焊接絕熱鋼瓶爆炸原因分析

黎 華（廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院 廣州 510677）

焊接絕熱鋼瓶爆炸原因分析

黎 華
（廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院 廣州 510677）

針對某氣瓶充裝站內(nèi)發(fā)生的焊接絕熱鋼瓶爆炸事故，從宏觀分析、微觀斷口形貌、化學(xué)成分、金相等方面進行系統(tǒng)的原因分析。結(jié)果表明：鋼瓶結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致內(nèi)筒與頸管連接角焊縫疲勞開裂，導(dǎo)致純氧不斷泄漏到真空夾層，夾層中易燃的絕熱材料在泄漏產(chǎn)生的摩擦熱或靜電的激發(fā)作用下燃燒并引發(fā)劇烈爆炸。

焊接絕熱鋼瓶 氣瓶爆炸 原因分析

2015年5月20日，某充裝站內(nèi)危險化學(xué)品運輸車上一個充滿液氧的焊接絕熱鋼瓶經(jīng)搬運后發(fā)生爆炸，爆炸發(fā)生在危化品運輸車的車廂內(nèi)部，爆炸時伴隨明顯的紅色火光。該鋼瓶允許充裝介質(zhì)為LN2（LO2，LAr），制造日期2008年9月，公稱工作壓力1.37MPa，內(nèi)筒氣壓試驗壓力2.44MPa，公稱容積175L，內(nèi)筒直徑450mm，內(nèi)筒名義厚度2.50mm，內(nèi)筒設(shè)計壁厚2.40mm，瓶體材料為：筒體0Cr18Ni9，上下封頭SUS304。為了查明鋼瓶爆炸的原因，筆者對鋼瓶進行了下列一系列的試驗與分析。

1　宏觀分析

1.1事故后鋼瓶形貌

通過對爆炸現(xiàn)場的鋼瓶進行全面宏觀檢查發(fā)現(xiàn)：

鋼瓶外筒嚴重破裂變形，下封頭中心部位有圓形外凸變形，內(nèi)壁有明顯的深色燃燒產(chǎn)物，局部黏附有灰白色的粒狀物質(zhì)。鋼瓶內(nèi)筒破壞程度相對較輕，兩端封頭均有局部撞擊內(nèi)凹現(xiàn)象，內(nèi)筒外壁有明顯的深色燃燒產(chǎn)物。鋼瓶頸管與內(nèi)筒及外筒的角焊縫均整圈斷裂，且內(nèi)筒上封頭與頸管連接角焊縫沿焊趾整圈斷裂分離。焊接在外筒下封頭內(nèi)表面上的內(nèi)筒限位支撐板彎曲變形并脫落分離。鋼瓶真空夾層內(nèi)未發(fā)現(xiàn)絕熱材料殘留。

根據(jù)上述情況判斷鋼瓶外筒的破裂是由真空夾層化學(xué)爆炸引起，而內(nèi)筒結(jié)構(gòu)完好。初步判斷氧氣從內(nèi)筒上封頭與加強環(huán)連接的角焊縫斷口泄漏至夾層。

1.2鋼瓶結(jié)構(gòu)

焊接絕熱鋼瓶的內(nèi)外筒體通過頸管焊接連接，內(nèi)筒采用頸管懸掛方式獲得單端支撐。在移動和運輸過程中，內(nèi)筒會發(fā)生上下晃動；充裝液氧時的沖擊力，也會引起內(nèi)筒上下晃動。因此頸管要承受由內(nèi)筒晃動引起的慣性動載荷，導(dǎo)致頸管與內(nèi)外筒體連接的角焊縫是鋼瓶結(jié)構(gòu)中最薄弱的部位［1，2］。

通常，焊接絕熱鋼瓶的內(nèi)筒底部設(shè)計有限位支撐結(jié)構(gòu)，主要是通過限位結(jié)構(gòu)防止內(nèi)筒在使用過程中出現(xiàn)橫向晃動，其次是通過支撐結(jié)構(gòu)限制內(nèi)筒下沉的幅度，從而緩解頸管與內(nèi)外筒體連接角焊縫的應(yīng)力集中程度。

通過解剖比對鋼瓶及查閱制造廠提供的鋼瓶設(shè)計圖紙，發(fā)現(xiàn)事故鋼瓶的限位支撐結(jié)構(gòu)、外筒上封頭加強筋的實際結(jié)構(gòu)與設(shè)計圖紙不完全相符，存在以下問題：

1）事故鋼瓶的外下封頭中心部位外凸并可見明顯圓形物撞擊損傷痕跡、限位支撐鋼板彎曲變形。事故現(xiàn)場取回的比對鋼瓶也存在同類狀況。表明鋼瓶的限位支撐結(jié)構(gòu)剛度不足，不能有效限制內(nèi)筒晃動，造成外筒上封頭塌陷，在頸管與內(nèi)外筒連接的角焊縫處存在嚴重的應(yīng)力集中。

