張 元 ， 張 號 ， 李明超 ， 孟維歌 ， 宋明大

（1. 中國石油大學(xué)（華東） 化學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266580；2. 山東省特種設(shè)備檢驗研究院有限公司，濟南 250101）

0 引言

氣瓶是用以貯運永久氣體、液化氣體和溶解氣體的可重復(fù)充裝使用的移動式壓力容器[1]。近些年氣瓶爆炸事故頻發(fā)[2-5]，造成了重大經(jīng)濟損失，因此，氣瓶的安全性問題至關(guān)重要。目前，我國氣瓶行業(yè)安全問題嚴(yán)峻：第一，氣瓶數(shù)量龐大，截止到2017年底，我國共有氣瓶14 265萬只[6]；第二，氣瓶公稱壓力大，且常用來充裝易燃易爆有毒的危險化學(xué)品，因此危險性極大；第三，一旦失效，給人們的生命、財產(chǎn)、環(huán)境帶來傷害和損失。

氧氣瓶的爆炸失效可以分為物理爆炸和化學(xué)爆炸。前者是由于物理因素，如受熱膨脹、結(jié)構(gòu)損傷和外力破壞等，導(dǎo)致氣瓶破裂，如文獻[7]研究分析的一次車用氣瓶爆炸事故的原因為物理爆炸；后者是由于在充裝過程中混入可燃性物質(zhì)，如油脂、氫氣等，與氧氣發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的爆炸，文獻[8]中氧氣瓶使用壓力過低導(dǎo)致乙炔流入氧氣瓶，在充裝過程中發(fā)生化學(xué)爆炸。相比于物理爆炸，化學(xué)爆炸破壞力更大。

目前國內(nèi)已有一些針對氧氣瓶爆炸事故分析和安全評價的研究。韋晨等[9]建立有限元模型，對氣瓶爆炸進行了動態(tài)分析，對爆炸壓力進行了預(yù)測；梁斌等[10]通過常規(guī)檢測試驗和事故現(xiàn)場勘查技術(shù)，依據(jù)碎片拋射距離模型估算氣瓶實際爆炸能量，從能量角度分析氧氣瓶爆炸性質(zhì)和起因；李冬等[11]對一起氧氣瓶充裝過程中混入油脂導(dǎo)致化學(xué)爆炸的事故進行了分析計算，得到爆炸實際油脂量，認為大量的油脂存在純屬誤操作導(dǎo)致；陳衛(wèi)華等[12]分析了3起氧氣瓶爆炸事故，總結(jié)出了違規(guī)操作、氣瓶混入氫氣、瓶內(nèi)沾有油脂和結(jié)構(gòu)損壞4種原因；魯紅亮等[13]對氣瓶身份識別技術(shù)中典型的鋼印編號、條碼和電子標(biāo)簽等3種手段的研究和應(yīng)用進行了綜述，認為電子標(biāo)簽技術(shù)最適合氣瓶的監(jiān)管；袁淑芳[14]應(yīng)用事故樹法分析了氧氣瓶爆炸事故，為氧氣瓶安全管理提供科學(xué)依據(jù)。

本研究對一次氧氣瓶爆炸事故進行失效分析，以找出氧氣瓶爆炸的原因。分析氣瓶事故原因?qū)τ谕悮馄吭诠嘌b、運輸、使用等過程中的安全問題有著重要意義，可為氣瓶的安全性問題和同類失效問題提供一定參考。

1 事故概況

在進行氧氣瓶卸車的過程中，其中一氣瓶發(fā)生粉碎性爆炸，造成1人死亡、1人重傷、1人輕傷?，F(xiàn)場設(shè)施毀壞嚴(yán)重，車間彩鋼瓦、運輸車和其他氣瓶均受到不同程度損傷。據(jù)目擊者介紹，爆炸時產(chǎn)生大量濃煙。檢查發(fā)現(xiàn)，其他氣瓶瓶身沾有大量油脂，如圖1所示。爆炸產(chǎn)生數(shù)十塊碎片，最遠一塊碎片飛出距離約為250 m，事后共收集到碎片51塊，總重約50 kg。

2 試驗過程與結(jié)果

2.1 碎片檢查

圖 1 爆炸現(xiàn)場其他氣瓶及瓶身油脂F(xiàn)ig.1 Gas cylinders and grease

瓶肩碎片外表面尚殘留部分原始鋼印標(biāo)記，據(jù)此確定事故氣瓶的重量為57.8 kg，容積為41.2 L，壁厚為5.8 mm，生產(chǎn)日期為1991年11月。碎片如圖2所示，瓶肩碎片外表面殘留少量淡藍色瓶漆，為氧氣瓶的顏色標(biāo)記。未見氣瓶編號、制造標(biāo)準(zhǔn)、充裝介質(zhì)、公稱工作壓力和水壓試驗壓力等標(biāo)記信息。瓶肩碎片相對較小，基本被展平，碎片既有剪切斷口也有正斷斷口。瓶肩碎片斷口表面及碎片內(nèi)表面存在大量的過火痕跡，包括瓶口內(nèi)螺紋熔化、斷口發(fā)藍和內(nèi)表面附著炭黑物。

