氧氣瓶爆炸失效分析

張 元 ， 張 號(hào) ， 李明超 ， 孟維歌 ， 宋明大

（1. 中國(guó)石油大學(xué)（華東） 化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580；2. 山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院有限公司，濟(jì)南 250101）

0 引言

氣瓶是用以貯運(yùn)永久氣體、液化氣體和溶解氣體的可重復(fù)充裝使用的移動(dòng)式壓力容器[1]。近些年氣瓶爆炸事故頻發(fā)[2-5]，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失，因此，氣瓶的安全性問(wèn)題至關(guān)重要。目前，我國(guó)氣瓶行業(yè)安全問(wèn)題嚴(yán)峻：第一，氣瓶數(shù)量龐大，截止到2017年底，我國(guó)共有氣瓶14 265萬(wàn)只[6]；第二，氣瓶公稱(chēng)壓力大，且常用來(lái)充裝易燃易爆有毒的危險(xiǎn)化學(xué)品，因此危險(xiǎn)性極大；第三，一旦失效，給人們的生命、財(cái)產(chǎn)、環(huán)境帶來(lái)傷害和損失。

氧氣瓶的爆炸失效可以分為物理爆炸和化學(xué)爆炸。前者是由于物理因素，如受熱膨脹、結(jié)構(gòu)損傷和外力破壞等，導(dǎo)致氣瓶破裂，如文獻(xiàn)[7]研究分析的一次車(chē)用氣瓶爆炸事故的原因?yàn)槲锢肀?；后者是由于在充裝過(guò)程中混入可燃性物質(zhì)，如油脂、氫氣等，與氧氣發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的爆炸，文獻(xiàn)[8]中氧氣瓶使用壓力過(guò)低導(dǎo)致乙炔流入氧氣瓶，在充裝過(guò)程中發(fā)生化學(xué)爆炸。相比于物理爆炸，化學(xué)爆炸破壞力更大。

目前國(guó)內(nèi)已有一些針對(duì)氧氣瓶爆炸事故分析和安全評(píng)價(jià)的研究。韋晨等[9]建立有限元模型，對(duì)氣瓶爆炸進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，對(duì)爆炸壓力進(jìn)行了預(yù)測(cè)；梁斌等[10]通過(guò)常規(guī)檢測(cè)試驗(yàn)和事故現(xiàn)場(chǎng)勘查技術(shù)，依據(jù)碎片拋射距離模型估算氣瓶實(shí)際爆炸能量，從能量角度分析氧氣瓶爆炸性質(zhì)和起因；李冬等[11]對(duì)一起氧氣瓶充裝過(guò)程中混入油脂導(dǎo)致化學(xué)爆炸的事故進(jìn)行了分析計(jì)算，得到爆炸實(shí)際油脂量，認(rèn)為大量的油脂存在純屬誤操作導(dǎo)致；陳衛(wèi)華等[12]分析了3起氧氣瓶爆炸事故，總結(jié)出了違規(guī)操作、氣瓶混入氫氣、瓶?jī)?nèi)沾有油脂和結(jié)構(gòu)損壞4種原因；魯紅亮等[13]對(duì)氣瓶身份識(shí)別技術(shù)中典型的鋼印編號(hào)、條碼和電子標(biāo)簽等3種手段的研究和應(yīng)用進(jìn)行了綜述，認(rèn)為電子標(biāo)簽技術(shù)最適合氣瓶的監(jiān)管；袁淑芳[14]應(yīng)用事故樹(shù)法分析了氧氣瓶爆炸事故，為氧氣瓶安全管理提供科學(xué)依據(jù)。

本研究對(duì)一次氧氣瓶爆炸事故進(jìn)行失效分析，以找出氧氣瓶爆炸的原因。分析氣瓶事故原因?qū)τ谕?lèi)氣瓶在灌裝、運(yùn)輸、使用等過(guò)程中的安全問(wèn)題有著重要意義，可為氣瓶的安全性問(wèn)題和同類(lèi)失效問(wèn)題提供一定參考。

