气体换热器爆炸事故原因分析

气体换热器爆炸事故原因分析,内蒙古自治区锅炉压力容器检验研究院张廉正,摘要,针对一起气体换热器由于焊接缺陷引起的爆炸事故，通过现场勘测与分析，认为造成气体换热器爆炸的原因主要是由于焊接缺陷引起，焊接的多处焊缝没有达到质量标准的要求，并且在维修和检测方面均未按照标准执行，这才导致了气体换热器的承载能力不足，造成了气体换热器的爆炸。并根据事故原因，给出了防治措施，以确保此类气体换热器的安全运行。,一、发生事故的产品简介,三气换热器（气体换热器、产品编号XXXXBXXX）为铝制板翅式换热器，一类压力容器, 2011年 3月出厂，2012年4月投产运行。,该设备在设计以及制造方面多处不满足设计制造标准。如：设计过程中参考JB/T7261-94铝制板翅式换热器 技术条件标准，此为过期作废标准。质量说明书中采用标准为JB/T7261-94铝制板翅式换热器 技术条件与设计图样技术要求采用的制造标准JB/T4734-2002铝制焊接容器不一致。,制造单位提供的质量证明文件中，产品质量证明文件中缺少主要受压元件材质证书、材料产品质量计划或者检验计划，焊接记录、无损检测部位图、产品铭牌的拓印件或者复印件。不符合固定式压力容器安全技术监察规程4.1.4的要求。产品合格证与产品监督检验证书上标明依据压力容器安全技术监察规程，而设计技术要求为固定式压力容器安全技术监察规程，合格证、监督检验证书与设计技术要求不相符合。,二、事故原因分析,2.1现场勘查情况2015年某月某日气体换热器发生第一次爆炸，约7秒钟后高压脱硫泵房位置发生第二次爆炸。约两分钟时高压脱硫泵房左侧DN300的管道发生爆炸，管道介质NHD富液、工作压力3.0MPa、工作温度50。,事故发生之后，于2015年专家组对爆炸现场进行实地勘察，气体换热器脱硫气进口右侧角接焊缝开裂,开裂位置为封头体与板束堆焊层连接的全焊透角接接头部位、方向从上侧开裂、最初起爆点裂口长度为320mm、上部整体裂口长度为1050mm，宽度为460mm。事故现场测量图片如2-1所示。,图2-1 事故现场测量图片,图2-1 事故现场测量图片,开裂位置为封头体与板束堆焊层连接的角接接头部位、方向从上侧开裂、上部裂口长度为1050mm，侧面裂口宽度为460mm。,最初起爆口,上部开裂焊缝断口为两部分，容器原有的陈旧裂纹为暗红色与灰色相间，长度约320mm；新撕裂部分为灰色撕裂唇，长度约730mm。,管道爆炸后的照片,管道受撞击后的90裂口,脱硫高闪槽压力趋势图,爆炸前裂漏的照片,2.2事故宏观分析封头体与板束堆焊层焊接时存在未熔合而造成的应力集中导致产生裂纹，裂纹逐渐向外侧焊缝扩展。如图2-2所示。,图2-2 未熔合导致裂纹及裂纹扩展,接管与封头体连接的角接接头使用了搭接形式焊接，并且此接头存在未焊透和未熔合缺陷。如图2-3所示,图2-3 错误接头形式以及缺陷,接管与封头体连接的角接接头位置出现了密集的气孔、裂纹、未焊透缺陷。如图2-4所示。,图2-4 角接接头处的气孔、裂纹。未焊透,通过现场情况观测可以了解到裂口齐平，断口呈闪烁金属光泽的结晶状，新撕裂焊缝颜色为灰色、发生裂漏部位封头体与板束堆焊层连接的全焊透角接接头，断口颜色为暗红色和灰色相间（介质侧为暗红色、外侧为灰色），新撕裂的断口，纤维区和剪切唇很小，大部分是放射区。破裂容器焊缝部位，断口有裂纹、未焊透、夹渣、未熔合、气孔等缺陷。通过对破断面的观察，可以确定该容器为脆性破裂。,2.3母材及焊缝金属化学成分分析根据设计标准封头，接管，法兰材质均为5038-H112。根据标准5038化学成分如表2-1所示。,表2-1 母材5083Al合金化学成分,采用焊材为ER5356，根据标准得知焊材化学成分如表2-2所示。,表2-2 焊丝ER5356标准化学成分,在事故现场对母材材料以及熔敷金属材质进行了化学成分分析，测得母材以及焊缝熔敷金属化学成分分别为下表2-3以及2-4所示。