孫增生，張全偉，甘樹楠，宋仁智，蔣玉明，杜興隆

(長(zhǎng)城鉆探工程有限公司，北京 100101)

0 前言

鉆修井機(jī)設(shè)備上經(jīng)常使用蓄能器。封井器遠(yuǎn)程控制房中的蓄能器是用做能量?jī)?chǔ)備的一種設(shè)備，通過釋放儲(chǔ)備的能量快速關(guān)閉或打開封井器。

隨著使用時(shí)間的延長(zhǎng)，蓄能器的充氣壓力可能會(huì)下降，膠囊破損的情況也時(shí)有發(fā)生。所以按照規(guī)定，需定期檢查膠囊壓力。如發(fā)現(xiàn)壓力下降或漏氣，則需補(bǔ)充氮?dú)饣蚋鼡Q膠囊。一旦設(shè)備出現(xiàn)故障或操作不當(dāng)，則有爆炸的危險(xiǎn)。2001—2010年國(guó)內(nèi)石化行業(yè)1 700起事故中47%是壓力容器爆炸事故[1]。本文描述了一起由多方原因?qū)е碌男钅芷魑锢肀ㄊ鹿?，旨在分析并總結(jié)事故原因，加強(qiáng)防范措施，杜絕此類事故的發(fā)生。

1 事故調(diào)查

1.1 事故經(jīng)過

某鉆井隊(duì)遠(yuǎn)控房為FKQ-1280型，配備了16只80 L的蓄能器。2018年11月20日機(jī)械師及其助手在例行檢查中發(fā)現(xiàn)第15號(hào)蓄能器(廠家制造編號(hào)：10669)膠囊損壞、漏氣，在與系統(tǒng)進(jìn)行安全隔離、釋放膠囊內(nèi)殘余壓力后，拆卸了該蓄能器上部鎖緊螺母、壓環(huán)、支承環(huán)等，過程順利。取出膠囊后，發(fā)現(xiàn)膠囊已經(jīng)漏氣。隨即更換新膠囊并逆向安裝各部件。機(jī)械師在緊固鎖緊螺母過程中，始終感覺鎖緊螺母未能擰緊。他擔(dān)心如果繼續(xù)旋緊可能會(huì)把膠囊從蓄能器內(nèi)帶出，便停止繼續(xù)擰緊該鎖緊螺母，而未查找不能擰緊的原因。隨后安裝氣嘴和氣門芯，開始充氣。使用了2瓶氮?dú)獬涞搅?.9 MPa后，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)沒有多余的氮?dú)猓瑳Q定臨時(shí)結(jié)束充氣，待采購(gòu)氮?dú)夂笤傺a(bǔ)充至7 MPa。兩人離開遠(yuǎn)控房后約3 min，行走到距遠(yuǎn)控房約20 m處，突然聽到遠(yuǎn)控房發(fā)出巨響，看到遠(yuǎn)控房上的天窗被撞開。觀察數(shù)分鐘無(wú)再發(fā)異響、異味及其它異常情況，遂進(jìn)入遠(yuǎn)控房檢查。此時(shí)發(fā)現(xiàn)原充氮?dú)獾牡?5號(hào)瓶頂部連接體被炸飛。后在場(chǎng)地11.5 m遠(yuǎn)處發(fā)現(xiàn)頂部連接體，在遠(yuǎn)控房四周發(fā)現(xiàn)崩出的尼龍密封圈(已損壞)，在該瓶體下方發(fā)現(xiàn)變形的鐵質(zhì)壓環(huán)。檢查蓄能器頂部瓶口周圍無(wú)燃燒痕跡，無(wú)任何變形、損傷。膠囊從充氣連接口處斷裂，剩余部分仍然留在瓶體內(nèi)。

