气体换热器爆炸事故原因分析剖析

1、内蒙古自治区锅炉压力容器检验研究院张廉正针对一起气体换热器由于焊接缺陷引起的爆炸事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。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，以确保此类并根据事故

2、原因，给出了防治措施，以确保此类气体换热器的安全运行。气体换热器的安全运行。三气换热器（气体换热器、产品编号三气换热器（气体换热器、产品编号XXXXBXXXXXXXBXXX）为铝制板翅式换热器，一类压力）为铝制板翅式换热器，一类压力容器容器, 2011, 2011年年 3 3月出厂，月出厂，20122012年年4 4月投产运行。月投产运行。第一腔第一腔第二腔第二腔第三腔第三腔设计压力设计压力3.8MPa3.8MPa3.8MPa3.8MPa0.08MPa0.08MPa几何容积几何容积0.33m0.33m0.35 m0.35 m2.08 m2.08 m介质介质原料气原料气脱碳气脱碳气低闪气低闪气设

3、计温度设计温度-10-105050焊接接头系数焊接接头系数0.850.85腐蚀裕度腐蚀裕度0 0压力容器类别压力容器类别I I类类主体材料主体材料5083-H1125083-H112（16 14 1216 14 12）该设备在设计以及制造方面多处不满足设计制造该设备在设计以及制造方面多处不满足设计制造标准。如：标准。如：设计过程中参考设计过程中参考JB/T7261-94JB/T7261-94铝制板翅式换热铝制板翅式换热器器 技术条件技术条件标准，此为过期作废标准。标准，此为过期作废标准。质量说明书中采用标准为质量说明书中采用标准为JB/T7261-94JB/T7261-94铝制板铝制板翅式换热

4、器翅式换热器 技术条件技术条件与设计图样技术要求采与设计图样技术要求采用的制造标准用的制造标准JB/T4734-2002JB/T4734-2002铝制焊接容器铝制焊接容器不不一致。一致。制造单位提供的质量证明文件中，产品质量证明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、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。不符合产品铭牌的拓印件或者复印件。不符合固定式压固定式压力容器安全技术监察规程力容器安全技术监察规程4.1.44.1.4的要求

5、。的要求。产品合格证与产品监督检验证书上标明依据产品合格证与产品监督检验证书上标明依据压压力容器安全技术监察规程力容器安全技术监察规程，而设计技术要求为，而设计技术要求为固定式压力容器安全技术监察规程固定式压力容器安全技术监察规程，合格证、，合格证、监督检验证书与设计技术要求不相符合。监督检验证书与设计技术要求不相符合。2.12.1现场勘查情况现场勘查情况20152015年某月某日气体换热器发生第一次爆炸，约年某月某日气体换热器发生第一次爆炸，约7 7秒钟后高压脱硫泵房位置发生第二次爆炸。约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两分钟时高压脱硫泵房左侧DN300DN3

6、00的管道发生爆的管道发生爆炸，管道介质炸，管道介质NHDNHD富液、工作压力富液、工作压力3.0MPa3.0MPa、工作、工作温度温度5050。事故发生之后，于事故发生之后，于20152015年专家组对爆炸现场进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行实地勘察，气体换热器脱硫气进口右侧角接焊缝开裂焊缝开裂, ,开裂位置为封头体与板束堆焊层连接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初起爆点裂口长度为320mm320mm、上部整体裂口长度、上部整体裂口长度为为1050mm1050mm

7、，宽度为，宽度为460mm460mm。事故现场测量图片如。事故现场测量图片如2-12-1所示。所示。图图2-1 2-1 事故现场测量图片事故现场测量图片图图2-1 2-1 事故现场测量图片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、上部裂口长度为侧开裂、上部裂口长度为1050mm1050mm，侧面裂口宽度为，侧面裂口宽度为460mm460mm。最初起爆口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，长度约色相间，长度约3

