王友紅 黃 崧 李 斌 曹祖東 陳 杰

(1.重慶市特種設(shè)備檢測(cè)研究院 重慶 401121)

(2.國(guó)家壓縮天然氣（CNG）氣瓶質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心 重慶 401120)

氣瓶是用于盛裝氧氣、氫氣、二氧化碳等壓縮氣體或液化氣體的包裝容器，已廣泛地應(yīng)用于機(jī)械、石油、化工、消防、醫(yī)療、清潔能源汽車(chē)等領(lǐng)域，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)的建設(shè)發(fā)揮著十分重要的作用。近年來(lái)，我國(guó)已發(fā)生多起氣瓶爆炸事故［1－4］，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，氣瓶的安全問(wèn)題至關(guān)重要。

截至2020年底，我國(guó)氣瓶數(shù)量已達(dá)到1.79億只，基數(shù)龐大，且常用來(lái)主裝易燃、易爆、有毒的危險(xiǎn)化學(xué)品，公稱壓力大，一旦發(fā)生事故，極易給人們生命財(cái)產(chǎn)安全造成損失。對(duì)現(xiàn)有事故進(jìn)行分析，找到事故原因，對(duì)避免同類氣瓶在使用過(guò)程中出現(xiàn)安全問(wèn)題具有重要意義。

本文對(duì)一起鋁合金氧氣瓶爆炸案例進(jìn)行分析，該事故具體情況為：在2019年某日凌晨，某住宅小區(qū)6樓一房間發(fā)生火災(zāi)事故，事故中2只醫(yī)用鋁合金氧氣瓶先后發(fā)生爆炸（時(shí)間間隔約5 min），造成1名老人死亡。本文通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察與理論計(jì)算等方法，分析了事故原因。

1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況

失火住宅為三室一廳，其起火房間為居住老人的臥室，示意圖如圖1所示。起火房間內(nèi)墻體和天花板均有不同程度的破壞，2只爆炸的氧氣瓶分別位于墻體1靠門(mén)處和墻體2靠窗處，見(jiàn)圖2。

圖1 住宅結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 事故發(fā)生后破壞的墻體及氧氣瓶位置情況

現(xiàn)場(chǎng)的2只氧氣瓶為老人生前用來(lái)吸氧的鋁合金無(wú)縫氧氣瓶，根據(jù)氣瓶瓶肩處的鋼印信息，可查得氣瓶由國(guó)內(nèi)某公司生產(chǎn)，產(chǎn)品制造標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 11640—2001《鋁合金無(wú)縫氣瓶》，于2002年11月制造，材料為6061－T6鋁合金（固溶＋時(shí)效處理），分別于2018年、2019年進(jìn)行定期檢驗(yàn)，氣瓶詳細(xì)信息見(jiàn)表1。

表1 氣瓶詳細(xì)信息

現(xiàn)場(chǎng)勘驗(yàn)顯示，1#氣瓶瓶體已嚴(yán)重破壞，斷口呈剪切狀，斷口實(shí)測(cè)壁厚為9.1 mm，無(wú)明顯減薄，未發(fā)現(xiàn)瓶體其他宏觀可見(jiàn)缺陷。在室內(nèi)床墊彈簧上發(fā)現(xiàn)瓶體另一塊殘片，該殘片局部呈燒熔狀態(tài)，見(jiàn)圖3。2#氣瓶瓶體已嚴(yán)重破壞，其上半部呈撕裂狀，瓶體實(shí)測(cè)壁厚為9.2 mm，斷口處實(shí)測(cè)壁厚為5.6 mm，有減薄現(xiàn)象，未發(fā)現(xiàn)瓶體其他宏觀可見(jiàn)缺陷，見(jiàn)圖4。氣瓶?jī)?nèi)部均未發(fā)現(xiàn)有燃燒痕跡。

圖3 破壞后的1#氣瓶

圖4 破壞后的2#氣瓶

2只氣瓶的閥門(mén)除塑料手柄損壞外，其余部分外觀均無(wú)異常。拆下集成在瓶閥上的安全泄放裝置，該氣瓶設(shè)置的安全泄放裝置為爆破片，爆破片未發(fā)生破裂，見(jiàn)圖5。

圖5 1#氣瓶的瓶閥與爆破片

2 事故原因分析

事故現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生嚴(yán)重火災(zāi)，救火人員進(jìn)入房間滅火使用了大量消防水，現(xiàn)場(chǎng)凌亂，勘察較為困難?，F(xiàn)結(jié)合勘察和調(diào)查情況分析如下：

1）氣瓶是2天前送到老人家中，該氣瓶經(jīng)過(guò)主裝、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用均未發(fā)生異常，現(xiàn)場(chǎng)勘察瓶?jī)?nèi)未發(fā)現(xiàn)燃燒痕跡，排除了瓶?jī)?nèi)有油脂的可能性。氣瓶已使用近16年，進(jìn)行了多次定期檢驗(yàn)合格；1#氣瓶最近一次檢驗(yàn)是2019年3月，2#氣瓶最近一次檢驗(yàn)是2018年6月，均有檢驗(yàn)合格的鋼印，且在檢驗(yàn)有效期內(nèi)。

