液化石油氣鋼瓶非典型破口原因簡析

文/袁奕雯 馬宏波 羅曉明 徐維普

【特種設(shè)備安全知識講座 第14期】

液化石油氣鋼瓶非典型破口原因簡析

文/袁奕雯 馬宏波 羅曉明 徐維普

本期話題：

液化石油氣鋼瓶是具有一定危險性的特種設(shè)備，在所有氣瓶事故之中，尤以液化石油氣鋼瓶的爆炸事故最為常見。本文采用水壓爆破的方式，模擬鋼瓶爆炸，通過介紹幾種非典型爆破口，分析其產(chǎn)生原因，以供液化石油氣鋼瓶事故分析參考，為液化石油氣鋼瓶制造企業(yè)提供工藝改進思路。

一、液化石油氣鋼瓶水壓爆破試驗

立式單環(huán)焊縫液化石油氣鋼瓶一般以HP 295板材為主體材料，采用沖壓拉伸后成上下橢圓形封頭，上下封頭對接焊后，進行消除應(yīng)力熱處理，制造成形。本文中鋼瓶名義厚度為3.0 mm，設(shè)計厚度2.5 mm，抗拉強度（Rm）為440 MPa，瓶體外徑320 mm，按照GB 5842－2006《液化石油氣鋼瓶》的合格判定要求：爆破壓力不小于6.94 MPa，爆破前變形應(yīng)均勻，當鋼瓶上下封頭總高與瓶體外徑比大于1，且Rm大于360 MPa小于等于490 MPa時，鋼瓶爆破時容積變形率不小于15%；鋼瓶爆破時不應(yīng)形成碎片，爆破口不應(yīng)發(fā)生在閥座角焊縫上、封頭曲面部位和環(huán)焊縫上（垂直于環(huán)焊縫者除外）。

本試驗選用氣瓶專用水壓爆破試驗機，壓力表精度等級1.6級、量程0～30 MPa；壓力傳感器精度0.5級。二者均在計量有效期內(nèi)，最終讀數(shù)采集自壓力傳感器。試驗時環(huán)境溫度為（28±1）℃，水溫為（26±1）℃。6只液化石油氣鋼瓶爆破試驗照片見圖1，試驗結(jié)果及判定見表1。

圖1 爆破試驗組圖

表1 試驗結(jié)果及判定結(jié)果表 MPa

二、液化石油氣鋼瓶破口原因簡析

1#鋼瓶破口為垂直于環(huán)焊縫的細縫型破口，該類破口在試驗中極其常見。經(jīng)射線檢查，1#鋼瓶環(huán)焊縫中存在圓形缺陷，定為Ⅲ級。GB 5842－2006中9.1規(guī)定，對于“只有環(huán)焊縫的鋼瓶，應(yīng)按生產(chǎn)順序每250只隨機抽取1只，對環(huán)焊縫進行100%射線透照檢驗”，且“焊縫缺陷等級Ⅲ級為合格”。此規(guī)定較JB 4730－2005《承壓設(shè)備無損檢測》規(guī)定的Ⅱ級合格的要求更為寬松，且僅抽檢。此外，部分企業(yè)盲從于自動焊工藝，從不對焊機和焊接工藝進行調(diào)校，焊接前焊條不烘干，酸堿焊條混用等情況時有發(fā)生。主觀不重視，管理不到位，這些原因最終導(dǎo)致液化石油氣鋼瓶的焊接質(zhì)量普遍不高。

2#鋼瓶漏點位于上封頭直邊段母材部分，垂直于環(huán)焊縫，距環(huán)焊縫約5 mm，這種破口較為少見。除板材本身自帶的缺陷外，液化石油氣鋼瓶制造時需經(jīng)拉伸、沖壓，可能產(chǎn)生不為肉眼辨識的制造缺陷，在水壓爆破試驗壓力下，形成薄弱環(huán)節(jié)，最終泄漏。