1.2 調(diào)查結(jié)果

事故發(fā)生后，井隊(duì)立即停止作業(yè)，由相關(guān)人員組成聯(lián)合調(diào)查組進(jìn)行了調(diào)查。調(diào)查發(fā)現(xiàn)：遠(yuǎn)控房型號(hào)是FKQ1280-7，2012年出廠，符合API Spec 16D:2004[2]標(biāo)準(zhǔn)。蓄能器為16只80 L ASMEⅧ-1-2010標(biāo)準(zhǔn)[3]的儲(chǔ)能器。中間曾數(shù)次更換膠囊，一直工作正常；在距離遠(yuǎn)控房11.5 m處發(fā)現(xiàn)爆炸碎片，為蓄能器頂部連接體、鎖緊螺母(均無(wú)變形)、撕裂的膠囊等，稱重共3.1 kg；遠(yuǎn)控房為鋼結(jié)構(gòu)，除蓄能器上方天窗蓋板變形損壞外，外觀無(wú)異常發(fā)現(xiàn)。室內(nèi)未發(fā)現(xiàn)其它物體損壞；蓄能器目視無(wú)任何破裂、變形，無(wú)燃燒痕跡，瓶口光滑。瓶體周圍有變形的鐵質(zhì)壓環(huán)；蓄能器內(nèi)膠囊的殘?bào)w取出后經(jīng)檢查較完整，與爆炸碎片上的膠囊能拼接為一個(gè)完整的膠囊；未能找到支撐環(huán)的金屬部分或其碎片；回顧調(diào)查蓄能器內(nèi)的膠囊運(yùn)輸與儲(chǔ)存符合HG/T2331-1992規(guī)范[4]；充裝過程中使用的2瓶氮?dú)鉂舛确謩e為99.4%和99.6%，符合國(guó)家工業(yè)氮?dú)鉂舛葮?biāo)準(zhǔn)[5]；蓄能器按國(guó)家特種設(shè)備規(guī)范TSG21中要求定期檢測(cè)、維護(hù)[6]，所用計(jì)量器具均按要求進(jìn)行過標(biāo)定；機(jī)械師50歲，體健，從事本工作多年，曾進(jìn)行過類似維修，助手為當(dāng)?shù)貑T工，已經(jīng)在井隊(duì)工作數(shù)年；生產(chǎn)商和使用單位均無(wú)完整的更換蓄能器膠囊的標(biāo)準(zhǔn)操作程序；維修前開具了作業(yè)許可(Permit To Work,PTW)。

2 爆炸原因推斷與分析

蓄能器是液壓系統(tǒng)中的一種常用的能量?jī)?chǔ)蓄輔助裝置。它在適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)將系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)變?yōu)閴嚎s能或位能儲(chǔ)存起來(lái)。當(dāng)系統(tǒng)需要時(shí)，又將壓縮能或位能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤夯驓鈮旱饶芰慷尫懦鰜?lái)，重新補(bǔ)供給系統(tǒng)，以達(dá)到補(bǔ)充和穩(wěn)定液壓系統(tǒng)的流量和壓力的目的。囊式蓄能器是氣體蓄能器的一種，工作原理以波義耳(Boyle)定律為基礎(chǔ)，通過壓縮氣體完成能量轉(zhuǎn)化。因規(guī)格齊全，膠囊慣性小、反應(yīng)靈敏、油氣隔離等優(yōu)點(diǎn)，是目前使用最多的一種蓄能器[7]。鉆修井遠(yuǎn)控房就是使用了這種蓄能器作為應(yīng)急能量?jī)?chǔ)備。

蓄能器作為壓力容器的一種，因使用或維護(hù)不當(dāng)則有可能發(fā)生爆炸，根據(jù)其爆炸原因可分為化學(xué)爆炸和物理爆炸，其中多數(shù)為化學(xué)爆炸[8]。但本起爆炸根據(jù)調(diào)查認(rèn)為是物理爆炸，原因推斷如下。

2.1 爆炸原因推斷

a) 充裝前已經(jīng)驗(yàn)證過充裝的氣體是高純度的氮?dú)?，氮?dú)饣瘜W(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，在常規(guī)條件下不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不具備發(fā)生化學(xué)爆炸的基礎(chǔ)。

b) 蓄能器內(nèi)膠囊為橡膠制品，易燃燒，現(xiàn)場(chǎng)查看未發(fā)現(xiàn)燃燒的痕跡。

c) 所謂物理爆炸即物質(zhì)狀態(tài)參數(shù)迅速發(fā)生改變，在瞬間釋放大量的能量并對(duì)外做功的現(xiàn)象，相比較化學(xué)爆炸影響范圍較小。

2.2 爆炸釋放能量的計(jì)算

為了進(jìn)一步論證事故爆炸原因，并推斷釋放的能量，做以下推導(dǎo)計(jì)算。

壓縮氣體的爆炸力相當(dāng)于氣體絕熱膨脹時(shí)做功，可通過公式(1)計(jì)算[9]：

(1)

