氣瓶爆炸原因分析

李 昱*

（上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院）

0 引言

某操作工在進行空調(diào)管路焊接作業(yè)時，一只氣瓶發(fā)生爆炸，在現(xiàn)場找到該氣瓶殘片共11塊，事故造成該名操作工死亡，建筑物內(nèi)墻部分開裂。

該氣瓶是鋼質(zhì)無縫氣瓶，公稱工作壓力為15 MPa，公稱容積為2 L，設(shè)計壁厚為4 mm，質(zhì)量為3.7 kg，介質(zhì)為氧氣。上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院受委托對該已經(jīng)發(fā)生爆炸解體的氣瓶進行技術(shù)鑒定。

1 宏觀檢測及瓶體材料化學成分分析

通過對爆炸后的11塊殘片樣品的形態(tài)進行分析后可知，其卷曲方向為由內(nèi)向外翻卷，初步判斷為爆炸時瓶內(nèi)氣體的沖擊力所致，可見圖1。同時在瓶體上未發(fā)現(xiàn)檢驗標記，也未發(fā)現(xiàn)充裝產(chǎn)權(quán)單位鋼印，由此可以判斷，該氣瓶沒有辦理過使用登記，也從未進行過3年1次的定期檢驗。

圖1 拼合氧氣瓶殘片

通過辨識事故瓶的鋼印號（可見圖2），初步可以判定該殘片為鋼質(zhì)無縫氣瓶，對于該類產(chǎn)品，我國目前執(zhí)行的標準是GB/T 5099—2017《鋼質(zhì)無縫氣瓶》。但鋼印上的制造日期為2011年1月，可以推算當時的制造標準為GB/T 5099—1994《鋼質(zhì)無縫氣瓶》。因此，該氧氣瓶殘片試樣及其附件材料、性能應(yīng)以GB/T 5099—1994標準作為判定依據(jù)。

圖2 氧氣瓶殘片上鋼印

根據(jù)GB/T 5099—1994標準中5.1.3規(guī)定，鋼瓶瓶體材料的化學成可分見表1。

表1 GB/T 5099—1994規(guī)定鋼瓶瓶體材料化學成分（質(zhì)量分數(shù)）

對事故瓶進行化學成分分析，結(jié)果可見表2。

表2 事故氧氣瓶化學成分分析及相關(guān)材料比對（質(zhì)量分數(shù)） %

從上述化學成分分析可以看出，爆炸氣瓶的瓶體材料不符合GB/T 5099—1994標準對瓶體材料的要求，事故瓶選材接近于GB 669—1999標準中所列的普通碳素鋼20#。

2 瓶體材料金相分析

根據(jù)GB/T 5099—1994標準中5.3.7.7條規(guī)定：對正火或正火后回火處理的瓶體，晶粒度應(yīng)不小于6級（100倍），帶狀組織不大于3級，魏氏組織不大于2級； 對淬火后回火處理的瓶體，其組織體應(yīng)呈回火索氏體； 瓶體的脫碳層深度，外壁不得超過3 mm，內(nèi)壁不得超過0.25 mm。”

在對事故瓶殘片進行金相分析后發(fā)現(xiàn)，金相樣品內(nèi)外表面未觀察到脫碳現(xiàn)象。樣品金相顯微組織為鐵素體結(jié)合珠光體，如圖3所示，組織內(nèi)有混晶，晶粒度評級為5級。由此可以判斷該氧氣瓶未經(jīng)熱處理或熱處理工藝不合理，未達到制造要求。

圖3 瓶體顯微組織照片

3 事故原因分析

本次事故中的爆炸氣瓶雖然有特種設(shè)備鋼印標記，但實際上瓶體材質(zhì)與制造標準不符，并未經(jīng)過熱處理或熱處理工藝不合理，選用的配套氣瓶閥門并非由具備特種設(shè)備制造資質(zhì)的單位生產(chǎn)，且未經(jīng)特種設(shè)備型式試驗認證，缺少氧氣瓶閥的基本功能。事故瓶由操作工自行充裝，事故瓶未經(jīng)檢驗，事故瓶的設(shè)計使用壓力為15 MPa，安裝的配套瓶閥壓力表雖已遺落，但根據(jù)同類產(chǎn)品可以判斷，該瓶閥的壓力表指示值為25 MPa，事故發(fā)生時是否存在氣瓶超壓力充裝問題仍存疑。

根據(jù)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的一只標記為“高純丁烷氣體”的空罐可以推斷，丁烷是常見的可燃性氣體，在一定的濃度范圍內(nèi)會與空氣(或氧氣)形成混合氣，遇到火源會發(fā)生爆炸，燃燒過程中釋放出大量高能量氣體。氧氣（O2）與丁烷（C4H10）的燃燒反應(yīng)式如下：

13O2+ 2C4H10→8CO2+10H2O+大量熱量

張淑娟等人研究表明，在常溫，0.1 MPa條件下，給予3～5 J的點火能量，丁烷在混合氣體中的體積分數(shù)為3%時，爆炸壓力可達到1.3 MPa，如圖4所示。最大爆炸壓力上升速率為18.20 MPa·m·s-1。現(xiàn)場丁烷空罐容量為280 mL，氧氣瓶容量為2 L，具備達到混合氣體中的體積分數(shù)≥3%的可能性。

