液化水氣鋼瓶爆炸原因分析

液化石油氣是原油通過添加原油或其他加工過程中獲得的各種烴類化合物，包括丙烯、丙烯、烷、丁二烯和異丁烯。通過加熱和冷卻后添加一定數量的有機物，它將變成一個有明顯氣味的無色透明液體。其閃點低，引燃能力小，爆炸下限低，具有燃燒速度快，火焰溫度高、易發生爆炸、復爆危險性大等特點1鋼瓶主體材料情況2018年12月，某餐館一液化石油氣鋼瓶在使用過程中發生爆炸起火，造成人員傷亡及財產損失。據現場調查，現場只發生一次爆炸，爆炸前未見起火，爆炸后鋼瓶被炸到距原來放置鋼瓶位置5m左右，爆炸現場有明顯爆炸燃燒的痕跡。經調查，鋼瓶無任何出廠資料及使用技術資料，鋼瓶主體材料牌號不明，規格為Φ314mm×3mm，充裝介質為液化石油氣，鋼瓶充裝時間為2018年12月28日19時許；鋼瓶充裝量15kg；發生爆炸時間為2018年12月29日13:30分左右，現場人員表示該事故鋼瓶已經開始使用。2下封頭腐蝕嚴重，密封處組織處特征元析經宏觀檢查可見鋼瓶保護罩結構為螺紋連接到鋼瓶本體結構，如圖1(a）所示，鋼瓶整體有過火痕跡，下封頭中心部位存在一塑性爆口，爆口張開長約350mm，最大張口處寬約40mm，且最大張口處壁厚最薄，判斷此處為初始爆口，此處斷面與下封頭原始表面大致呈45°，屬于典型的韌性斷口；鋼瓶下封頭外表面存在大量垢狀物及腐蝕產物，爆口附近去除垢狀物及腐蝕產物的區域可見大量密集腐蝕坑；解剖鋼瓶后發現鋼瓶內表面無明顯腐蝕，密封處結構未發生破壞，如圖1(b)—(e）所示。爆炸鋼瓶中部環焊縫上側緊貼焊縫處測得該鋼瓶周長約為1040mm（外徑約為331mm），如圖1(f）所示。下封頭未塑性變形腐蝕處厚度測量平均值為2.10mm，小于鋼瓶設計壁厚。不考慮鋼瓶中部及上部的不圓度，筒體下部目視可見較明顯的脹粗，由于中部環焊縫的拘束作用，鋼瓶筒體端部脹粗嚴重而中部較輕。同時，鋼瓶底座、下封頭及筒體下側端部變形，不再保持圓形截面。鋼瓶底座與下封頭通過近似均布的三處角焊縫連接，且張口最大、壁厚最薄的初始爆口位于三處焊接部位的中間區域。3物理和化學試驗3.1化學成分分析從爆炸鋼瓶下封頭處取樣，按照標準GB/T4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發射光譜分析方法（常規法）》對其進行光譜分析，檢測結果見表1，其中硅元素含量超過標準要求，但在標準GB/T222—2006《鋼的成品化學成分允許偏差》3.2斷口方向不垂直斷口．斷口方向不垂直從初始爆口對應部位及正常部位取樣，對垂直及平行于斷口方向的截面進行金相檢驗，如圖2(a）所示。檢測發現鋼瓶材料金相組織為塊狀及針狀鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體3.3掃描電鏡檢測從圖2(a）中的初始爆口對應部位取樣，對初始爆口斷面進行掃描電鏡檢測。斷口被大量腐蝕產物覆蓋，使用無水乙醇對斷口進行超聲清洗后，在斷口處發現大量韌窩，斷口呈韌斷形貌，如圖3(a)—(b）所示。