式中：Eg——?dú)怏w爆炸的能量，J；

p——?dú)怏w爆炸前的絕對(duì)壓力，MPa；

V——容器的容積，m3；

k——?dú)怏w的絕熱系數(shù)，氮?dú)鈑=1.4。

代入相關(guān)數(shù)據(jù)，其中，p=4.9+0.1(大氣壓)=5 MPa；V=80 L=0.08 m3。在此狀態(tài)下發(fā)生物理爆炸所釋放的能量為：Eg≈671×103J。

因本次爆炸點(diǎn)聚集在蓄能器的頂部，可視為點(diǎn)爆炸源，故使用TNT當(dāng)量模型計(jì)算[10]。此次爆炸的TNT當(dāng)量為：

(2)

爆炸能量在向外釋放時(shí)以沖擊波能量、碎片能量和容器殘余變形能量3種形式表現(xiàn)出來(lái)，而后2種能量只占總爆破能量的3%～15%[11]，則在本例中碎片能量和容器殘余變形能量區(qū)間范圍是：20.13×103～100.65×103J。

爆炸碎片的能量計(jì)算如下。爆炸碎片的飛行軌跡如圖1所示。

圖1 爆炸后頂部連接體的飛行軌跡示意

假設(shè)空氣阻力忽略不計(jì)，上飛的爆炸碎片在遠(yuǎn)控房天窗蓋板的作用下改變了運(yùn)動(dòng)方向，作勻變速曲線運(yùn)動(dòng)，它的運(yùn)動(dòng)軌跡則是拋物線。根據(jù)運(yùn)動(dòng)獨(dú)立性原理，可以把斜拋運(yùn)動(dòng)看成是作水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直上拋運(yùn)動(dòng)的合運(yùn)動(dòng)。設(shè)定爆炸碎片的初速度為V0；在與天窗蓋板碰撞后的速度為V1，物體的水平射程S為：

(3)

在落點(diǎn)低于拋點(diǎn)時(shí)，最佳初射角θ則為：

(4)

假設(shè)爆炸碎片以飛行最遠(yuǎn)的角度射出，通過以上公式可以計(jì)算出爆炸碎片的V1為：V1=9.176 m/s，此時(shí)的動(dòng)能E為：

(5)

爆炸碎片落地時(shí)飛行速度因勢(shì)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，速度已經(jīng)增至12.28 m/s，動(dòng)能為233.7 J。

可以得出：撕裂膠囊和變形的天窗蓋板消耗了20×103～100.52×103J的能量，通過以上計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)：蓄能器內(nèi)壓縮空氣的爆炸能量足以導(dǎo)致膠囊撕裂和爆炸碎片的飛行?，F(xiàn)場(chǎng)無(wú)其他設(shè)備在爆炸過程中損壞，故無(wú)直接證據(jù)證明爆炸過程中釋放的能量大于壓縮氣體儲(chǔ)存的能量。從而可以判斷此爆炸過程是一個(gè)物理爆炸過程。

2.3 爆炸危害的分析

壓力容器爆炸時(shí)，容器內(nèi)的高壓氣體迅速?zèng)_出，使周圍的空氣受到?jīng)_擊而發(fā)生擾動(dòng)，形成沖擊波?？諝鉀_擊波壓力的突躍變化形成沖擊波超壓，多數(shù)情況下沖擊波的傷害、破壞作用是由超壓引起的[12]。正常充氣作業(yè)時(shí)，機(jī)械師與其助手距離蓄能器爆炸點(diǎn)可能在0.5～1.5 m范圍內(nèi)工作，蓄能器能量的85%～97%產(chǎn)生沖擊波，計(jì)算與1 000 kg TNT模擬比α為：

(6)

故與1 000 kg TNT模擬比為0.050 16～0.052 42之間。與模擬實(shí)驗(yàn)中相當(dāng)距離R0為：

(7)

則相當(dāng)于在 9.54～29.90 m范圍內(nèi)活動(dòng)，根據(jù)已知藥量的實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的超壓值來(lái)估算相應(yīng)距離下爆炸時(shí)的超壓值 (△pa)見表1。機(jī)械師與其助手活動(dòng)范圍內(nèi)的超壓范圍為0.061～0.85 MPa，而當(dāng)超壓大于0.10 MPa時(shí)，大部分在場(chǎng)人員會(huì)死亡，沖擊波對(duì)人體的影響見表2[13]。

