方　敏,劉獻游,呂　濤

(1.遂寧市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所,四川遂寧 629000；2.四川省特種設(shè)備檢驗研究院,四川成都610061;3.四川省特種設(shè)備安全管理協(xié)會,四川 成都　610041)

?

安全分析

車用壓縮天然氣氣瓶爆炸事故原因分析

方敏1,劉獻游2,呂濤3

(1.遂寧市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所,四川遂寧 629000；2.四川省特種設(shè)備檢驗研究院,四川成都610061;3.四川省特種設(shè)備安全管理協(xié)會,四川 成都610041)

摘要：一燃料為壓縮天然氣(CNG)的車輛發(fā)生了CNG氣瓶爆炸事故。為了解事故原因，確認是車輛自燃引起CNG氣瓶爆炸，還是由于CNG氣瓶爆炸而引起車輛燃燒，對爆炸后的氣瓶殘骸進行了試驗檢測與分析。經(jīng)過對爆炸氣瓶不同區(qū)域的化學(xué)成分分析、常溫拉伸試驗和顯微金相檢測，并根據(jù)爆炸氣瓶殘骸試驗檢測結(jié)果進行綜合分析，最終確定了事故發(fā)生原因。

關(guān)鍵詞：CNG氣瓶；車輛燃燒；氣瓶爆炸；原因分析

0引言

2013年，四川省某地發(fā)生一起汽車燃燒事故，事故車輛為三廂小轎車，行駛過程中汽車方向盤下出現(xiàn)膠味、冒煙，隨后燃燒，火勢無法控制；燃燒20 min左右，位于汽車尾部的壓縮天然氣(CNG)氣瓶發(fā)生爆炸，爆炸時有高達6 m左右的火焰，汽車轎廂頂部被炸飛，爆炸后10 min內(nèi)消防車趕到用水將火撲滅。事故是如何產(chǎn)生的？究竟是車輛自燃引起CNG氣瓶爆炸，還是氣瓶泄漏引起車輛燃燒？為了確認事故原因，對爆炸后的氣瓶殘骸進行了試驗檢測與分析。

1爆炸氣瓶概況

爆炸氣瓶為車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶，內(nèi)膽材料為30CrMo，設(shè)計規(guī)格為φ325 mm×4.5 mm，實際最小壁厚5.2 mm。

圖1　爆炸后的氣瓶宏觀形貌

圖2　瓶體中部爆口處呈刀刃狀

氣瓶從瓶體中部爆開，瓶體中部受爆炸巨大沖擊力作用已完全變形、破裂，原本圓形的瓶體已變成瓦片狀，爆口邊緣呈刀刃狀，壁厚明顯減薄(圖1中B區(qū)域)；瓶口及瓶底(圖1中A區(qū)域)仍保持原有瓶體形貌。氣瓶宏觀形貌見圖1,2。

對瓶體中部、瓶口及瓶底進行周長及壁厚測量，結(jié)果表明：瓶體中部破裂位置相較瓶口和瓶底，外徑略有脹粗；破裂位置壁厚明顯減薄，最薄處呈刀刃狀，厚約0.8 mm，瓶口和瓶底壁厚正常。測量結(jié)果見表1。

表1　氣瓶各部位周長及壁厚

2試驗檢測

2.1　取樣情況

用氣割方式將圖1中A,B區(qū)域切下(A,B區(qū)拉伸試件的取樣方向為縱向)在A區(qū)域取化學(xué)(AH)、常溫拉伸(AL)[1]、金相(AJ)試樣各1個；在B區(qū)域取化學(xué)(BH)、常溫拉伸(BL)試樣各1個，金相試樣(BJ-1，BJ-2，BJ-3)3個[2]。取樣位置見圖3。

(a)(b)

圖3取樣位置示意

2.2　化學(xué)成分分析

對A,B區(qū)域進行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表2。檢測結(jié)果表明，氣瓶化學(xué)成分符合氣瓶制造廠家企業(yè)標準Q/JB THB007—2007《車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽》要求。

2.3　常溫拉伸試驗

對A,B區(qū)域進行常溫拉伸試驗，結(jié)果如表3所示。檢驗結(jié)果表明：A區(qū)域常溫拉伸性能滿足Q/JB THB007—2007[3]要求；B區(qū)域常溫拉伸性能不滿足Q/JB THB007—2007要求，抗拉強度及屈服強度明顯降低，屈服強度降低約300 MPa。針對此異常情況，特在B區(qū)域拉伸試樣余料上截取金相試樣(BJ-4)進行檢測。

表2　化學(xué)成分　%

表3　常溫拉伸試驗結(jié)果

2.4　顯微金相檢測

對A，B，C區(qū)域進行顯微金相檢測[4]，共檢測6個金相試樣，金相取樣與觀察垂直于氣瓶軸向，所有的金相都在一個方向上取樣與觀察，結(jié)果如下。

AJ：瓶底金相試樣，顯微金相組織為回火索氏體，是30CrMo經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的正常組織，見圖4。

