一起鋁合金氧氣瓶爆炸案例分析

王友紅 黃 崧 李 斌 曹祖東 陳 杰

(1.重慶市特種設(shè)備檢測研究院 重慶 401121)

(2.國家壓縮天然氣（CNG）氣瓶質(zhì)量檢驗(yàn)檢測中心 重慶 401120)

氣瓶是用于盛裝氧氣、氫氣、二氧化碳等壓縮氣體或液化氣體的包裝容器，已廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、石油、化工、消防、醫(yī)療、清潔能源汽車等領(lǐng)域，為國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)的建設(shè)發(fā)揮著十分重要的作用。近年來，我國已發(fā)生多起氣瓶爆炸事故［1－4］，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，氣瓶的安全問題至關(guān)重要。

截至2020年底，我國氣瓶數(shù)量已達(dá)到1.79億只，基數(shù)龐大，且常用來主裝易燃、易爆、有毒的危險化學(xué)品，公稱壓力大，一旦發(fā)生事故，極易給人們生命財(cái)產(chǎn)安全造成損失。對現(xiàn)有事故進(jìn)行分析，找到事故原因，對避免同類氣瓶在使用過程中出現(xiàn)安全問題具有重要意義。

本文對一起鋁合金氧氣瓶爆炸案例進(jìn)行分析，該事故具體情況為：在2019年某日凌晨，某住宅小區(qū)6樓一房間發(fā)生火災(zāi)事故，事故中2只醫(yī)用鋁合金氧氣瓶先后發(fā)生爆炸（時間間隔約5 min），造成1名老人死亡。本文通過現(xiàn)場勘察與理論計(jì)算等方法，分析了事故原因。

1 現(xiàn)場調(diào)查情況

失火住宅為三室一廳，其起火房間為居住老人的臥室，示意圖如圖1所示。起火房間內(nèi)墻體和天花板均有不同程度的破壞，2只爆炸的氧氣瓶分別位于墻體1靠門處和墻體2靠窗處，見圖2。

圖1 住宅結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 事故發(fā)生后破壞的墻體及氧氣瓶位置情況

現(xiàn)場的2只氧氣瓶為老人生前用來吸氧的鋁合金無縫氧氣瓶，根據(jù)氣瓶瓶肩處的鋼印信息，可查得氣瓶由國內(nèi)某公司生產(chǎn)，產(chǎn)品制造標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 11640—2001《鋁合金無縫氣瓶》，于2002年11月制造，材料為6061－T6鋁合金（固溶＋時效處理），分別于2018年、2019年進(jìn)行定期檢驗(yàn)，氣瓶詳細(xì)信息見表1。

表1 氣瓶詳細(xì)信息

現(xiàn)場勘驗(yàn)顯示，1#氣瓶瓶體已嚴(yán)重破壞，斷口呈剪切狀，斷口實(shí)測壁厚為9.1 mm，無明顯減薄，未發(fā)現(xiàn)瓶體其他宏觀可見缺陷。在室內(nèi)床墊彈簧上發(fā)現(xiàn)瓶體另一塊殘片，該殘片局部呈燒熔狀態(tài)，見圖3。2#氣瓶瓶體已嚴(yán)重破壞，其上半部呈撕裂狀，瓶體實(shí)測壁厚為9.2 mm，斷口處實(shí)測壁厚為5.6 mm，有減薄現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)瓶體其他宏觀可見缺陷，見圖4。氣瓶內(nèi)部均未發(fā)現(xiàn)有燃燒痕跡。

圖3 破壞后的1#氣瓶

圖4 破壞后的2#氣瓶

2只氣瓶的閥門除塑料手柄損壞外，其余部分外觀均無異常。拆下集成在瓶閥上的安全泄放裝置，該氣瓶設(shè)置的安全泄放裝置為爆破片，爆破片未發(fā)生破裂，見圖5。

圖5 1#氣瓶的瓶閥與爆破片

2 事故原因分析

事故現(xiàn)場發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)，救火人員進(jìn)入房間滅火使用了大量消防水，現(xiàn)場凌亂，勘察較為困難?，F(xiàn)結(jié)合勘察和調(diào)查情況分析如下：

1）氣瓶是2天前送到老人家中，該氣瓶經(jīng)過主裝、儲存、運(yùn)輸和使用均未發(fā)生異常，現(xiàn)場勘察瓶內(nèi)未發(fā)現(xiàn)燃燒痕跡，排除了瓶內(nèi)有油脂的可能性。氣瓶已使用近16年，進(jìn)行了多次定期檢驗(yàn)合格；1#氣瓶最近一次檢驗(yàn)是2019年3月，2#氣瓶最近一次檢驗(yàn)是2018年6月，均有檢驗(yàn)合格的鋼印，且在檢驗(yàn)有效期內(nèi)。