8、20mm320mm；新撕裂部分为灰色撕裂唇，长度约；新撕裂部分为灰色撕裂唇，长度约730mm730mm。管道爆炸后的照片管道爆炸后的照片管道受撞击后的管道受撞击后的9090裂口裂口脱硫高闪槽压力趋势图脱硫高闪槽压力趋势图爆炸前裂漏的照片爆炸前裂漏的照片2.2事故宏观分析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，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。如图裂纹逐渐向外侧焊缝扩展。如图2-22-2所示。所示。图图2-2 2-2 未熔合导致裂纹及裂纹扩展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

9、接，并且此接头存在未焊透和未熔合缺陷。如图2-3所示图图2-3 2-3 错误接头形式以及缺陷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。图图2-4 2-4 角接接头处的气孔、裂纹。未焊透角接接头处的气孔、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、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（介质角接接头，断口颜色为暗红色和

10、灰色相间（介质侧为暗红色、外侧为灰色），新撕裂的断口，纤侧为暗红色、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、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。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。表表2-1 2-1 母材母材5083Al5083Al合金化学成分合金化学成分化化 学学

11、 成成 分分 % %SiSiFeFeCuCuMnMnMgMgCrCrZnZnTiTi铝铝minmin0.400.400040400.100.100.40-1.00.40-1.04.0-4.94.0-4.90.05-0.250.05-0.250.250.250.150.15余量余量采用焊材为采用焊材为ER5356ER5356，根据标准得知焊材化学，根据标准得知焊材化学成分如表成分如表2-22-2所示。所示。表表2-2 2-2 焊丝焊丝ER5356ER5356标准化学成分标准化学成分化化 学学 成成 分分 % %SiSiFeFeCuCuMnMnMgMgCrCrZnZnTiTi铝铝minmin0.2

12、50.250.400.400.100.100 . 0 5 -0 . 0 5 -0.200.204.5-5.54.5-5.50.05-0.200.05-0.200.100.100.06-0.06-0.200.20余量余量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，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测得母材以及焊缝熔敷金属化学成分分别为下表2-32-3以及以及2-42-4所示。所示。表表2-3 2-3 母材母材AlAl合金化学成分合金化学成分化化 学学 成成 分分 % %SiSiFeFeCuCuMnMnMgMgCrCrZn

13、ZnTiTi铝铝minmin0 01011010 03683680.0230.0230.4810.4814.354.350.1410.1410.00750.00750.0230.023余量余量表表2-4 2-4 焊缝熔敷金属化学成分焊缝熔敷金属化学成分化化 学学 成成 分分 % %SiSiFeFeCuCuMnMnMgMgCrCrZnZnTiTi铝铝minmin4.534.530 01361360.0190.0190.0700.0700.9580.9580.020.020.00960.00960.0010.001余量余量通过检测取得的结果分析可以看到熔敷金属的化学通过检测取得的结果分析可以看到熔

14、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。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：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。是焊接参数选择不

15、当。化学成分分析中还出现了化学成分分析中还出现了SiSi元素严重超标的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。由于硅含量超标而引起的热裂纹焊接缺陷。化学成分中化学成分中TiTi和和CrCr成分也低于标准要求。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，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。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

16、维修位置首先，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。次维修位置为脱硫气进口左侧人字焊缝。通过以上关于维修的情况可以看出最易出现问题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缝

17、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。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其次，封头体与板束堆焊层焊接时存在未熔合而造成

18、的应力集中导致产生裂纹，在使用过程裂纹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裂纹扩展导致失稳状态，成为了本次爆炸事故的又一诱因。又一诱因。再次，接管与封头体连接的角接接头使用了搭接再次，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。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，学性能上的要求，而且还有未熔合未

19、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。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。气孔体或熔池搅拌带入的气体，导致气孔的形

20、成。气孔的存在降低了焊接接头的严密性和塑性，使得焊缝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。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，最后，裂口齐平，断口呈闪烁金属光泽的

21、结晶状，新撕裂焊缝颜色为灰色、发生裂漏部位封头体与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、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。断面的观察，可以确定该容器为脆性破裂。首先，此

22、类压力容器应该在设计和制造过程中严首先，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。录。不能忽视设计制造中过程的重要性。其次在焊接过程中也要聘请具有焊接某一固定压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。善。务必在之后的工作中杜绝此类失误。最后，在进行