圖4　AJ金相組織　500×

BJ-1：爆口邊緣金相試樣，顯微金相組織為馬氏體+貝氏體+塊狀先共析鐵素體[5]，為30CrMo加熱到Ac3以上的快冷組織(但冷卻速度小于水淬)，見圖5。

BJ-2：沿氣瓶圓周方向距爆口邊緣30~60 mm金相試樣，顯微金相組織為貝氏體+鐵素體，為30CrMo正火組織，冷速相對爆口邊緣稍緩[6]，見圖6。

圖5　BJ-1金相組織　500×

BJ-3：沿氣瓶圓周方向距爆口邊緣60~100 mm金相試樣，顯微金相組織為貝氏體+鐵素體，貝氏體量與BJ-2相比更少，鐵素體增多，為30CrMo正火組織，冷速相對更緩[7]，見圖7。

圖7　BJ-3金相組織　500×

BJ-4：拉伸試樣余料金相試樣，沿氣瓶圓周方向距爆口邊緣約200 mm，顯微金相組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體，為30CrMo正火組織，冷速相對BJ-3代表的部位更緩，見圖8。

圖8　BJ-4金相組織　500×

CJ：爆口背面金相試樣，顯微金相組織為回火索氏體+珠光體，反映出此處的升溫程度處于30CrMo的兩相區(qū)，見圖9。

圖9　CJ金相組織　500×

3分析討論

從宏觀、拉伸試驗及顯微金相檢測結(jié)果可以得出以下結(jié)論。

(1)氣瓶瓶口及瓶底處宏觀形貌未發(fā)生改變，瓶底力學(xué)性能和金相組織均滿足Q/JB THB007—2007標準要求。

(2)氣瓶爆口處受爆炸影響，圓形的瓶體已變成瓦片狀，爆口邊緣壁厚嚴重減?。黄瓶谶吘売忻黠@剪切唇，為韌性斷裂。宏觀判斷破壞屬性是物理升壓爆破；也存在著首先產(chǎn)生物理爆破，在物理爆破的瞬間，氣瓶內(nèi)的可燃氣體(天然氣)與瓶外的火源接觸產(chǎn)生第二次爆炸的可能性。

(3)氣瓶爆口區(qū)域金相組織與原始金相組織相比發(fā)生很大變化。從爆口邊緣沿圖3中所示BJ-1至BL方向呈現(xiàn)規(guī)律如表4所示。

表4　爆口區(qū)域金相組織與原始金相組織變化規(guī)律

從表4可以看出，金相組織呈現(xiàn)規(guī)律為：馬氏體+貝氏體+少量鐵素體→大量貝氏體+一定量鐵素體→中量貝氏體+中量鐵素體→珠光體(少量貝氏體)+大量鐵素體。

此組織變化規(guī)律與氣瓶加熱到Ac3以上相變溫度后的冷速從快到慢有關(guān)，從爆口到爆口背面呈現(xiàn)出明顯的梯度變化，這與爆炸瞬間瓶內(nèi)介質(zhì)沖出時對爆口和遠離爆口的冷卻作用不同有關(guān)，對爆口邊緣的冷卻作用最大，所以爆口邊緣為快冷組織。從這種明顯的微觀組織梯度差異，可以推斷，造成瓶體組織改變的時機必然是瓶體爆炸之前，而不是爆炸之后，否則，不可能呈現(xiàn)出從爆口邊緣到遠離爆口的金相組織梯度差異，更不可能存在瓶底和瓶口兩端未受影響的現(xiàn)象[8]。

(4)氣瓶爆口背面金相組織為回火索氏體+珠光體，此組織為30CrMo加熱到Ac1溫度以上、Ac3以下兩相區(qū)之間的緩冷組織，此處所受熱量相比爆口處少，所以溫度更低。

比較氣瓶的正常金相組織、爆口附近的金相組織及爆口背面的金相組織，可以推斷，氣瓶在爆炸前，氣瓶中部一側(cè)(即上文中所述的刀口狀區(qū)域)被加熱到30CrMo材質(zhì)Ac3溫度以上(800 ℃以上)，該部位是最初被加熱的區(qū)域。

將金屬氣瓶加熱到相變溫度以上，需要大量的熱能，汽車車體本身的可燃性材料燃燒所能產(chǎn)生的熱量能否達到這一效果？據(jù)了解，汽車所帶能源除CNG外，車上還有部分汽油，在發(fā)生自燃時，CNG氣瓶氣閥被關(guān)閉，瓶內(nèi)壓力約10 MPa，因此，能提供充分熱能的很可能是汽油，即，是汽油的燃燒使氣瓶被加熱到高溫。

