液化水气钢瓶爆炸原因分析

液化水气钢瓶爆炸原因分析

液化石油气是原油通过添加原油或其他加工过程中获得的各种烃类化合物，包括丙烯、丙烯、烷、丁二烯和异丁烯。通过加热和冷却后添加一定数量的有机物，它将变成一个有明显气味的无色透明液体。其闪点低，引燃能力小，爆炸下限低，具有燃烧速度快，火焰温度高、易发生爆炸、复爆危险性大等特点1钢瓶主体材料情况2018年12月，某餐馆一液化石油气钢瓶在使用过程中发生爆炸起火，造成人员伤亡及财产损失。据现场调查，现场只发生一次爆炸，爆炸前未见起火，爆炸后钢瓶被炸到距原来放置钢瓶位置5m左右，爆炸现场有明显爆炸燃烧的痕迹。经调查，钢瓶无任何出厂资料及使用技术资料，钢瓶主体材料牌号不明，规格为Φ314mm×3mm，充装介质为液化石油气，钢瓶充装时间为2018年12月28日19时许；钢瓶充装量15kg；发生爆炸时间为2018年12月29日13:30分左右，现场人员表示该事故钢瓶已经开始使用。2下封头腐蚀严重，密封处组织处特征元析经宏观检查可见钢瓶保护罩结构为螺纹连接到钢瓶本体结构，如图1(a）所示，钢瓶整体有过火痕迹，下封头中心部位存在一塑性爆口，爆口张开长约350mm，最大张口处宽约40mm，且最大张口处壁厚最薄，判断此处为初始爆口，此处断面与下封头原始表面大致呈45°，属于典型的韧性断口；钢瓶下封头外表面存在大量垢状物及腐蚀产物，爆口附近去除垢状物及腐蚀产物的区域可见大量密集腐蚀坑；解剖钢瓶后发现钢瓶内表面无明显腐蚀，密封处结构未发生破坏，如图1(b)—(e）所示。爆炸钢瓶中部环焊缝上侧紧贴焊缝处测得该钢瓶周长约为1040mm（外径约为331mm），如图1(f）所示。下封头未塑性变形腐蚀处厚度测量平均值为2.10mm，小于钢瓶设计壁厚。不考虑钢瓶中部及上部的不圆度，筒体下部目视可见较明显的胀粗，由于中部环焊缝的拘束作用，钢瓶筒体端部胀粗严重而中部较轻。同时，钢瓶底座、下封头及筒体下侧端部变形，不再保持圆形截面。钢瓶底座与下封头通过近似均布的三处角焊缝连接，且张口最大、壁厚最薄的初始爆口位于三处焊接部位的中间区域。3物理和化学试验3.1化学成分分析从爆炸钢瓶下封头处取样，按照标准GB/T4336—2016《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法（常规法）》对其进行光谱分析，检测结果见表1，其中硅元素含量超过标准要求，但在标准GB/T222—2006《钢的成品化学成分允许偏差》3.2断口方向不垂直断口．断口方向不垂直从初始爆口对应部位及正常部位取样，对垂直及平行于断口方向的截面进行金相检验，如图2(a）所示。检测发现钢瓶材料金相组织为块状及针状铁素体+粒状贝氏体+少量珠光体3.3扫描电镜检测从图2(a）中的初始爆口对应部位取样，对初始爆口断面进行扫描电镜检测。断口被大量腐蚀产物覆盖，使用无水乙醇对断口进行超声清洗后，在断口处发现大量韧窝，断口呈韧断形貌，如图3(a)—(b）所示。3.4初始爆口断面能谱分析从图2(a）中的初始爆口对应部位取样，对初始爆口断面进行能谱检测。发现断口表面附着物主要化学成分为钙、镁、氯、硫等元素，结果见图4及表3。4计算的强度4.1钢瓶筒体壁厚与内压的关系因钢瓶筒体已经部分胀粗，说明筒体材料已经历屈服阶段，并发生了塑性变形。根据GB5842—2006《液化石油气钢瓶》，钢瓶筒体处壁厚与内压的关系为：式中：P为钢瓶筒体承受的内压，MPa;T为钢瓶筒体壁厚，mm，取测量壁厚3.00mm;D钢瓶筒体胀粗所需的最小内压为4.45MPa，该压力高于GB5842—2006规定的液化石油气钢瓶的公称工作压力2.1MPa。4.2满液压力变化情况液化石油气钢瓶内部的压力随着温度的变化而变化。钢瓶未满液时，其内部的压力为该温度下液化石油气的饱和蒸气压，满液后钢瓶内的压力随着介质温度的上升而急剧升高。由于爆炸钢瓶内介质温度无法考证，现计算钢瓶内介质温度在0～30℃变化时，满液钢瓶内压力变化情况。满液情况下，介质及钢瓶温度每升高1℃，钢瓶内压力升高幅度为：式中：β为钢瓶内介质在t因此，在0～30℃，满液钢瓶内介质温度每升高1℃压力升高1.39MPa，直至材料发生塑性变形。4.3封头壁厚与可承受内压的关系根据金相检测，爆口处晶粒有明显变形部位且氧化皮脱落部分的厚度约为1.338mm。不考虑安全系数的前提下，钢瓶椭圆形封头壁厚与其可承受内压的关系为：式中：T为钢瓶椭圆形封头的厚度，取1.33mm;P为钢瓶椭圆形封头可承受的内压，MPa;D因此，钢瓶封头为1.338mm时，爆破前可承受的内压为：4.4饱和培养饱和工气未满液时，钢瓶内压力为某一温度下液化石油气的饱和蒸气压。GB5842—2006规定液化石油气钢瓶的适用温度为-40～60℃。按照《气瓶安全监察规程》规定充装的液化石油气钢瓶，在介质温度不高于60℃时，瓶内压力为该温度下介质的饱和蒸气压。极限条件下，60℃时液化石油气的饱和蒸气压一般为1.57MPa。则承受此压力而不致爆裂所需的最小壁厚为：因此，未满液时，只需0.52mm的厚度即可承受60℃时液化石油气的饱和蒸气压。而从爆口处金相组织可知，爆口处晶粒有明显变形部位的厚度大于0.52mm，因此，排除了爆裂前钢瓶内存在气相空间的可能，即爆裂前钢瓶已经满液，导致爆裂的压力主要由满液后的液化石油气膨胀提供。5热爆破下钢瓶内不稳定燃烧特性1）由宏观检查知，钢瓶与瓶阀连接处的密封结构未损坏，钢瓶筒体胀粗且下封头塑性变形开裂；由金相组织分析知，爆口处发生了明显的塑性变形，方向由钢瓶内表面到外表面；断口处扫描电镜分析可知，钢瓶发生了韧性断裂。由气瓶爆口形态及钢瓶整体损伤状态推断，此钢瓶发生了物理超压爆破。爆破导致液化石油气泄漏，遇明火爆燃从而爆炸发生。2）由GB5842—2006，钢瓶最大充装量为14.9kg。15℃达到最大充装量时，钢瓶内液相空间约为85%。由于液化石油气来源组分不稳定，从安全出发，宜按体积变化百分数大的C3类计算。充装量为14.9kg的该钢瓶满液时，由以下公式计算：式中：V计算可得t3）分析可知，在0～30℃使用温度范围内，满液时钢瓶内介质温度每升高1℃压力升