2）事故房間發(fā)現(xiàn)數(shù)條香煙和打火機(jī)、酒精燈等物品。調(diào)取該住宅1樓的視頻監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，發(fā)生第1次爆炸后，樓道內(nèi)的聲控?zé)袅疗?，約5 s后，大量的火星從樓上落下；約5 min后，發(fā)生了第2次爆炸。如果是氣瓶發(fā)生爆炸進(jìn)而才導(dǎo)致火災(zāi)的話，1樓監(jiān)控視頻里首先出現(xiàn)的應(yīng)該是被爆炸沖擊波吹出的房內(nèi)雜物而不是大量的火星。視頻監(jiān)控的事實(shí)主分說明，事故房間是有火災(zāi)在先，而后導(dǎo)致氣瓶爆炸。

3）1#氣瓶瓶體底部及下半部有明顯火燒痕跡，瓶體有鼓脹現(xiàn)象，斷口呈剪切狀，壁厚無明顯減薄，瓶體撕裂部分已飛出，爆炸能量相對較大?？赏茰y該氣瓶瓶內(nèi)余壓較高（送達(dá)后尚未使用或較少使用），氣瓶底部受火后導(dǎo)致瓶內(nèi)氣體溫度升高、壓力增大；同時瓶體材料受火后溫度升高導(dǎo)致瓶體材料強(qiáng)度下降；瓶內(nèi)壓力升高與瓶體強(qiáng)度下降到一定程度，導(dǎo)致氣瓶發(fā)生爆炸；同時，可以推測是1#氣瓶首先發(fā)生爆炸。查閱《中國材料工程大典（第4卷）：有色金屬材料工程（上）》［5］中第 9章表 2.9－12的 6061－T6合金的強(qiáng)度隨溫度變化的性能，見表2。

表2 6061-T6合金在不同溫度下的典型抗拉性能

由表2可看出，隨著溫度的上升，6061－T6鋁合金材料的抗拉強(qiáng)度急劇下降。24 ℃時為310 MPa，149 ℃時為 234 MPa，下降 24.5%；204 ℃時為131 MPa，下降57.7%；260 ℃時為51 MPa，下降83.5%。材料抗拉強(qiáng)度的下降直接導(dǎo)致氣瓶爆破壓力降低，根據(jù)GB/T 11640—2001［6］可按式（1）計(jì)算氣瓶在不同溫度下的爆破壓力。

式中：

Pb——?dú)馄勘茐毫Γ?/p>

σb——鋁合金材料抗拉強(qiáng)度；

Do——?dú)馄客鈴剑?/p>

S——瓶體壁厚。

計(jì)算結(jié)果如圖6所示，由圖6可看出，隨著瓶體溫度逐漸升高，氣瓶的計(jì)算爆破壓力迅速下降；瓶體材料溫度在24 ℃時氣瓶的計(jì)算爆破壓力約為37.6 MPa，而在260 ℃時計(jì)算爆破壓力約為6.2 MPa。1#氣瓶瓶體底部及下半部受火，造成瓶體局部溫度升高，金屬材料強(qiáng)度下降，而瓶內(nèi)氧氣壓力逐漸上升。當(dāng)瓶內(nèi)壓力上升達(dá)到此狀態(tài)下氣瓶爆破壓力時，氣瓶發(fā)生爆炸。

圖6 1#氣瓶爆破壓力與溫度曲線圖

4）2#氣瓶瓶體表面有大面積火燒痕跡，瓶體有鼓脹現(xiàn)象，斷口壁厚為5.6 mm，有減薄現(xiàn)象。瓶體上部撕裂（未脫離瓶體），說明爆炸能量相對較小，爆炸時瓶內(nèi)壓力應(yīng)相對較低?？赏茰y該氣瓶著火前瓶內(nèi)余壓相對較低（送達(dá)后應(yīng)是首先使用2天），房間著火后瓶體受火時間更長，造成瓶體表面有大面積火燒痕跡，瓶體材料強(qiáng)度下降更為明顯，瓶體有鼓脹現(xiàn)象，瓶體壁厚減薄。著火后瓶內(nèi)氧氣壓力逐漸升高，瓶內(nèi)壓力升高與瓶體強(qiáng)度下降到一定程度（瓶體壁厚5.6 mm）時，氣瓶發(fā)生爆炸。2#氣瓶爆破壓力計(jì)算結(jié)果如圖7所示，由圖7可看出，壁厚為5.6 mm的氣瓶，瓶體溫度在24 ℃時氣瓶的計(jì)算爆破壓力約為22.6 MPa，在204 ℃時計(jì)算爆破壓力約為9.6 MPa，而在260 ℃時計(jì)算爆破壓力約為3.7 MPa。當(dāng)瓶內(nèi)壓力上升達(dá)到此狀態(tài)下氣瓶爆破壓力時，氣瓶發(fā)生爆炸。