2）內(nèi)筒上封頭開孔部位有一個加強環(huán)進行補強，與內(nèi)筒上封頭和頸管分別通過兩個角焊縫連接，加強環(huán)的厚度及直徑均較小，導(dǎo)致兩個角焊縫距離較近，造成焊接時重復(fù)受熱，對材料和結(jié)構(gòu)性能造成不利影響。

圖1　鋼瓶的實際結(jié)構(gòu)與設(shè)計結(jié)構(gòu)對比示意圖

2　壁厚測定

對事故后鋼瓶內(nèi)筒的封頭和筒體進行壁厚測定，并與設(shè)計壁厚對比，見表1，由對比結(jié)果可知，內(nèi)筒封頭及筒體的最小實測壁厚略低于設(shè)計厚度，在鋼板負偏差范圍內(nèi)。

表1　事故鋼瓶壁厚與設(shè)計壁厚對比表mm

3　化學(xué)成分分析

對鋼瓶的內(nèi)筒上封頭母材取樣進行光譜分析，實驗數(shù)據(jù)見表2，由結(jié)果可知，材料化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求［3］。

表2　內(nèi)筒上封頭化學(xué)成分光譜分析結(jié)果Wt%

序號　C　Si Mn　P　S　Cr　Ni 2　0.04　0.37　1.11　0.032　0.0068　18.50　8.02 3　0.04　0.38　1.12　0.031　0.0063　18.43　7.98 SUS304/JIS G3459　≤0.08 ≤1.00 ≤2.00 ≤0.040 ≤0.030 18.00～20.00 8.00～11.00

4　斷口分析

4.1宏觀形貌觀察

內(nèi)筒上封頭與加強環(huán)角焊縫沿焊趾整圈斷裂，見圖2，斷口齊平，封頭側(cè)有兩處明顯撕裂口，見圖3，屬焊縫最終斷裂區(qū)。

圖2　整圈斷裂后的內(nèi)筒上封頭與加強環(huán)角焊縫（斷口匹配在一起）

圖3　內(nèi)筒上封頭與加強環(huán)角焊縫斷口（封頭側(cè)）（1，2均為撕裂口）

4.2微觀形貌分析

按圖4所示，對內(nèi)筒上封頭與加強環(huán)角焊縫的斷口進行微觀形貌分析。經(jīng)對斷口形貌觀測，發(fā)現(xiàn)斷口整圈均有明顯的疲勞輝紋，局部可見疲勞臺階，呈多源疲勞斷裂特征，見圖5。圖4的“5”、“6”位置之間斷口的疲勞輝紋幾乎覆蓋整個橫截面，表明此段區(qū)域為起始開裂泄漏口［4］。

圖4　斷口形貌觀察位置示意圖

圖5　斷口形貌（加強環(huán)側(cè)，為圖4中“6”位置）

5　金相檢驗

對內(nèi)筒上封頭與頸管角焊縫及毗鄰區(qū)域進行金相檢驗［5］，取樣位置見圖6，結(jié)果表明：

圖6　金相分析取樣位置示意圖

1）內(nèi)筒上封頭、加強環(huán)、頸管母材金相組織為孿晶奧氏體（見圖7～圖9），未見異常。焊縫組織為柱狀晶奧氏體，熱影響區(qū)母材存在明顯的碳化物析出（見圖10～圖11）。

2）斷口位于內(nèi)筒上封頭與加強環(huán)角焊縫的封頭側(cè)熱影響區(qū)（見圖10～圖12），上封頭與加強環(huán)連接角焊縫存在未熔合現(xiàn)象（見圖13）。

圖7　內(nèi)筒上封頭母材（100×，為圖6中位置B）

圖8　加強環(huán)母材（100×，為圖6中位置A）

圖9　頸管母材（100×，為圖6中位置A）

圖10　內(nèi)筒上封頭側(cè)斷口處（100×，為圖6中位置B）

圖11　加強環(huán)側(cè)斷口處（50×，為圖6中位置A）

圖12　加強環(huán)側(cè)斷口處（50×，為圖6中位置A）

圖13　內(nèi)筒上封頭與加強環(huán)角焊縫（100×，為圖6中位置A）

6　絕熱材料燃燒性能分析

從對比鋼瓶中取樣，對鋼瓶夾層中的四種絕熱材料進行燃燒性能測試，絕熱材料纏繞于內(nèi)筒外壁上，由內(nèi)向外間隔布置淡黃色纖維狀絕熱材料（1#）、鋁箔（3#）、白色纖維狀絕熱材料（4#）、白色紙狀絕熱材料（2#），最外層由鋁箔纏繞包裹。其氧指數(shù)和燃點指標(biāo)見表3，結(jié)果表明除2#樣品為難燃材料外，其他樣品均屬于易燃材料，四種絕熱材料的燃點均高于500℃。