3.4初始爆口斷面能譜分析從圖2(a）中的初始爆口對應部位取樣，對初始爆口斷面進行能譜檢測。發現斷口表面附著物主要化學成分為鈣、鎂、氯、硫等元素，結果見圖4及表3。4計算的強度4.1鋼瓶筒體壁厚與內壓的關系因鋼瓶筒體已經部分脹粗，說明筒體材料已經歷屈服階段，并發生了塑性變形。根據GB5842—2006《液化石油氣鋼瓶》，鋼瓶筒體處壁厚與內壓的關系為：式中：P為鋼瓶筒體承受的內壓，MPa;T為鋼瓶筒體壁厚，mm，取測量壁厚3.00mm;D鋼瓶筒體脹粗所需的最小內壓為4.45MPa，該壓力高于GB5842—2006規定的液化石油氣鋼瓶的公稱工作壓力2.1MPa。4.2滿液壓力變化情況液化石油氣鋼瓶內部的壓力隨著溫度的變化而變化。鋼瓶未滿液時，其內部的壓力為該溫度下液化石油氣的飽和蒸氣壓，滿液后鋼瓶內的壓力隨著介質溫度的上升而急劇升高。由于爆炸鋼瓶內介質溫度無法考證，現計算鋼瓶內介質溫度在0～30℃變化時，滿液鋼瓶內壓力變化情況。滿液情況下，介質及鋼瓶溫度每升高1℃，鋼瓶內壓力升高幅度為：式中：β為鋼瓶內介質在t因此，在0～30℃，滿液鋼瓶內介質溫度每升高1℃壓力升高1.39MPa，直至材料發生塑性變形。4.3封頭壁厚與可承受內壓的關系根據金相檢測，爆口處晶粒有明顯變形部位且氧化皮脫落部分的厚度約為1.338mm。不考慮安全系數的前提下，鋼瓶橢圓形封頭壁厚與其可承受內壓的關系為：式中：T為鋼瓶橢圓形封頭的厚度，取1.33mm;P為鋼瓶橢圓形封頭可承受的內壓，MPa;D因此，鋼瓶封頭為1.338mm時，爆破前可承受的內壓為：4.4飽和培養飽和工氣未滿液時，鋼瓶內壓力為某一溫度下液化石油氣的飽和蒸氣壓。GB5842—2006規定液化石油氣鋼瓶的適用溫度為-40～60℃。按照《氣瓶安全監察規程》規定充裝的液化石油氣鋼瓶，在介質溫度不高于60℃時，瓶內壓力為該溫度下介質的飽和蒸氣壓。極限條件下，60℃時液化石油氣的飽和蒸氣壓一般為1.57MPa。則承受此壓力而不致爆裂所需的最小壁厚為：因此，未滿液時，只需0.52mm的厚度即可承受60℃時液化石油氣的飽和蒸氣壓。而從爆口處金相組織可知，爆口處晶粒有明顯變形部位的厚度大于0.52mm，因此，排除了爆裂前鋼瓶內存在氣相空間的可能，即爆裂前鋼瓶已經滿液，導致爆裂的壓力主要由滿液后的液化石油氣膨脹提供。5熱爆破下鋼瓶內不穩定燃燒特性1）由宏觀檢查知，鋼瓶與瓶閥連接處的密封結構未損壞，鋼瓶筒體脹粗且下封頭塑性變形開裂；由金相組織分析知，爆口處發生了明顯的塑性變形，方向由鋼瓶內表面到外表面；斷口處掃描電鏡分析可知，鋼瓶發生了韌性斷裂。由氣瓶爆口形態及鋼瓶整體損傷狀態推斷，此鋼瓶發生了物理超壓爆破。爆破導致液化石油氣泄漏，遇明火爆燃從而爆炸發生。2）由GB5842—2006，鋼瓶最大充裝量為14.9kg。15℃達到最大充裝量時，鋼瓶內液相空間約為85%。由于液化石油氣來源組分不穩定，從安全出發，宜按體積變化百分數大的C3類計算。充裝量為14.9kg的該鋼瓶滿液時，由以下公式計算：式中：V計算可得t3）分析可知，在0～30℃使用溫度范圍內，滿液時鋼瓶內介質溫度每升高1℃壓力升