气瓶在热处理过程中破裂原因分析

气瓶在热处理过程中破裂原因分析由宏新，招聪，刘润杰大连理工大学化工机械学院，辽宁大连116024摘要为查明一起气瓶在热处理过程中异常爆裂的失效原因，对爆破气瓶材料与用于制造气瓶的管材内表面树脂状涂层进行分析，加工模拟试件并对其进行热处理，以分析模拟试件在热处理过程中的压力变化。热处理过程中不仅测量模拟试件的压力变化，还采集气瓶内的气体进行色谱分析。分析结果表明，含石墨树脂状涂层组分分解，分解产物与瓶内空气中的氧气发生反应是气瓶破裂的原因。关键词气瓶；破裂；反应；石墨中图分类号TH49；TG435文献标志码B文章编号10014837201511005806DOI10，3969JISSN10014837201511010ANALYZINGTHECAUSESOFTHECYLINDERRUPTUREDURINGHEATTREATMENTPROCESSYOUHONGXIN，ZHAOCONG，LIURUNJIESCHOOLOFCHEMICALMACHINERY，DALIANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，DALIAN116024，CHINAABSTRACTTHEFAILUREREASONFORABNORMALBURSTINGOFACYLINDERWASANALYZEDDURINGTHEPROCESS0FHEATTREATMENTTHEMATERIALOFTHEBURSTCYLINDERANDRESINOUSCOATINGWHICHWASINSIDEOFTHETUBESFORDRODUCINGTHECYLINDERSWEREANALYZEDTHESIMULATEDSPECIMENWASMADEANDCAIEDITTOHEATTREATMENTFORANALYZINGITSPRESSURECHANGESDURINGTHEPROCESSOFHEATTREATMENT，THEPRESSURECHANGESOFSIMULATEDSPECIMENWEREMEASURED，BESIDES，THEGASINTHECYLINDERWASCOLLECTEDFORCHROMATOGRAPHICANALYSISTHEENTIREANALYSISSHOWSTHATTHECOMPONENTOFGRAPHITERESINCOATINGWASDECOMPOSED，ANDTHEDECOMPOSITIONPRODUCTSWITHTHEOXYGENINSIDETHEAIR0FTHECYLINDERREACTIONISTHEREASONF0RCYLINDERRUPTUREKEYWORDSGASCYLINDER；RUPTURE；REACTION；GRAPHITE0引言无缝气瓶在使用过程中的事故，时有发生，但在生产过程中的热处理时气瓶发生破裂事故，并不多见。某公司在使用35CRMO管生产气瓶过程中，在进行热处理加热保温时，炉内一只气瓶发生破裂，造成加热炉严重损坏。分析该58气瓶的破裂原因有助于相关单位避免类似事故的发生。1事故概述该气瓶加工工艺为原料锯切一管收底、收口一瓶口初加工一电炉加热850860OC，保温1H一油淬一回火一瓶口机加工。气瓶破裂后的第32卷第11期压力容器总第276期表示热重曲线，表示随温度增加时试样质量的变化，纵坐标表示试件质量；第2条线是对热重曲线一阶求导的曲线，纵坐标表示试件质量随时间变化率；第3条线是SDTA信号下热量变化曲线。3条曲线横坐标上半部均表示温度，下半部表示时间。图6失重试验结果失重试验表明管内表面附着含碳树脂状物质，在400开始失去重量，在860时树脂状物质的最大失重率为455，且分解产物在600左右可以燃烧，并放出热量。