圖7 2#氣瓶爆破壓力與溫度曲線圖

3 討論

綜合以上分析，事故房間內(nèi)因其他原因發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)導(dǎo)致房內(nèi)的氧氣瓶受火，瓶體強(qiáng)度降低而瓶內(nèi)壓力升高，當(dāng)瓶內(nèi)壓力上升達(dá)到此狀態(tài)下氣瓶爆破壓力時，氣瓶發(fā)生爆炸。1#氣瓶瓶內(nèi)氧氣余壓較高，受火后先發(fā)生爆炸，瓶內(nèi)氧氣外泄加劇了火勢，約5 min后2#氣瓶發(fā)生爆炸。

TSG 23—2021《氣瓶安全技術(shù)規(guī)程》［7］中7.2.2條關(guān)于安全泄壓裝置安全要求，僅規(guī)定了安全泄壓裝置的裝設(shè)和選用的基本原則，對鋁合金氧氣瓶是否裝設(shè)安全泄壓裝置未做出明確的規(guī)定，僅在7.2.2.2條9）中說明“依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計(jì)文件要求裝設(shè)安全泄壓裝置”。在《氣瓶安全技術(shù)規(guī)程》釋義［8］中也對該條進(jìn)行了進(jìn)一步說明，明確從最惡劣的后果考慮，為了防止氣瓶在火災(zāi)現(xiàn)場內(nèi)發(fā)生爆炸，避免災(zāi)情的擴(kuò)大、惡化，大多數(shù)氣瓶還是以裝設(shè)安全泄壓裝置為宜。

國家標(biāo)準(zhǔn)委于2016年12月13日發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 33215—2016《氣瓶安全泄壓裝置》［9］，規(guī)定了氣瓶安全泄放裝置的類型、結(jié)構(gòu)型式、設(shè)置原則、選用原則、基本要求等，以保證氣瓶在意外高溫的環(huán)境狀態(tài)下能自動迅速排氣泄壓，保護(hù)瓶體不致爆破。但GB/T 33215—2016的設(shè)置原則和選用原則也沒有對鋁合金氣瓶的安全泄放裝置做出明確的規(guī)定，同時GB/T 11640—2001中也未對安全泄放裝置做出明確的規(guī)定。為防止類似事故的再次發(fā)生，保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，建議在GB/T 33215—2016或GB/T 11640—2001中，明確規(guī)定鋁合金氣瓶的安全泄放裝置應(yīng)為溫度型與壓力型（易熔合金塞與爆破片）的并聯(lián)復(fù)合裝置，以保證氣瓶在意外高溫或超壓的狀態(tài)下能自動排氣泄壓，保護(hù)瓶體不致爆破。同時，作為醫(yī)護(hù)用品的氧氣瓶已走進(jìn)千家萬戶，加強(qiáng)氧氣瓶安全使用知識的專業(yè)培訓(xùn)尤為重要。

4 結(jié)論

本文通過對一起鋁合金氧氣瓶爆炸案例進(jìn)行分析，得出了事故原因，并提出相應(yīng)預(yù)防措施：

1）火災(zāi)是導(dǎo)致氣瓶發(fā)生爆炸的最直接原因。因其他原因事故房間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)導(dǎo)致房內(nèi)的氧氣瓶受火，瓶體強(qiáng)度降低而瓶內(nèi)壓力升高，當(dāng)瓶內(nèi)壓力上升達(dá)到此狀態(tài)下氣瓶爆破壓力時，氣瓶發(fā)生爆炸。1#氣瓶瓶內(nèi)氧氣余壓較高，受火后先發(fā)生爆炸，瓶內(nèi)氧氣外泄加劇了火勢，約5 min后2#氣瓶發(fā)生爆炸。

2）建議在法規(guī)中明確規(guī)定鋁合金氣瓶的安全泄放裝置應(yīng)為溫度型與壓力型（易熔合金塞與爆破片）的并聯(lián)復(fù)合裝置，以保證氣瓶在意外高溫或超壓的狀態(tài)下能自動排氣泄壓，保護(hù)瓶體不致爆破。