綜合1#和2#鋼瓶未爆先漏的情況，就目前標準而言，可以判為合格。在實際使用過程中，雖然其泄漏前發(fā)生了較大變形，對使用者可以起到一定的警示作用，但當液化石油氣在10 MPa壓力下泄漏，會形成較大范圍的液化石油氣體，如遇明火，仍存在燃爆隱患。建議在標準修訂階段對其進行進一步的研究和分析，不宜籠統(tǒng)地以爆破壓力、容積變形率、破口形貌作為其合格與否的標志，應(yīng)進一步規(guī)范液化石油氣鋼瓶設(shè)計應(yīng)采用的安全系數(shù)。

3#、4#、5#和6#鋼瓶從爆破壓力上看，爆破壓力均遠高于設(shè)計爆破壓力，接近甚至超過了設(shè)計爆破壓力的2.8倍；從容積變形率上看，容積變形率均未達到15%；從爆破位置上看，也都不符合要求，均判為不合格。

首先，爆破壓力較大并不代表安全系數(shù)高，爆破壓力過高，往往導(dǎo)致爆破時產(chǎn)生的沖擊波更大，往往會造成更大的損傷，受試鋼瓶爆破壓力特別高，證明其瓶體材料強度較高，而同時，受試鋼瓶變形率都較低，說明塑性較差。結(jié)合立式單環(huán)焊縫液化石油氣鋼瓶的制造工藝可知，該類鋼瓶制造中，雖然平板拉伸成封頭這道工序存在冷作硬化的可能性，但可以通過去應(yīng)力熱處理進行調(diào)整。本案中鋼瓶未經(jīng)充分變形就發(fā)生爆破，證明制造過程中去應(yīng)力熱處理工藝存在較大缺陷。其次，上述4只鋼瓶非典型爆破口的產(chǎn)生均與焊接工藝和熱處理工藝有關(guān)，3#和5#鋼瓶破口不良的主因是熱處理工藝，而4#和6#鋼瓶破口不良的主因是焊接工藝。

3#鋼瓶破口貫穿瓶嘴角焊縫，疑為鋼瓶焊接瓶嘴后未進行整體熱處理，導(dǎo)致封頭與瓶嘴連接處加工殘余應(yīng)力較大，最終形成破口。5#鋼瓶的T字縫破口形貌常現(xiàn)于非重復(fù)充裝鋼瓶中（俗稱一次性鋼瓶），此類鋼瓶焊接后無需熱處理，故該鋼瓶破口原因主要源自熱處理溫度或時間未達到實際要求，甚至可能根本未經(jīng)熱處理；此外，瓶體下封頭所采用的束口工藝，偶爾會在瓶體加工處留有加工痕跡，而此處痕跡過深，也會導(dǎo)致環(huán)焊縫區(qū)域應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致開裂。

4#雖與3#破口形貌上相似，但4#鋼瓶的瓶嘴整體外翻，破口集中在瓶嘴部位，并未向兩端延伸。經(jīng)了解，這是因為制造廠家在焊接瓶嘴時采用了手工焊工藝，計件制焊工為了縮短工作時間，擅自提高電流，造成焊接缺陷，最終導(dǎo)致瓶嘴焊縫處易被破壞。6#鋼瓶選用的焊接方式導(dǎo)致焊縫及其熱影響區(qū)的強度遠高于母材的強度，才導(dǎo)致上下封頭變形期間，焊縫及其熱影響區(qū)部位并不產(chǎn)生變形。

在實際使用中，上述四類鋼瓶由于爆破前未能充分變形，不能起到對使用者的警示作用，且爆破壓力較高，在使用中一旦發(fā)生超壓爆破，會造成強烈的沖擊波，給人民生命和財產(chǎn)安全帶來嚴重后果，存在重大安全隱患。

三、結(jié)論

立式單環(huán)焊縫液化石油氣鋼瓶是人們?nèi)粘Ｉ钪凶钊菀捉佑|到的一種壓力容器，其產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系著千家萬戶。本期中的幾種非典型破口，與制造工藝控制均有直接關(guān)系，希望能引起業(yè)內(nèi)重視。

（作者單位：上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院）