1 事故概況

在進(jìn)行氧氣瓶卸車(chē)的過(guò)程中，其中一氣瓶發(fā)生粉碎性爆炸，造成1人死亡、1人重傷、1人輕傷?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)施毀壞嚴(yán)重，車(chē)間彩鋼瓦、運(yùn)輸車(chē)和其他氣瓶均受到不同程度損傷。據(jù)目擊者介紹，爆炸時(shí)產(chǎn)生大量濃煙。檢查發(fā)現(xiàn)，其他氣瓶瓶身沾有大量油脂，如圖1所示。爆炸產(chǎn)生數(shù)十塊碎片，最遠(yuǎn)一塊碎片飛出距離約為250 m，事后共收集到碎片51塊，總重約50 kg。

2 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

2.1 碎片檢查

圖 1 爆炸現(xiàn)場(chǎng)其他氣瓶及瓶身油脂F(xiàn)ig.1 Gas cylinders and grease

瓶肩碎片外表面尚殘留部分原始鋼印標(biāo)記，據(jù)此確定事故氣瓶的重量為57.8 kg，容積為41.2 L，壁厚為5.8 mm，生產(chǎn)日期為1991年11月。碎片如圖2所示，瓶肩碎片外表面殘留少量淡藍(lán)色瓶漆，為氧氣瓶的顏色標(biāo)記。未見(jiàn)氣瓶編號(hào)、制造標(biāo)準(zhǔn)、充裝介質(zhì)、公稱(chēng)工作壓力和水壓試驗(yàn)壓力等標(biāo)記信息。瓶肩碎片相對(duì)較小，基本被展平，碎片既有剪切斷口也有正斷斷口。瓶肩碎片斷口表面及碎片內(nèi)表面存在大量的過(guò)火痕跡，包括瓶口內(nèi)螺紋熔化、斷口發(fā)藍(lán)和內(nèi)表面附著炭黑物。

瓶身碎片基本成長(zhǎng)條狀并存在一定的卷曲度，體積相對(duì)較大，斷口大多數(shù)為剪切斷口，其余少數(shù)為正斷斷口，斷口形貌如圖3所示。

事故氣瓶瓶底有3處撕裂裂縫，相對(duì)完整，未發(fā)生破碎，與瓶底相連的部分瓶身均向外伸展。碎片上未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕或機(jī)械損傷等缺陷。用游標(biāo)卡尺對(duì)瓶肩和瓶身的碎片選點(diǎn)測(cè)厚，結(jié)果顯示碎片壁厚為4.84～11.00 mm，壁厚最小處位于瓶身處，最大處在瓶肩處，壁厚減薄不大。

圖 2 瓶肩碎片過(guò)火痕跡Fig.2 Combustion appearance of shoulder debris

圖 3 瓶身碎片斷口形貌Fig.3 Fracture morphology of body debris

2.2 化學(xué)成分分析

對(duì)氣瓶瓶身碎片取樣，進(jìn)行光譜分析。測(cè)得化學(xué)成分結(jié)果如表1所示，氣瓶的化學(xué)成分符合GB/T 5099—2017《鋼制無(wú)縫氣瓶》的要求。

2.3 金相組織分析

對(duì)氣瓶瓶身碎片內(nèi)表面斷口處進(jìn)行金相檢查，結(jié)果如圖4所示。氣瓶金相組織為鐵素體+珠光體，斷口處晶粒明顯拉長(zhǎng)，存在少量魏氏組織，有脫碳現(xiàn)象。

表 1 氣瓶材料化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%）Table 1 Chemical composition of oxygen cylinder (mass fraction /%)

圖 4 氣瓶金相組織Fig.4 Metallographic structure

2.4 內(nèi)表面附著物分析

對(duì)圖2b中內(nèi)表面的炭黑附著物進(jìn)行傅里葉變換紅外光譜分析，結(jié)果見(jiàn)圖5。由分析結(jié)果可知，在波數(shù)2 800～3 000 cm-1處的吸收峰為CH的伸縮振動(dòng)峰，1 737.55 cm-1處為羰基的伸縮振動(dòng)吸收峰，1 411.64 cm-1處為CH的彎曲吸收峰，由此可推斷，附著物的主要成分為碳?xì)浠衔铩?/p>