,表2-3 母材Al合金化学成分,表2-4 焊缝熔敷金属化学成分,通过检测取得的结果分析可以看到熔敷金属的化学成分中部分合金元素低于标准，而一部分其他元素则超出了熔敷金属本该低于的成分。由熔敷金属标准查阅可知：镁为这种铝合金的主要合金元素组成部分，而现在由检测结果分析得知，镁合金成分严重低于合金成分标准，推断有可能是焊接过程中造成的合金元素烧损严重，而导致这种情况出现的最有可能的分析是焊接参数选择不当。,化学成分分析中还出现了Si元素严重超标的现象，而这种硅元素的超标会增大合金的热裂纹倾向，故由此推断焊接裂纹极有可能是由于硅含量超标而引起的热裂纹焊接缺陷。化学成分中Ti和Cr成分也低于标准要求。,由现场勘查结果和材料化学成分分析结果综合分析，得出多条关于此三气换热器的缺陷危害分析。首先，此换热器共经过四次维修，第一次维修位置为脱硫气进口右侧人字焊缝；第二次维修位置为脱硫气进口左侧下部封头体与板束角对接接头；第三次维修位置为脱硫气出口右侧下部人字焊缝；第四次维修位置为脱硫气进口左侧人字焊缝。,三、缺陷的危害性分析,通过以上关于维修的情况可以看出最易出现问题的位置为脱硫进气口处的人字焊缝，此处人字焊缝共出现两次维修，两侧分别是脱硫气进气口左侧和右侧焊缝。脱硫气出气口也是人字焊缝出现裂漏，可以看出此人字焊缝存在隐患。并且除去第一次和最后一次是联系厂家维修，剩余两次为自聘焊工维修，四次维修均没有维修方案、维修记录、检验检测记录。由此，对于此气体换热器的维保检修均没有达到要求。,其次，封头体与板束堆焊层焊接时存在未熔合而造成的应力集中导致产生裂纹，在使用过程裂纹逐渐向外侧焊缝扩展。裂纹造成的应力集中使得裂纹扩展导致失稳状态，成为了本次爆炸事故的又一诱因。,再次，接管与封头体连接的角接接头使用了搭接形式焊接，并且此接头存在未焊透和未熔合缺陷。角接接头用搭接形式代替，本身就不能满足在力学性能上的要求，而且还有未熔合未焊透的缺陷，更加使得焊接接头本该拥有的力学性能不能达到标准要求。也成为诱发事故的一项原因。,之后，接管与封头体连接的角接接头位置出现了密集的气孔、裂纹、未焊透缺陷。气孔的形成原因是铝材料焊接时的凝固行为，气孔是由熔化物凝固之前气体不能逸出造成，这些气体可能来自于保护气体或熔池搅拌带入的气体，导致气孔的形成。气孔的存在降低了焊接接头的严密性和塑性，使得焊缝有效截面积减小而使得接头机械强度以及承载能力下降，并且如果在制造和修复压力容器过程中若由于气孔问题造成返修次数超标，可能会导致压力容器报废。因此此角接接头处的气孔、裂纹、未焊透也是造成此次爆炸事故的又一诱导因素。,最后，裂口齐平，断口呈闪烁金属光泽的结晶状，新撕裂焊缝颜色为灰色、发生裂漏部位封头体与板束堆焊层连接的全焊透角接接头，断口颜色为暗红色和灰色相间（介质侧为暗红色、外侧为灰色），新撕裂的断口，纤维区和剪切唇很小，大部分是放射区。破裂容器焊缝部位，断口有裂纹、未焊透、夹渣、未融合、气孔等缺陷。通过对破断面的观察，可以确定该容器为脆性破裂。,首先，此类压力容器应该在设计和制造过程中严格遵循国家标准，包括维修等过程务必出具符合标准要求的维修方案、维修记录、和检验检测记录。不能忽视设计制造中过程的重要性。,四、此类事故的防治方法,其次在焊接过程中也要聘请具有焊接某一固定压力容器的资质的人员进行制造和维修。制定符合要求的焊接工艺规程，让焊接流程规范化，合格化。在焊接完成后务必落实好检验检测工作。一定要尽可能使焊缝达到其该有的承载能力。如产生气孔裂纹等缺陷，一定是在焊接过程中采取了不合理的参数，或者有一些焊前准备工作不够完善。务必在之后的工作中杜绝此类失误。,最后，在进行焊接工作之前，一定要用同样的材料进行预焊接试验，在预焊接实验过程之后进行试验分析，尤其是要做熔敷金属成分分析，根据分析结果进一步修改焊接工艺流程。对于铝合金的焊接，务必了解其材质焊接的特性。尽可能制定出最符合此类压力容器的工艺文件，再去执行。,铝合金质地的压力容器设计、制造、维修、都是一项较为复杂的工作，不仅要考虑压力容器制造的标准，还要考虑到铝合金材质的特殊性，设计制造单位要对实施的制造焊接工艺有一个完整的规划和