通过对材料的分析，材料与断口的检验表明材料成分与组织正常，失重分析表明管材内表面含碳黑色树脂状物质在400CC开始分解，且分解产物在600左右可以燃烧。22压力源确定热处理过程中气瓶的破裂原因，需要确定破裂的压力源，为此，以制造受损气瓶的同批管材加工的模拟试件如图7所示进行热处理，以分析压力的来源。热处理过程中用图7中的接气口将模拟试件的气体导出，以便用气相色谱进行分析。模拟试件在试件外表面用65MM18MM筒节加以保护，盲板中心焊接的316材料10MM2MM管长度400MLRL。为将气体压力导出热处理炉，在10MM2MM管前焊接6MM2MM长度15M左右的316管，压力表距离热处理炉口的距离为800MM左右。压力测量采用04级量程16MPA的压力表。将模拟试件置于热处理炉中，模拟热处理加热温度加热到860OC。模拟试验在650MM650MM2000MM的热处理炉中进行。压接气口图7模拟试件结构示意模拟试件加热到860、保温1H后，压力表显示值为02MPA，打开泄气阀门手感觉到有潮气。在压力升至022MPA后20MIN，听到炉内一声压力闷响，压力表读数下降。在860保温1H，且压力降到018MPA后，用接气口将部分气体排出到色谱接气袋中，留待色谱测试。估计焊接处泄漏，关闭热处理炉电源，打开炉门，自然冷却，试件留待后续检验。模拟试件冷却到常温后，采用直尺检测筒体变形，简体有鼓胀，鼓胀情况见图8。将模拟试件置于水中进行气密试验，在低于01MPA下端盖泄漏。61气瓶在热处理过程中破裂原因分析3综合分析图8模拟试件鼓胀示意正常热处理时，气瓶加热到860，按照气体状态方程计算，气瓶内密闭的空气压力，相对大气压的压力大约为03MPA。气瓶金属材料的成分与组织正常，按照气瓶制造厂的经验，没有气瓶破裂与鼓胀。在热处理过程中，模拟试件压力先升后降并在降低前产生闷响，热处理后简体鼓胀端盖泄漏。解释模拟试件的压力变化规律，是确定破裂气瓶的关键，分析色谱产生的气体是了解压力变化规律的关键环节。模拟试验采集的气体，其色谱测量结果表明气体中含有N4492，CO5496，H2O50012。伸出热处理炉的管线较细，伸出长度在800MM左右，热处理车间温度低于10，水蒸气可以凝结为水导致实测压力降低。根据色谱测试的结果，计算模拟试验的管件内部绝对压力为0423MPA“J。实际模拟试件内的相对压力为0325MPA，有限元模拟表明，在该压力下，以材料在860下的拉伸强度测试为依据，模拟试件的应力较小。由于模拟试件检测的气体含有水蒸气，在冬季环境水蒸气可能凝结，导致离线所测色谱气中的气体含量存在一定误差，实际存在水蒸气可能更多，模拟试件内的相对压力高于0325MPA。试验结果显示有明显的变形，该变形除了与试验压力有关外，还与试验温度与试验时间有关。失重试验表明，管内表面附着在管壁的含碳62树脂状物质，不仅在400开始失去重量，而且在600下可以燃烧。在860CC下，树脂状物质的最大失重率为455，且分解产物可以氧化与燃烧。氧化与燃烧的证据是色谱检测的气体中含有CO，且失重试验时有热量放出。氧化与燃烧导致钢管本体的温度高于保温温度，虽然热处理炉的温度控制在860，但模拟试件管材本身的温度由于管内表面附着层的燃烧高于860C【，材料强度更低，结构更易变形；模拟试件持续在炉温860下保温，结构与材料在压力作用下，有蠕变的可能，蠕变导致模拟试件产生明显的变形。模拟试验存在着压力先升高、后下降的现象，了解该现象的发生原因，对了解模拟试件的压力变化的本质以及确定事故发生的原因起着关键性作用。管材内表面含石墨与耦合剂形成的树脂状涂层，在管内存在空气的情况下，于热处理加热环境中，含C组分分解形成的C与氧气发生反应，生成CO和CO2，即C0502CO1C02CO22反应1是体积增大的反应，不会有压力突降。