圖 5 內(nèi)表面附著物紅外光譜分析結(jié)果Fig.5 Infrared spectrum analysis results of attachment

對(duì)內(nèi)表面附著物進(jìn)行掃描電鏡觀察，炭黑物質(zhì)的微觀形貌如圖6所示。采用波譜分析附著物的含碳量，結(jié)果顯示含碳量約為3.363%。

圖 6 炭黑物質(zhì)微觀形貌Fig.6 Micro appearance of black attachments

3 爆炸原因分析

3.1 爆炸特征分析

事故爆炸產(chǎn)生數(shù)十塊碎片，且壁厚無(wú)明顯減薄，說(shuō)明在爆炸時(shí)瓶體鋼板材料的變形速度遠(yuǎn)未達(dá)到瓶?jī)?nèi)壓力的增長(zhǎng)速度，屬于材料的瞬間斷裂。另外，氣瓶斷口處壁厚無(wú)明顯減薄，部分?jǐn)嗫跒檎龜鄶嗫冢遣牧峡焖贁嗔训牡湫吞卣?。這與瓶?jī)?nèi)壓力緩慢上升，造成氣瓶鼓脹變形，最終導(dǎo)致氣瓶物理性破裂的破壞形式不同。并且爆炸致使現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施毀壞嚴(yán)重，爆炸能量遠(yuǎn)大于一般物理性的超壓爆炸。

發(fā)現(xiàn)氣瓶碎片內(nèi)表面及斷口表面存在炭黑殘留物，且瓶口內(nèi)螺紋存在熔化痕跡和發(fā)藍(lán)現(xiàn)象，只有化學(xué)反應(yīng)形成的局部瞬時(shí)高溫，才能形成此類(lèi)斷口；金相檢查發(fā)現(xiàn)斷口處存在魏氏組織（過(guò)熱組織），紅外光譜分析證明殘留物為碳?xì)浠衔?，為物質(zhì)燃燒后的殘留物（因其他氣瓶瓶身沾有油脂，推斷可燃物應(yīng)為油脂）；現(xiàn)場(chǎng)人員也證明爆炸時(shí)產(chǎn)生了大量濃煙。以上信息可證明，氣瓶?jī)?nèi)部因油脂存在而劇烈燃燒，發(fā)生了化學(xué)爆炸。

3.2 爆炸過(guò)程分析

事故氣瓶在爆炸之前具備氧氣和可燃物（油脂）等發(fā)生化學(xué)爆炸的物質(zhì)條件，在瓶?jī)?nèi)溫度達(dá)到著火點(diǎn)時(shí)發(fā)生化學(xué)爆炸。氣瓶在正常儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中，一般瓶?jī)?nèi)溫度達(dá)不到著火條件，但是氣瓶在瓶閥開(kāi)啟時(shí)或在搬運(yùn)過(guò)程中氧化皮的掉落均可能摩擦產(chǎn)生靜電，靜電積聚到一定程度就會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象，引燃?xì)馄績(jī)?nèi)部油脂。油脂在高壓氧氣的作用下快速燃燒，使瓶?jī)?nèi)壓力迅速升高，從而引發(fā)化學(xué)爆炸。

經(jīng)調(diào)查，此氣瓶不存在不同氣體混裝的情況，氣瓶油脂應(yīng)為工人在運(yùn)輸、使用過(guò)程中所沾染的油污。

4 結(jié)論

1）氧氣瓶爆炸屬于化學(xué)爆炸。

2）氣瓶?jī)?nèi)表面存在可燃物油脂，卸車(chē)時(shí)產(chǎn)生的靜電將其點(diǎn)燃，引發(fā)氣瓶爆炸。