表3　絕熱材料燃燒性能測試結(jié)果

圖14　附著物X射線衍射化學(xué)成分分析圖譜

對鋼瓶外筒內(nèi)壁附著的深色附著物取樣進行X射線衍射化學(xué)成分分析，結(jié)果表明附著物主要成分為Al、CaO、SiO2（見圖14），應(yīng)為夾層中絕熱材料（鋁箔、礦物纖維等）的燃燒產(chǎn)物。

7　分析討論

1）事故鋼瓶的結(jié)構(gòu)不合理造成角焊縫過早發(fā)生疲勞開裂。

經(jīng)查閱及分析制造廠提供的設(shè)計圖紙，發(fā)現(xiàn)事故鋼瓶的限位緩沖結(jié)構(gòu)與設(shè)計圖紙不完全相符，不能有效限制內(nèi)筒因搬運、充裝過程造成的晃動、振動，在內(nèi)筒與頸管加強環(huán)連接的角焊縫處造成應(yīng)力集中，過早出現(xiàn)疲勞開裂。斷口分析結(jié)果表明，裂紋起源于內(nèi)筒上封頭與加強環(huán)連接的角焊縫外壁焊趾處，斷口具有明顯的疲勞擴展特征。

2）事故鋼瓶爆炸前真空夾層內(nèi)經(jīng)歷過燃燒過程。

經(jīng)分析，比對鋼瓶夾層中的大部分絕熱材料屬于易燃材料，為燃燒提供了可燃物條件；內(nèi)筒角焊縫破裂后介質(zhì)泄漏易產(chǎn)生摩擦熱或靜電，為燃燒提供了點火能量；最終在純氧泄露的環(huán)境下，夾層中的絕熱材料被點燃并劇烈燃燒，最終引發(fā)爆炸。另外，鋼瓶爆炸瞬間伴隨明顯的紅色火光，鋼瓶外筒內(nèi)壁上附著的深色燃燒產(chǎn)物，均表明爆炸前鋼瓶夾層發(fā)生過燃燒。

8　結(jié)論與建議

鋼瓶結(jié)構(gòu)不合理導(dǎo)致內(nèi)筒與頸管加強環(huán)連接角焊縫疲勞開裂，導(dǎo)致純氧不斷泄漏到真空夾層，夾層中易燃的絕熱材料在泄漏產(chǎn)生的摩擦熱或靜電的激發(fā)作用下燃燒并引發(fā)劇烈爆炸。

建議氣瓶監(jiān)管部門進一步擴大抽查同一廠家生產(chǎn)的同型號同批次的焊接絕熱鋼瓶，經(jīng)破壞性檢驗確定是否存在類似的問題；并約請制造廠確認事故鋼瓶的結(jié)構(gòu)，如屬設(shè)計問題應(yīng)改進氣瓶底部支撐結(jié)構(gòu)，防止同類事故再次發(fā)生。

其次，焊接絕熱鋼瓶制造企業(yè)應(yīng)嚴格按照GB 24159—2009《焊接絕熱鋼瓶》5.1.7條款要求，鋼瓶中的絕熱材料及吸附材料應(yīng)選用阻燃材料。此外，鋼瓶型式試驗及制造監(jiān)督檢驗時檢驗機構(gòu)應(yīng)重點核實絕熱材料是否具有阻燃特性，防止不合格的鋼瓶流入市場，發(fā)生同類事故。

［1］ 李陽，王彩莉，汪榮順.低溫絕熱氣瓶的有限元分析與試驗研究［J］.低溫工程，2008，161（1）：41-44.

［2］ 張永鴻，曹平波.低溫絕熱氣瓶定期檢驗探討［J］.中國化工裝備，2011，13（04）：28-31+12.

［3］ 高宗仁.世界不銹鋼耐熱鋼牌號手冊［M］.太原：山西科學(xué)技術(shù)出版社， 2006：14-19.

［4］ 劉正義，吳連生.機械裝備失效分析圖譜［M］.廣州：廣東科技出版社，1990：272-273.

［5］ 任頌贊，張靜江，陳質(zhì)如，等.鋼鐵金相圖譜［M］.上海：上海科技文獻出版社，2003.

Cause Analysis of the Welding Insulation Cyliender Explosion

Li Hua
(Guangzhou Special Pressure Equipment Inspection and Research Institute Guangzhou 510677)

In order to analyze the cause of welding insulation cylinder explosion which had happened in a filling station， a series of experiments and analysis were taken， including macroscopic analysis， chemical composition analysis, fracture analysis, metallographic examination and so on. The results showed that irrational structure led to fatigue cracking of fillet weld， connecting the inner-shell and neck pipe， and then pure oxygen continuously leaked into the vacuum interlayer. Friction heat or static electricity generating with the leaking finally caused combustion and explosion of flammable insulation materials in the interlayer.

Welding insulation cylinder Gas cylinder explosion Cause analysis

X933.4

B

1673-257X（2016）07-0057-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.07.015

黎華（1964～），男，碩士，副院長，高級工程師，從事承壓類特種設(shè)備檢驗檢測、特種設(shè)備事故鑒定等工作。
（

2016-05-31）