2）事故房間發(fā)現(xiàn)數(shù)條香煙和打火機(jī)、酒精燈等物品。調(diào)取該住宅1樓的視頻監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，發(fā)生第1次爆炸后，樓道內(nèi)的聲控?zé)袅疗穑s5 s后，大量的火星從樓上落下；約5 min后，發(fā)生了第2次爆炸。如果是氣瓶發(fā)生爆炸進(jìn)而才導(dǎo)致火災(zāi)的話，1樓監(jiān)控視頻里首先出現(xiàn)的應(yīng)該是被爆炸沖擊波吹出的房?jī)?nèi)雜物而不是大量的火星。視頻監(jiān)控的事實(shí)主分說(shuō)明，事故房間是有火災(zāi)在先，而后導(dǎo)致氣瓶爆炸。

3）1#氣瓶瓶體底部及下半部有明顯火燒痕跡，瓶體有鼓脹現(xiàn)象，斷口呈剪切狀，壁厚無(wú)明顯減薄，瓶體撕裂部分已飛出，爆炸能量相對(duì)較大。可推測(cè)該氣瓶瓶?jī)?nèi)余壓較高（送達(dá)后尚未使用或較少使用），氣瓶底部受火后導(dǎo)致瓶?jī)?nèi)氣體溫度升高、壓力增大；同時(shí)瓶體材料受火后溫度升高導(dǎo)致瓶體材料強(qiáng)度下降；瓶?jī)?nèi)壓力升高與瓶體強(qiáng)度下降到一定程度，導(dǎo)致氣瓶發(fā)生爆炸；同時(shí)，可以推測(cè)是1#氣瓶首先發(fā)生爆炸。查閱《中國(guó)材料工程大典（第4卷）：有色金屬材料工程（上）》［5］中第 9章表 2.9－12的 6061－T6合金的強(qiáng)度隨溫度變化的性能，見(jiàn)表2。

表2 6061-T6合金在不同溫度下的典型抗拉性能

由表2可看出，隨著溫度的上升，6061－T6鋁合金材料的抗拉強(qiáng)度急劇下降。24 ℃時(shí)為310 MPa，149 ℃時(shí)為 234 MPa，下降 24.5%；204 ℃時(shí)為131 MPa，下降57.7%；260 ℃時(shí)為51 MPa，下降83.5%。材料抗拉強(qiáng)度的下降直接導(dǎo)致氣瓶爆破壓力降低，根據(jù)GB/T 11640—2001［6］可按式（1）計(jì)算氣瓶在不同溫度下的爆破壓力。

式中：

Pb——?dú)馄勘茐毫Γ?/p>

σb——鋁合金材料抗拉強(qiáng)度；

Do——?dú)馄客鈴剑?/p>

S——瓶體壁厚。

計(jì)算結(jié)果如圖6所示，由圖6可看出，隨著瓶體溫度逐漸升高，氣瓶的計(jì)算爆破壓力迅速下降；瓶體材料溫度在24 ℃時(shí)氣瓶的計(jì)算爆破壓力約為37.6 MPa，而在260 ℃時(shí)計(jì)算爆破壓力約為6.2 MPa。1#氣瓶瓶體底部及下半部受火，造成瓶體局部溫度升高，金屬材料強(qiáng)度下降，而瓶?jī)?nèi)氧氣壓力逐漸上升。當(dāng)瓶?jī)?nèi)壓力上升達(dá)到此狀態(tài)下氣瓶爆破壓力時(shí)，氣瓶發(fā)生爆炸。

圖6 1#氣瓶爆破壓力與溫度曲線圖

4）2#氣瓶瓶體表面有大面積火燒痕跡，瓶體有鼓脹現(xiàn)象，斷口壁厚為5.6 mm，有減薄現(xiàn)象。瓶體上部撕裂（未脫離瓶體），說(shuō)明爆炸能量相對(duì)較小，爆炸時(shí)瓶?jī)?nèi)壓力應(yīng)相對(duì)較低?？赏茰y(cè)該氣瓶著火前瓶?jī)?nèi)余壓相對(duì)較低（送達(dá)后應(yīng)是首先使用2天），房間著火后瓶體受火時(shí)間更長(zhǎng)，造成瓶體表面有大面積火燒痕跡，瓶體材料強(qiáng)度下降更為明顯，瓶體有鼓脹現(xiàn)象，瓶體壁厚減薄。著火后瓶?jī)?nèi)氧氣壓力逐漸升高，瓶?jī)?nèi)壓力升高與瓶體強(qiáng)度下降到一定程度（瓶體壁厚5.6 mm）時(shí)，氣瓶發(fā)生爆炸。2#氣瓶爆破壓力計(jì)算結(jié)果如圖7所示，由圖7可看出，壁厚為5.6 mm的氣瓶，瓶體溫度在24 ℃時(shí)氣瓶的計(jì)算爆破壓力約為22.6 MPa，在204 ℃時(shí)計(jì)算爆破壓力約為9.6 MPa，而在260 ℃時(shí)計(jì)算爆破壓力約為3.7 MPa。當(dāng)瓶?jī)?nèi)壓力上升達(dá)到此狀態(tài)下氣瓶爆破壓力時(shí)，氣瓶發(fā)生爆炸。