反应2反应前后物质的摩尔量相同，体积不变，压力也不会变化。生成的CO也有可能继续与空气中的氧气发生下列反应生成CO，即CO0502CO23根据反应3，由反应前的15MOL到反应后的1TOOL，是体积减少的反应，反应后压力降低。CO也可与空气中0发生快速氧化一爆炸，反应生成大量的CO，将封存在试件内的氧气全部消耗。CO在空气中的爆炸下限为125，爆炸上限为74。据管材生产厂家的介绍，管材内表面含石墨树脂状涂层是由石墨加水做润滑剂，在管材热加工过程中形成的。其组分也可在高温下直接分解成C及H0，但都是体积增加的过程，不会有压力降。由于模拟试验色谱检测模拟试件含水蒸气，第32卷第11期压力容器总第276期且水蒸气的量最多，在管材内表面有含碳组分的情况下，有可能生成水煤气，即发生反应CH20H2CO4该反应需要热量与充分的水蒸气，在860下，可以提供充分的热量，模拟试件色谱测试表明，在860气瓶内部含有较多的水蒸气。反应4是体积增加的反应，在模拟试件体积一定的条件下，随反应的进行、模拟试件内的压力升高。生成的水煤气HCO可与气瓶内的0发生爆炸反应，即H2CO02H20CO25水煤气在空气中的爆炸下限为63，爆炸上限为738。相对于CO的爆炸，其爆炸下限更低。爆炸下限低说明水煤气更容易产生爆炸。水煤气爆炸反应5的发生，产生声响，使反应前的物质从3TOOL降为反应后的2MOL，相应地，在模拟试件体积一定的条件下，反应发生的后果除了压力降低，气体中的氧含量消除，色谱检测证明了这一点。爆炸产生的瞬时冲击波及其反射，使其作用力增加，导致模拟试件在强度最薄处开裂，丧失密封性。标称200L气瓶，其内部含有42L氧气，158L氮气，假定爆炸下限不随条件变化而改变，在绝压03MPA下，达到水煤气爆炸下限需要的水煤气体积为155L，换算成常压需467L，2085TOOL，需125G的C与188G的水。在内径351MM，长度1500MM，内部表面积为17144DM，每平方分米需存在183G的含C元素与水的物质。制作气瓶的管材在内表面有不均匀的含碳树脂状的情况下，有可能达到上述分析的结果，且由于含碳树脂状物质的不均匀分布，在含碳较厚处，燃烧与氧化比较剧烈，使含碳较厚处的35CRMO材料的强度更为降低，材料在热处理保温时，蠕变明显，壁厚减薄，并在气瓶内部压力作用下破裂。4结语破裂气瓶材料成分与组织正常，但加工气瓶的管材内表面有含石墨的树脂状黑色残留物，气瓶在热处理过程中，含石墨树脂状涂层组分分解，气瓶内部压力增加，管材内表面含碳树脂状物质在600左右燃烧，并放出热量，使实际热处理时管材温度升高，导致气瓶在内部压力作用下产生明显的鼓胀；用内表面含石墨的树脂状涂层的管进行模拟热处理试验，当分解后的组分中的CO、水煤气达到一定含量时，CO、水煤气与瓶内空气中的氧气发生爆炸反应，虽爆炸后的气体容积减小，但爆炸产生的瞬时冲击及其反射，使其作用力增加，并使860热处理的35CRMO气瓶在最薄点附近开裂。参考文献1高静华，金巨年，马恒春氧气瓶爆破事故分析J压力容器，1990，7558622张国发一起氧气瓶爆炸事故分析J深冷技术，19972493夏立荣，耿志强，雷闽氧气瓶爆炸事故的原因分析J压力容器，2007，2485O一544陈卫华，胡连桃，程雄鹏三起氧气瓶爆炸事故的原因分析及建议J深冷技术，2002248505庄胜强，葛志军一起氧气瓶爆炸事故分析J深冷技术，2009659616GBT30771999，合金结构钢S7毕明树工程热力学M北京化学工业出版社，20098李冬，陶刚，张礼敬，等氧气瓶内附油脂充氧过程爆炸分析与计算J中国安全生产科学技术，2011，7418239杨象岳，李海潮，杜清，等一起