假設(shè)氣瓶爆炸時，外部纏繞的纖維層已完全失效，即維持瓶內(nèi)壓力的只有鋼質(zhì)瓶體，估算氣瓶爆炸瞬間壓力[9]:

由理想氣體狀態(tài)方程公式：

C=PV/T

式中P——氣體壓力，MPa

V——體積，m3

T——氣體絕對溫度，K

按理想氣體狀態(tài)方程，加熱到Ac3時以750 ℃算，常溫時瓶內(nèi)壓力10 MPa，當時的氣溫按常溫10 ℃計算。不考慮體積變化，則:

P1/T1=P2/T2，P2=P1×T2/T1

其中:

P1=10 MPa

T1=273+10=283 K

P2≈36 MPa

T2=273+750=1023 K

此時瓶內(nèi)壓力會達到30MPa以上(估算，沒考慮體積變化)，氣瓶內(nèi)膽的最小設(shè)計爆破壓力是26 MPa(見GB 24160—2009《車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶》[10])，估算壓力遠超于26 MPa。此時氣瓶材料強度減少，在如此高的壓力下，發(fā)生爆破。

4結(jié)論

綜上所述，可對氣瓶爆炸失效的過程作出如下判斷：汽車因某種原因發(fā)生自燃，燃燒產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致產(chǎn)生兩個方面的問題：一方面氣瓶瓶體受火焰作用的局部區(qū)域溫度逐漸升高，瓶體強度隨之下降；另一方面，氣瓶中壓縮天然氣受高溫作用膨脹，瓶內(nèi)壓力升高。隨著瓶體溫度和瓶內(nèi)壓力的不斷升高，當瓶體強度下降到不能承受瓶內(nèi)壓力時，氣瓶溫度最高的局部區(qū)域開始發(fā)生塑性變形，表現(xiàn)為局部鼓脹，瓶壁厚度減薄，直至最后開裂發(fā)生爆炸。

參考文獻：

[1]GB/T 2975—1998，鋼及鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗取樣位置及試樣制備[S].

[2]趙俊彥.淺析金相試樣的制備[J].內(nèi)燃機與配件，2013(8):48.

[3]Q/JB THB007—2007，車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽[S].

[4]劉艷英， 臧金旺，李憲武.金相試樣制備過程概述[J].金屬世界, 2010(1):46-48.

[5]孫巧玲,渠亞男,韓濤潔.典型上、下貝氏體金相組織的制備[J].九江學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版) , 2011(1):26-31.

[6]黃少文.回火對低碳貝氏體鋼組織和性能的影響[J].山東冶金,2015，37(5):45-48.

[7]郭建明，馮永強，李錦時,等.30CrMo 鋼熱處理后性能影響因素的研究[J].鍋爐制造,2000(2)：58-64.

[8]周國發(fā)，李紅英.基于順序耦合的火災(zāi)環(huán)境下氣瓶熱及力學(xué)響應(yīng)數(shù)值模擬[J].壓力容器，2012，29(9)：28-32.

[9]韋晨，王澤軍，譚蔚,等.氣瓶動態(tài)爆破壓力預(yù)測[J].壓力容器,2014,31(4):41-48.

[10]GB 24160—2009，車用壓縮天然氣鋼質(zhì)內(nèi)膽環(huán)向纏繞氣瓶[S].

Cause Analysis of the Vehicle CNG Cylinder Explosion

FANG Min1，LIU Xian-you2，Lü Tao3

(1.Suining Special Equipment Supervision Inspection Institute，Suining 629000,China;2.Sichuan Special Equipment Inspection Institute,Chengdu 610061,China;3.Sichuan Special Equipment Safety Management Association,Chengdu 610041,China)

Abstract:A vehicle CNG cylinder explosion accident occured.In order to confirm the cause of the accident.Is the vehicle fire itself giving rise to the CNG explosion or the CNG explosion causing to the fire of the vehicle? The CNG cylinder affter explosion was tested and analyzed.Chemical analysis，room temperature tensile test and metallographic test of the CNG cylinder were carried out,finally,the cause of the accident was confirmed by the result of the test.

Key words:CNG cylinder;vehicle burning accident；gas cylinder explosion;reason of analysis

作者簡介：方敏(1969-)，男，高級工程師，副所長,鍋爐、壓力容器、壓力管道檢驗師，主要從事承壓類特種設(shè)備檢驗檢測工作，

通信地址：643000四川省自貢市匯東新區(qū)銀樺小區(qū)21棟2單元11號,E-mail:13388325303@189.cn。

收稿日期：2015-06-25修稿日期：2015-12-14

doi:10.3969/j.issn.1001-4837.2015.12.007

中圖分類號：TH138.22;X928.7

文獻標志碼：B

文章編號：1001-4837(2015)12-0038-05