圖4 四種烷烴含量與相應(yīng)最大爆炸壓力關(guān)系曲線

事故瓶鋼印上標注的設(shè)計壁厚為4 mm，根據(jù)經(jīng)驗，2 L以下的鋼質(zhì)無縫氣瓶一般采用錳鋼正火的方式制造，屈服強度一般不低于510 MPa,外徑一般選擇108 mm，根據(jù)GB/T 5099—1994標準中的爆破壓力計算公式要求，事故瓶的理論設(shè)計爆破壓力≥39.23 MPa。

但是，由于事故瓶瓶體材料并未選用錳鋼，也并未采用熱處理或合理的熱處理方式，參照GB 699—1999標準，20#鋼的屈服強度僅為≥245 MPa，雖因缺少相應(yīng)熱處理參數(shù)無法精確計算，但經(jīng)估算可知該事故瓶最高設(shè)計爆破壓力低于18 MPa，這說明事故瓶的強度低于在混合氣體當量比濃度3%時丁烷最大爆炸壓力的上升速率，這為事故瓶爆炸時發(fā)生解體情況提供了佐證。

爆炸氧氣瓶配套瓶閥已發(fā)生解體損壞，經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該類瓶閥一般配有壓力表，但事故氧氣瓶的配套瓶閥壓力表部分已遺落。該瓶閥閥體部分無任何標記，對殘余閥體進行拆卸分析后，發(fā)現(xiàn)該瓶閥結(jié)構(gòu)不是常規(guī)的氧氣瓶閥構(gòu)造，經(jīng)查驗國家氣瓶閥門質(zhì)檢中心檢驗報告，該結(jié)構(gòu)瓶閥未取得《特種設(shè)備制造許可證》，未申請過特種設(shè)備型式試驗，不符合TSG RF001—2009《氣瓶附件安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》要求。

以上證據(jù)表明，該事故瓶的使用完全處于失控狀態(tài)，即氣瓶來源不明，充裝壓力不明，接觸氣瓶人員不明，操作氣瓶人員不明，氣瓶出廠至今從未經(jīng)過檢驗，是否符合安全要求不明，使用配套瓶閥未經(jīng)國家授權(quán)的質(zhì)量監(jiān)督部門認證，安全性能不明。從事故瓶爆炸形貌現(xiàn)場事故人員傷亡情況和建筑物損傷程度來判斷，現(xiàn)場發(fā)生了化學爆炸。事發(fā)時，該環(huán)境中有可燃物（丁烷），氧化物（氧氣），且焊接時有明火，滿足爆炸三要素的條件，具有可燃氣體混合爆炸的可能性。

4 總結(jié)

本次事故存在許多值得注意的地方，該類氣瓶在制造、購買、充裝、使用環(huán)節(jié)都存在一定風險。應(yīng)特別關(guān)注以下幾點：

（1）根據(jù)TSG R0006-2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中4.11條規(guī)定，氣瓶首先在制造環(huán)節(jié)就需要進行安全性能監(jiān)督檢驗，選材和熱處理工藝都應(yīng)嚴格進行質(zhì)量把控。

（2）任何規(guī)格型號的氣瓶在批量生產(chǎn)前都需要進行氣瓶設(shè)計文件鑒定及型式試驗，其材料選擇和熱處理方式都有明確的規(guī)定，應(yīng)嚴格按照規(guī)定執(zhí)行。

（3）引發(fā)此次事故的化學爆炸很可能是由于丁烷與氧氣混合所致，因此建議在氧氣瓶閥的出氣口結(jié)構(gòu)上設(shè)置止回功能，防止混入其他氣體引起爆炸。使用氧氣時,不得將瓶內(nèi)氧氣全部用完,應(yīng)留有余壓，以便再次充裝氧氣時吹除灰塵和避免混進其他氣體。

（4）TSG R0006—2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中6.1條規(guī)定，充裝應(yīng)是單位行為，且需要取得充裝許可；充裝人員需取得具有充裝作業(yè)項目的《特種設(shè)備作業(yè)人員證》。空調(diào)安裝、維修行業(yè)氧氣瓶充裝過程較為混亂，充裝人員往往為未受過任何充裝操作培訓的人員，風險系數(shù)極高。

（5）TSG R0006—2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中7.4條規(guī)定，氧氣瓶每3年應(yīng)檢驗1次，目前氣瓶已經(jīng)有一套比較完整的可追溯系統(tǒng)，如氣瓶上的二維碼或孔陣碼等，目的就是對氣瓶進行全生命周期的監(jiān)管。沒有身份標識的氣瓶應(yīng)直接判廢。

（6）空調(diào)安裝、維修從業(yè)人員缺少氣瓶固定充裝管理、定期檢驗意識，缺少氧氣瓶使用的基本常識，使用時缺乏安全防范意識，導致事故瓶的使用完全處于失控狀態(tài)，無法判斷其使用過程中是否曾存在接觸可燃性物質(zhì)、是否存在倒灌、混充、超充等問題。因此對于作業(yè)人員要加強安全宣貫力度，不得無證操作特種設(shè)備。