毛天林 許林滔(臺州市特種設備監(jiān)督檢驗中心 臺州 318000)

一起鋼質(zhì)無縫氣瓶爆炸事故技術分析

毛天林 許林滔
(臺州市特種設備監(jiān)督檢驗中心 臺州 318000)

文章簡要描述了一起消防氣體滅火鋼質(zhì)氣瓶爆炸事故，對爆炸氣瓶進行了斷口分析、金相試驗和理化試驗，并分析了事故的原因，提醒制造廠家規(guī)范制造工藝，對預防類似事故的發(fā)生具有一定的參考意義。

氣瓶爆炸 事故分析 金相試驗 理化實驗

2013年9月某日中午，位于某銀行大樓四樓的消防控制中心中1只氣瓶突然發(fā)生爆炸，擊穿三層混凝土樓板，震碎數(shù)十個房間的玻璃。因是中午休息時間，所幸沒有人身傷害。

該氣瓶是氣體滅火保護系統(tǒng)中氣體瓶組(共3只氣瓶)的最右側(cè)1只氣瓶。該氣瓶組平常是瓶體垂直放置的。爆炸后，瓶底仍在原處，瓶體垂直向上擊穿三層混凝土樓板，落在七樓的會議室內(nèi)。四層消防控制中心附近的數(shù)十個房間的玻璃全被震碎。

1 使用及檢驗情況

該鋼瓶原始資料遺失，材質(zhì)不詳，瓶體采用無縫鋼管收口沖壓成型，底部為凹形底，瓶體無焊縫。其高度為1780mm，外徑270mm，厚度8mm，容積約70L。詢問使用單位管理人員后得知，該氣瓶組實際使用時間近8年，實際工作壓力15MPa。瓶體標簽顯示介質(zhì)為541混合氣體(50%N2,42%Ar，8%CO2)，該介質(zhì)特性無色，無味，無毒，不導電，是一種綠色環(huán)保型滅火劑。氣瓶組自投入后一直未進行定期檢驗。

2 事故分析

2.1 宏觀檢查

2.2 斷口分析

宏觀：爆破口位于瓶底的圓弧過渡部位，沿周向斷裂，無碎片脫落。爆破口及邊緣未見明顯變形及減薄，所有斷口相對應的兩側(cè)形貌吻合（見圖1）。

瓶體斷口區(qū)域厚度（如圖2部位3所示）8mm，存在明顯的脆性區(qū)域和韌性區(qū)域，靠近瓶體外側(cè)的脆性區(qū)域 (如圖2部位1所示)，最大徑向?qū)挾?mm，有鐵銹，呈老舊裂紋特征。靠近瓶體內(nèi)側(cè)的(如圖2部位2所示)韌性區(qū)域徑向?qū)挾?～4 mm，有氧化色彩和魚磷紋。

圖2 斷口形貌示意圖

2.3 化學成分分析

對瓶體材料取樣進行化學成分分析，分析結(jié)果見表1。分析表明瓶體的材質(zhì)符合GB5099鋼質(zhì)無縫氣瓶瓶體碳錳鋼的材料要求，屬37Mn牌號范圍。

表1 化學分析成分表%

2.4 金相組織分析

斷口處金相組織為回火索氏體+少量托氏體+塊狀鐵素體（6級）、表面半脫碳層0.2mm，有帶狀組織3～4級、斷口存在氧化，見圖3。

供應情況：國內(nèi)惜售情緒較濃，企業(yè)放貨有限，主要供應前期預收訂單。出口方面，企業(yè)積極集港發(fā)運，近期港口庫存增加較快，多數(shù)企業(yè)預收訂單已排至9月底，市場供貨偏緊。受出口市場拉動影響，二銨企業(yè)挺價強烈，報價靈活調(diào)漲。原材料方面，硫磺市場延續(xù)上行態(tài)勢，外盤價格高企，業(yè)內(nèi)拉漲心態(tài)加強；硫酸市場大穩(wěn)小動；合成氨價格觸底，局部價格小幅反彈；磷礦石市場報價陸續(xù)上調(diào)，下游采購謹慎，新單仍在商談中，市場貨緊價揚；總體看原料價格對二銨形成強力支撐。上周個別企業(yè)裝置停產(chǎn)，主要因為原料供應不足，企業(yè)平均開工率小幅下滑，約為62%。

圖3 金相組織分析圖

從實際制造工藝與金相組織分析可以判斷: 該無縫氣瓶的熱處理工藝應是淬火+高溫回火（即調(diào)質(zhì)處理），金相組織應是回火索氏體，帶狀組織應不大于3級。所以，該氣瓶制造熱處理后的金相組織是不合格的。

