4起混合气体气瓶爆炸事故原因分析正式.docx

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4起混合气体气瓶爆炸事故原因分析正式

4起混合气体气瓶爆炸事故原因分析（正式）

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KG-AO-5953-50

4起混合气体气瓶爆炸事故原因分析（正式）

使用备注：

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　　1　事故简介

　　20xx年1月29日和20xx年3月29日，江苏省泰州市、南京市先后发生两起盛装混合气体的钢质无缝气瓶爆炸事故。

事故调查期间，20xx年5月20日和20xx年5月21日上述两地又各发生1起同类气瓶爆炸事故。

经现场勘察，4起事故在气瓶类型、盛装介质、工作状况、爆炸原因和气瓶残留物形貌等各方面极其相似：

钢瓶公称容积70L、设计压力15MPa、瓶体材质37Mn、盛装介质50%N2+42%Ar+8%CO2、工作压力15MPa（G，下同）、投用年限3~4年、使用期间均未进行过定期检验。

　　现以20xx年3月29日气瓶爆炸事故为例，对事故原因进行分析，并提出防范建议。

　　2　宏观特征分析

　　气瓶爆破断裂形貌如图1所示。

爆炸导致的瓶体开裂主要沿轴向发展，瓶体变形并向两侧展开，一侧的中部出现皱褶；钢瓶内壁存在多处点状腐蚀，直径为2.0~3.0mm，深度为0.5~1.0mm。

观察瓶体底部起向上300mm范围内的断口，沿壁厚方向由内向外有明显颜色差异：

壁厚内层区域（约1/3壁厚）呈污白色，无金属光泽，有向外壁发散的放射状条纹，为爆炸前已存在的陈旧断口，且在该层面存在大量的二次裂纹；壁厚中层区域（约1/3壁厚）颜色由污白色渐变为青灰色，同时逐渐出现金属光泽；壁厚外层区域具有纤维状特征，颜色为青灰色，具有金属光泽，为新鲜断口，如图2所示。