圖7 2#氣瓶爆破壓力與溫度曲線圖

3 討論

綜合以上分析，事故房間內(nèi)因其他原因發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)導(dǎo)致房?jī)?nèi)的氧氣瓶受火，瓶體強(qiáng)度降低而瓶?jī)?nèi)壓力升高，當(dāng)瓶?jī)?nèi)壓力上升達(dá)到此狀態(tài)下氣瓶爆破壓力時(shí)，氣瓶發(fā)生爆炸。1#氣瓶瓶?jī)?nèi)氧氣余壓較高，受火后先發(fā)生爆炸，瓶?jī)?nèi)氧氣外泄加劇了火勢(shì)，約5 min后2#氣瓶發(fā)生爆炸。

TSG 23—2021《氣瓶安全技術(shù)規(guī)程》［7］中7.2.2條關(guān)于安全泄壓裝置安全要求，僅規(guī)定了安全泄壓裝置的裝設(shè)和選用的基本原則，對(duì)鋁合金氧氣瓶是否裝設(shè)安全泄壓裝置未做出明確的規(guī)定，僅在7.2.2.2條9）中說(shuō)明“依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及設(shè)計(jì)文件要求裝設(shè)安全泄壓裝置”。在《氣瓶安全技術(shù)規(guī)程》釋義［8］中也對(duì)該條進(jìn)行了進(jìn)一步說(shuō)明，明確從最惡劣的后果考慮，為了防止氣瓶在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)發(fā)生爆炸，避免災(zāi)情的擴(kuò)大、惡化，大多數(shù)氣瓶還是以裝設(shè)安全泄壓裝置為宜。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委于2016年12月13日發(fā)布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 33215—2016《氣瓶安全泄壓裝置》［9］，規(guī)定了氣瓶安全泄放裝置的類型、結(jié)構(gòu)型式、設(shè)置原則、選用原則、基本要求等，以保證氣瓶在意外高溫的環(huán)境狀態(tài)下能自動(dòng)迅速排氣泄壓，保護(hù)瓶體不致爆破。但GB/T 33215—2016的設(shè)置原則和選用原則也沒(méi)有對(duì)鋁合金氣瓶的安全泄放裝置做出明確的規(guī)定，同時(shí)GB/T 11640—2001中也未對(duì)安全泄放裝置做出明確的規(guī)定。為防止類似事故的再次發(fā)生，保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全，建議在GB/T 33215—2016或GB/T 11640—2001中，明確規(guī)定鋁合金氣瓶的安全泄放裝置應(yīng)為溫度型與壓力型（易熔合金塞與爆破片）的并聯(lián)復(fù)合裝置，以保證氣瓶在意外高溫或超壓的狀態(tài)下能自動(dòng)排氣泄壓，保護(hù)瓶體不致爆破。同時(shí)，作為醫(yī)護(hù)用品的氧氣瓶已走進(jìn)千家萬(wàn)戶，加強(qiáng)氧氣瓶安全使用知識(shí)的專業(yè)培訓(xùn)尤為重要。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)一起鋁合金氧氣瓶爆炸案例進(jìn)行分析，得出了事故原因，并提出相應(yīng)預(yù)防措施：

1）火災(zāi)是導(dǎo)致氣瓶發(fā)生爆炸的最直接原因。因其他原因事故房間內(nèi)發(fā)生火災(zāi)，火災(zāi)導(dǎo)致房?jī)?nèi)的氧氣瓶受火，瓶體強(qiáng)度降低而瓶?jī)?nèi)壓力升高，當(dāng)瓶?jī)?nèi)壓力上升達(dá)到此狀態(tài)下氣瓶爆破壓力時(shí)，氣瓶發(fā)生爆炸。1#氣瓶瓶?jī)?nèi)氧氣余壓較高，受火后先發(fā)生爆炸，瓶?jī)?nèi)氧氣外泄加劇了火勢(shì)，約5 min后2#氣瓶發(fā)生爆炸。

2）建議在法規(guī)中明確規(guī)定鋁合金氣瓶的安全泄放裝置應(yīng)為溫度型與壓力型（易熔合金塞與爆破片）的并聯(lián)復(fù)合裝置，以保證氣瓶在意外高溫或超壓的狀態(tài)下能自動(dòng)排氣泄壓，保護(hù)瓶體不致爆破。