表1 1 000 kg TNT炸藥在空氣中爆炸時(shí)所產(chǎn)生的沖擊波超壓

表2 沖擊波超壓(△pa)對(duì)人體的傷害作用

爆炸過程中產(chǎn)生的爆炸碎片是另一種危害因素。有研究資料表明爆炸碎片能量大于60 J時(shí)，可致人員輕度骨折；能量大于200 J時(shí)可致重度骨折，能量大于400 J時(shí)可致人員死亡[1]。在本次爆炸過程中，爆炸碎片的最終動(dòng)能為233.7 J，若無(wú)天窗蓋板消耗一定的爆炸碎片能量，則爆炸碎片會(huì)具有更高的動(dòng)能，足以致人死亡。

2.4 事故原因分析

蓄能器頂部結(jié)構(gòu)如圖2所示，安裝完成后如圖3所示。

圖2 蓄能器頂部結(jié)構(gòu)示意

圖3 蓄能器組裝完成后示意

經(jīng)拆檢同批次的蓄能器證實(shí)其支承環(huán)為一體式支承環(huán)，從圖2、圖3可以看出，只要支承環(huán)安裝到位，未完全碎裂，頂部連接體是不能脫出的。

事后曾重復(fù)了組裝過程，證實(shí)只有在支承環(huán)位置安裝錯(cuò)誤時(shí)(即把支承環(huán)安裝在頂部連接體的下方)或未安裝支承環(huán)情況下，爆炸事故才有可能發(fā)生。孫雷[14]研究認(rèn)為由于蓄能器支承環(huán)常會(huì)發(fā)生疲勞破壞，但即使出現(xiàn)了長(zhǎng)的裂紋，它仍然能起支承作用，不易直接導(dǎo)致囊式蓄能器的破壞。調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，雖然機(jī)械師有過更換蓄能器膠囊的經(jīng)驗(yàn)，但并未接受過專門培訓(xùn)。國(guó)內(nèi)生產(chǎn)商和使用單位均無(wú)完整的更換蓄能器膠囊的標(biāo)準(zhǔn)操作程序。機(jī)械師維護(hù)蓄能器時(shí)采取的風(fēng)險(xiǎn)控制措施僅僅是把此蓄能器鋼瓶從系統(tǒng)中隔離出來(lái)。

經(jīng)上述推論并多次與蓄能器生產(chǎn)商相關(guān)部門討論，確定此次爆炸事故是由于機(jī)械師在更換膠囊過程中，支承環(huán)位置安裝錯(cuò)誤或未安裝支承環(huán)所致。本次事故的直接原因是：機(jī)械師在更換膠囊過程中，支承環(huán)位置安裝錯(cuò)誤或未安裝支承環(huán)，所以會(huì)感覺鎖緊螺母一直上不緊。但機(jī)械師并未停止操作，而是在未明確原因的情況下錯(cuò)誤地直接進(jìn)行下一步的充氣過程，從而導(dǎo)致事故的發(fā)生。

3 防控措施及建議

a) 加強(qiáng)培訓(xùn)和重視開展標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)是有效防止和克服習(xí)慣性違章的切實(shí)有效途徑，是提高工作質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量的保證。本次事故與員工未接受過相關(guān)培訓(xùn)直接相關(guān)。

b) 蓄能器生產(chǎn)商并沒有給出一個(gè)詳細(xì)的更換膠囊的標(biāo)準(zhǔn)操作程序，使用單位也沒有類似程序。管理的基本要求就是嚴(yán)格按規(guī)定操作，按程序操作。沒有相應(yīng)的規(guī)定，沒有相應(yīng)的程序，說(shuō)明組織的管理體系存在缺陷[15]。

c) 不同的蓄能器鎖緊螺母扭矩不相同。賀德克(HYDAC)公司的蓄能器維護(hù)保養(yǎng)手冊(cè)給出了具體數(shù)值[16]，并提供了一個(gè)組裝蓄能器的視頻[17]供用戶參考。建議生產(chǎn)商和使用單位可以借鑒其他(賀德克等)公司的做法，制定一個(gè)較為詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)操作程序。

d) 設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用及維修保養(yǎng)過程中每一個(gè)環(huán)節(jié)都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，而這些要求往往被某些人認(rèn)為是繁文縟節(jié)，甚至是浪費(fèi)時(shí)間，不利于提高生產(chǎn)效率。事實(shí)上這恰恰是員工安全保障的屏障。一旦這個(gè)屏障被打破，就可能導(dǎo)致悲劇的發(fā)生[18,19]。使用單位應(yīng)制定科學(xué)的、可行的標(biāo)準(zhǔn)操作程序，并要求每個(gè)工人在實(shí)際操做中要嚴(yán)格執(zhí)行。