　　由钢瓶底部300mm左右起以上的断口均为过载快速扩展撕裂韧性新鲜断口，如图3所示。

　　由断口宏观特征判断：

钢瓶下部300mm范围内的陈旧性断口是引起爆炸的启裂源。

始裂区断口具有一定的应力腐蚀开裂特征，根据充装介质及断口整体特征分析，应属于物理爆炸。

　　3　瓶体材质化学成分分析

　　从气瓶破裂部位边缘取样，用化学分析法分析其成分，结果见表1。

　　由表1可见，气瓶材质符合要求，且在使用中未发生质变。

　　4　微观断口分析

　　在气瓶下部和上部破裂边缘部位分别取样进行微观断口分析。

　　4.1　扫描电镜分析（SEM）

　　扫描电镜分析特征如图4所示。

钢瓶下部试样断口内壁发现大量启裂源，形貌见图4（a）。

裂纹自内壁起，呈放射状向外壁扩展，并在扩展过程中衍生多处二次裂纹[见图4（b）]，表现出“穿晶解理”断裂的特征，与应力腐蚀开裂有关。

裂纹在向外壁扩展了2mm左右后，扩展方向发生偏转。

在近内壁处，还能观察到材料内部沿着轧制带发生的粗大二次开裂[见图4（c）]，可能与氢扩散到内部有关。

　　断口近外壁部分与主断裂面呈约45°，为剪切唇。

因其为新生断口，故见具有一定方向的韧窝特征，大韧窝内壁有蛇形花样[见图4（d）]，韧窝大小不均，与晶粒大小以及夹杂物大小和数量有关，表明这个部位发生韧性断裂。

这是由于裂纹扩展使得壁厚不再具有承载能力而发生瞬断。

　　钢瓶上部试样断口从内壁到外壁均表现为塑性断裂的韧窝特征，与图4（d）相同。

说明该部位发生韧性断裂，没有受到腐蚀影响。

　　4.2　能谱分析（EDS）

　　SEM检查中发现内壁附近断口表面覆盖有大量的腐蚀产物，如图5、6所示。

对断口内壁启裂位置腐蚀产物表面的附着物成分进行能谱分析，分析结果如图7所示。

　　EDS分析结果表明，腐蚀产物中含有氧、硫、氯、钠等元素。

这些元素及其化合物的存在都会对气瓶材料造成腐蚀。

断口表面存在的大量腐蚀产物表明：

钢瓶内存在一定量水分，且水分中含有的物质较复杂，不仅有二氧化碳溶液，还存在氯、硫等元素。

可以推断，气瓶破坏与二氧化碳—水环境下应力腐蚀开裂有关。

　　5　瓶体材料金相分析

　　试样取自气瓶断口处，在试样距断口约5m处内壁观察到一条较深的裂纹。

该裂纹始于内壁向外壁扩展，且已经超过壁厚的1/2。

从裂纹尖端看，开裂以穿晶为主，伴有沿晶，如图8所示。

另外还观察到由瓶底起至2/3高度的内壁存在较多的腐蚀凹坑，并已出现一定数量源于凹坑的微裂纹，裂纹的扩展也是以穿晶为主，伴有沿晶特征，如图9所示。

　　瓶体材料组织为索氏体组织。

内壁附近组织中有明显的轧制条带，中壁和外壁不明显，这些部位一般是杂质易聚集区域。

杂质的存在不但会降低材料的抗腐蚀性能，而且还会成为氢陷阱，导致氢在此聚集，造成开裂。

　　6　气体成分分析

　　取同批充装的在用气瓶进行瓶内气体成分分析，结果见表2。

分析结果表明：

瓶内气体中含有微量水分。

　　7　爆炸原因分析

　　根据以上分析可以明确，初始裂纹启于气瓶下部300mm范围内的内壁，并不断扩展。

由于承受内压的钢瓶环向应力最大，当有效承载面积不足以承受内压时发生突然爆炸，爆炸导致的开裂沿着与环向应力垂直的方向（轴向）迅速扩展。

　　始裂处之所以发生在气瓶下部，是由于瓶中混合气体含有一定量的水分，且气瓶长期竖直放置使所含水分逐渐向气瓶下部聚集，在气瓶下部生成含二氧化碳—水、氯、硫、钠、氧的腐蚀性溶液，对瓶体材料产生腐蚀，这与电镜观察时发现在内壁有较多启裂源的结果和EDS对断口上附着腐蚀产物中含有的氧、硫、氯、钠（碱）和碳等元素的分析结果是一致的。

氧、硫、氯、钠等对金属材料的腐蚀作用已很显然，不再赘述。

二氧化碳—水的环境同样会造成金属材料的腐蚀，其腐蚀机理如下：

　　Fe→Fe2++2e-

　　Fe+HCO3-→FeCO3+2e-+H+

　　Fe+CO32-→FeCO3+2e-

　　上述阳极反应的发生使金属表面渐被腐蚀，气瓶内壁出现腐蚀凹坑。

腐蚀凹坑不仅加剧腐蚀的速率，还会造成应力集中。

腐蚀介质强的部位在腐蚀介质和瓶壁（尤其是内壁）应力共同作用下产生应力腐蚀，气瓶内壁局部金属溶解，导致气瓶内壁应力腐蚀开裂。

金相分析清楚表明：

内壁裂纹是从腐蚀凹坑处起裂的，且内壁裂纹主要以穿晶为主，伴有少量的沿晶开裂。

　　另外，瓶体材料中存在轧制条带，而且靠近内壁附近较多，轧制条带一般为杂质易聚集区域。

在

　　气瓶使用中介质与瓶体金属发生阳极反应生成的氢，以原子态扩散进入材料，并在杂质带部位聚集，形成氢致裂纹，加剧应力腐蚀开裂。

宏观断口和微观断口分析表现出的沿杂质带的二次裂纹正说明了这一点。

　　综上所述，气瓶的失效是多种腐蚀因素综合作用的结果，主要因素是应力腐蚀，随着应力腐蚀裂纹的产生和不断扩展达到一定深度后，剩余有效承载壁厚不足以承受内压，导致瓶体破裂。

　　8　防范措施

　　目前，国内在各行业使用的含二氧化碳成分的混合气体的钢质无缝气瓶为数较多，为保证安全使用，建议采取以下措施：

（1）对在用的此类气瓶进行全面检查，如无法确定瓶内气体的水含量，应对已连续使用2年以上

　　的气瓶做暂时性撤换；对撤换下的气瓶逐只进行以超声波检测和耐压试验为主的技术检验，确认其可靠性。

（2）气瓶充装前，必须对瓶内进行干燥处理，充装混合气体的水含量应严格控制在相应气体技术标准规定的范围内。

　　（3）建议新选用气瓶的设计压力较实际使用压力高一等级，以降低瓶壁使用应力水平。

　　（4）加强对气瓶、安全附件的定期安全技术检验的管理和监督。

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