱處理方式后的組織類型[4]。

圖5 橫截面金相組織 100X

圖6 橫截面金相組織 500X

2.3 硬度分析

在氧氣瓶碎片上截取試樣，經(jīng)打磨、拋光后，進行布氏硬度試驗，試驗結(jié)果見表2。氧氣瓶布氏硬度無異常，符合鋼鐵材料經(jīng)正火熱處理方式后的布氏硬度。

表2 氧氣瓶布氏硬度測試結(jié)果（HB10/3000）

3 減壓閥燒蝕件金相組織檢查

通過對送樣進行宏觀檢查后，發(fā)現(xiàn)減壓閥內(nèi)部存有燒蝕現(xiàn)象。利用活動扳手將減壓閥內(nèi)部燒蝕件擰出，燒蝕件宏觀形貌見圖7。燒蝕件為銅合金材料，其外表面為黃色；內(nèi)表面及斷口表面發(fā)黑，并且內(nèi)表面較為粗糙，存在熔融特征。對燒蝕件進行金相組織檢查。

圖7 燒蝕件宏觀形貌

在燒蝕件上截取縱截面試樣，經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后，用鹽酸氯化高鐵水溶液進行浸蝕，試樣金相組織見圖8及圖9。該燒蝕件試樣金相組織為α相+β相+Pb相，組織正常。

圖8 燒蝕件金相組織 100X

圖9 燒蝕件金相組織 500X

4 氧氣瓶碎片斷口檢查及分析

靠近氧氣瓶瓶頸處的碎片縱向斷口存有分層現(xiàn)象（見圖10），該處碎片在斷裂過程中，存有孕育期。截取該處碎片縱向斷口試樣，經(jīng)無水酒精清洗干凈、干燥后，置于掃描電鏡下進行觀察。掃描電鏡下斷口形貌見圖11。斷口顯微形貌為變形韌窩，韌窩內(nèi)部存在第二相質(zhì)點[5]。

圖10 斷口宏觀形貌

圖11 斷口微觀形貌

氧氣瓶底盤處斷口表面連續(xù)（見圖12），應(yīng)為瞬間一次性斷裂。截取該處斷口試樣，經(jīng)無水酒精清洗干凈、干燥后，置于掃描電鏡下進行觀察。掃描電鏡下斷口形貌見圖13。

圖12 斷口宏觀形貌

圖13 斷口微觀形貌

斷口顯微形貌為變形韌窩+解理形貌。

5 綜合分析

氧氣瓶的化學成分光譜分析結(jié)果表明該鋼瓶所用材質(zhì)為碳錳鋼，符合GB/T 5099—1994《鋼制無縫氣瓶》對材質(zhì)的要求。該鋼瓶金相組織為鐵素體+珠光體，符合GB/T 5099—1994的相關(guān)技術(shù)要求。材料的顯微布氏硬度為240，與金相組織相匹配，硬度值正常。鋼瓶的化學成分、金相組織和硬度檢測，未發(fā)現(xiàn)鋼瓶存著異常質(zhì)量問題。

氧氣瓶殘留物的宏觀檢查分析發(fā)現(xiàn)：減壓閥內(nèi)氧氣入口部分存在燒蝕痕跡、閥腔內(nèi)存在燒熏痕跡、瓶口連接閥入口處存在燃燒痕跡。這表明：從焊槍到減壓閥、再到瓶口連接閥、最后到氧氣瓶上部，都發(fā)生了回火燃燒；且減壓閥內(nèi)燃燒相比其他部分更嚴重?；鼗鹑紵砻餮鯕馄考捌溥B接焊槍段氣壓相對偏低，回火燃燒過程為：先在減壓閥內(nèi)做短暫的燃燒停留，造成瓶內(nèi)壓力繼續(xù)降低，使得回火迅速向氧氣瓶內(nèi)推進，在氧氣瓶上部發(fā)生化學燃燒，引起本次爆炸事故發(fā)生。

氧氣瓶爆炸碎片爆裂源在瓶肩下部附近區(qū)域，此部分是發(fā)生化學燃燒區(qū)域，爆炸能量最大，碎片成較小的不規(guī)則形狀，靠近瓶底處碎片成長條大塊形狀。除瓶肩及其附近小碎片斷口有少量分層現(xiàn)象外，其他碎片斷口皆為一次性斷裂形貌，表明整個鋼瓶爆炸瞬間完成。盡管小碎片斷口存在宏觀分層現(xiàn)象，但掃描電鏡檢測表明：所有斷口微觀斷裂形貌皆為韌窩、解理形貌，以韌窩斷裂為主，局部出現(xiàn)韌窩+解理形貌，為過載斷口形貌。

綜合分析表明，本次鋼瓶爆炸為化學燃燒引起的鋼瓶爆炸。

6 結(jié)束語

通常情況下，氧氣（助燃氣體）的壓力遠高于可燃氣體的壓力，可燃氣體是無法混入氧氣瓶中的。一旦可燃氣體壓力高于氧氣的壓力，則會存在可燃氣體及明火倒流入氧氣瓶的風險，即引起回火燃燒，進而發(fā)生爆炸[6-7]。TSG R006—2014《特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范》[8]中對于氣瓶及氣體使用有基本要求，其中對于氣瓶在“可能造成氣體回流的使用場合”提出明確應(yīng)對措施。對于本次事故，根據(jù)氧氣瓶在發(fā)生化學爆炸之前已有回火燃燒產(chǎn)生，故推測此次氧氣瓶爆炸主要是由于焊工現(xiàn)場操作不當引起的。同時本次事故對其他正在或即將進行焊接操作的焊工敲響警鐘。在實際操作過程中必須要按規(guī)程操作，注意可燃氣體壓力不可過高，且氧氣不易在低壓下工作。

7 建議

為減少類似事故的發(fā)生，提出以下4點建議：

1）氣焊操作者一定要持有焊工操作證；

2）在操作中氧氣瓶的氧氣壓力必須高于可燃氣體壓力；

3）氧氣瓶要遠離明火、熱源及易燃易爆物質(zhì)；

4）在氧氣瓶上增設(shè)回火防止器。

[1] 許久勝.兩起氧氣瓶爆炸事故原因分析與對策[J].石油和化工裝備，2013，16（01）：59-61.

[2] 吳旭正，何毅，羅偉堅，等.特種設(shè)備典型事故案例集[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2016：89-214.

[3] GB 5099—1994 鋼制無縫氣瓶[S].

[4] 范廣英，蘇婭.氧氣瓶爆炸事故原因分析[J].內(nèi)蒙古石油化工，2012（11）：54-55.

[5] 張棟，鐘道培，陶春虎，等.失效分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004：94-98.

[6] 王俊海，陳坤，趙麗明.在用氧氣瓶爆炸原因分析[J].中國重型裝備，2012（02）：50-52.

[7] 夏立榮，耿志強，雷閩.氧氣瓶爆炸事故的原因分析[J].壓力容器，2007，24（08）：50-54.

[8] TSG R006—2014 特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范[S].