瓶身碎片基本成長條狀并存在一定的卷曲度，體積相對較大，斷口大多數(shù)為剪切斷口，其余少數(shù)為正斷斷口，斷口形貌如圖3所示。

事故氣瓶瓶底有3處撕裂裂縫，相對完整，未發(fā)生破碎，與瓶底相連的部分瓶身均向外伸展。碎片上未發(fā)現(xiàn)明顯的腐蝕或機械損傷等缺陷。用游標(biāo)卡尺對瓶肩和瓶身的碎片選點測厚，結(jié)果顯示碎片壁厚為4.84～11.00 mm，壁厚最小處位于瓶身處，最大處在瓶肩處，壁厚減薄不大。

圖 2 瓶肩碎片過火痕跡Fig.2 Combustion appearance of shoulder debris

圖 3 瓶身碎片斷口形貌Fig.3 Fracture morphology of body debris

2.2 化學(xué)成分分析

對氣瓶瓶身碎片取樣，進行光譜分析。測得化學(xué)成分結(jié)果如表1所示，氣瓶的化學(xué)成分符合GB/T 5099—2017《鋼制無縫氣瓶》的要求。

2.3 金相組織分析

對氣瓶瓶身碎片內(nèi)表面斷口處進行金相檢查，結(jié)果如圖4所示。氣瓶金相組織為鐵素體+珠光體，斷口處晶粒明顯拉長，存在少量魏氏組織，有脫碳現(xiàn)象。

表 1 氣瓶材料化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù) /%）Table 1 Chemical composition of oxygen cylinder (mass fraction /%)

圖 4 氣瓶金相組織Fig.4 Metallographic structure

2.4 內(nèi)表面附著物分析

對圖2b中內(nèi)表面的炭黑附著物進行傅里葉變換紅外光譜分析，結(jié)果見圖5。由分析結(jié)果可知，在波數(shù)2 800～3 000 cm-1處的吸收峰為CH的伸縮振動峰，1 737.55 cm-1處為羰基的伸縮振動吸收峰，1 411.64 cm-1處為CH的彎曲吸收峰，由此可推斷，附著物的主要成分為碳氫化合物。

圖 5 內(nèi)表面附著物紅外光譜分析結(jié)果Fig.5 Infrared spectrum analysis results of attachment

對內(nèi)表面附著物進行掃描電鏡觀察，炭黑物質(zhì)的微觀形貌如圖6所示。采用波譜分析附著物的含碳量，結(jié)果顯示含碳量約為3.363%。

圖 6 炭黑物質(zhì)微觀形貌Fig.6 Micro appearance of black attachments

3 爆炸原因分析

3.1 爆炸特征分析

事故爆炸產(chǎn)生數(shù)十塊碎片，且壁厚無明顯減薄，說明在爆炸時瓶體鋼板材料的變形速度遠未達到瓶內(nèi)壓力的增長速度，屬于材料的瞬間斷裂。另外，氣瓶斷口處壁厚無明顯減薄，部分斷口為正斷斷口，是材料快速斷裂的典型特征。這與瓶內(nèi)壓力緩慢上升，造成氣瓶鼓脹變形，最終導(dǎo)致氣瓶物理性破裂的破壞形式不同。并且爆炸致使現(xiàn)場設(shè)施毀壞嚴(yán)重，爆炸能量遠大于一般物理性的超壓爆炸。

發(fā)現(xiàn)氣瓶碎片內(nèi)表面及斷口表面存在炭黑殘留物，且瓶口內(nèi)螺紋存在熔化痕跡和發(fā)藍現(xiàn)象，只有化學(xué)反應(yīng)形成的局部瞬時高溫，才能形成此類斷口；金相檢查發(fā)現(xiàn)斷口處存在魏氏組織（過熱組織），紅外光譜分析證明殘留物為碳氫化合物，為物質(zhì)燃燒后的殘留物（因其他氣瓶瓶身沾有油脂，推斷可燃物應(yīng)為油脂）；現(xiàn)場人員也證明爆炸時產(chǎn)生了大量濃煙。以上信息可證明，氣瓶內(nèi)部因油脂存在而劇烈燃燒，發(fā)生了化學(xué)爆炸。

3.2 爆炸過程分析

事故氣瓶在爆炸之前具備氧氣和可燃物（油脂）等發(fā)生化學(xué)爆炸的物質(zhì)條件，在瓶內(nèi)溫度達到著火點時發(fā)生化學(xué)爆炸。氣瓶在正常儲運過程中，一般瓶內(nèi)溫度達不到著火條件，但是氣瓶在瓶閥開啟時或在搬運過程中氧化皮的掉落均可能摩擦產(chǎn)生靜電，靜電積聚到一定程度就會發(fā)生放電現(xiàn)象，引燃氣瓶內(nèi)部油脂。油脂在高壓氧氣的作用下快速燃燒，使瓶內(nèi)壓力迅速升高，從而引發(fā)化學(xué)爆炸。

經(jīng)調(diào)查，此氣瓶不存在不同氣體混裝的情況，氣瓶油脂應(yīng)為工人在運輸、使用過程中所沾染的油污。

4 結(jié)論

1）氧氣瓶爆炸屬于化學(xué)爆炸。

2）氣瓶內(nèi)表面存在可燃物油脂，卸車時產(chǎn)生的靜電將其點燃，引發(fā)氣瓶爆炸。