2.5 力學性能分析

在遠離裂口的瓶體較厚的部位取樣，進行拉伸試驗。在瓶底過渡區(qū)域較厚的部位取樣，尺寸5×10進行-20℃沖擊試驗。分析結(jié)果見表2：

表2 力學性能分析表

由表2可見，該氣瓶實測抗拉強度、沖擊功平均值偏低，均低于標準值。

2.6 強度計算

公式為[pw]=2×Sa×σba×F/（Di+Sa）

其中，實測最小壁厚Sa=7.5mm；

抗拉強度實測值σba=770MPa；

爆破時應力系數(shù)F計算取1；

實測最大內(nèi)徑Di＝255mm。

結(jié)果為：[pw]=44MPa≥15MPa

從瓶體材料力學性能抗拉強度數(shù)據(jù)可以斷定，瓶體材料抗拉強度滿足瓶體強度的要求。

3 綜合分析

1）從宏觀檢查可知：該氣瓶瓶體外型無明顯的變化脹粗，可排除超壓爆炸。

2）從工況分析，該氣瓶使用工況基本穩(wěn)定，介質(zhì)為惰性氣體混和介質(zhì)，不存在應力腐蝕可能。

3）根據(jù)斷口特征，瓶體內(nèi)壁未發(fā)現(xiàn)爆炸后黑色及化學附著物,也未發(fā)生劇烈燃燒等現(xiàn)象，可以判斷是物理爆炸。從斷口分析可知：該氣瓶外壁存在老舊裂紋，陳舊斷口是裂紋源。

4）從材料化學成分析，該氣瓶原材料是基本符合的，但金相組織分析結(jié)果是不合格的，且對瓶體取樣力學性能分析得知抗拉強度、沖擊功平均值均偏低，基本可以判斷，該氣瓶在制造過程中，熱處理過程是不符合工藝規(guī)定的。

4 結(jié)論與教訓

1）由上述分析得出，可以判斷該氣瓶在制造過程中存在工藝原因產(chǎn)生了原始裂紋，使用過程中，由于周圍環(huán)境溫度變化等原因引起壓力的波動，使裂紋在應力的作用下進一步擴展，導致破裂爆炸。

2）原始裂紋產(chǎn)生的原因可能有以下三方面:

（1）在瓶體封底工序中溫度不夠而收底過快所致的；

（2）在頂?shù)坠ば蛑袦囟炔粔蚨鴱娦许數(shù)姿碌模?/p>

（3）在淬火過程中,由于某種原因使氣瓶底部的冷卻大大滯后于瓶體及其過渡段的冷卻,收縮不均勻產(chǎn)生裂紋。

以上三方面的可能均屬于在制造過程中未嚴格執(zhí)行工藝規(guī)程，在關鍵工藝環(huán)節(jié)產(chǎn)生了原始缺陷。

另外，制造單位亦未嚴格把好檢驗關，檢驗時存在疏漏。裂紋缺陷在宏觀檢查、磁粉檢測、壓力試驗等檢驗環(huán)節(jié)均可能被發(fā)現(xiàn)。

3）使用單位未按規(guī)定做好在用設備的定期檢驗工作也是事故發(fā)生的主要原因之一，如果能及時執(zhí)行定期檢驗，應該能及時發(fā)現(xiàn)缺陷，避免事故的發(fā)生。

1 徐暉.丁烷氣瓶爆炸事故分析[J].中國特種設備安全,2012,28(12):48～50.

2 GB 5099—1994 鋼質(zhì)無縫氣瓶[S]

3 鮑志敏. 一起壓力容器爆炸事故分析[J].中國特種設備安全,2012,28(12):71～72.

4 周運武.氧氣瓶爆炸原因分析[J]. 特種設備安全技術,2008,5.

Failure Analysis on the Explosion Accident of Steel Seamless Gas Cylinder

Mao Tianlin Xu Lintao
(Taizhou Special Equipment Supervision and Inspection Center Taizhou 318000)

An explosion accident of seamless gas cylinder is analyzed by fracture analysis, microscopic test, physical and chemical inspection. The reason for this accident is helpful to improve manufacture process of gas cylinder and avoid accident happening again.

Gas cylinder explosion Failure analysis Microscopic test Physical experiments

X933.4

B

1673－257X(2014)07－53－03

毛天林（1963～),男，工程師，綜合技術部主任，從事特種設備檢驗及特種設備制造監(jiān)督檢驗工作。

2014－03－04）