氮?dú)鈨?chǔ)罐破裂失效原因分析

石生芳 浦 哲 左延田 顧福明

上海市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院 （上海 200062）

某氣瓶充裝站發(fā)生一起氮?dú)鈨?chǔ)罐爆炸事故，事故造成一人輕傷，部分廠房墻體、屋頂?shù)顾１ㄔ斐傻獨(dú)夤奁屏?，罐體上部主要?dú)報(bào)w沿東南方向飛落至距原位置35 m的馬路上，罐體下部碎裂成幾塊，與氮?dú)夤尴噙B的所有管道也都被拉斷。氮?dú)夤藁緟?shù)：儲(chǔ)罐直徑為2 000 mm，筒體壁厚為30 mm，容積為25 m3，介質(zhì)為氮?dú)?，設(shè)計(jì)溫度為50℃，設(shè)計(jì)壓力為2.7 MPa，材質(zhì)為16 MnR，安全閥整定壓力為2.6 MPa。

1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

該氣瓶充裝站內(nèi)有低溫液氧和低溫液氮供氣系統(tǒng)各一套，每個(gè)系統(tǒng)分別由低溫儲(chǔ)罐、低溫液體泵、空溫式汽化器、儲(chǔ)氣罐以及管道等組成。爆炸造成氮?dú)夤奁屏?，主要?dú)報(bào)w頂部封頭和第一節(jié)筒身無(wú)可見(jiàn)變形，頂部封頭沿吊耳處開(kāi)裂，罐體下部分碎裂成幾塊，殘?bào)w厚度未見(jiàn)明顯減??；氮?dú)夤逇報(bào)w的斷口基本平齊，無(wú)明顯剪切唇。氮?dú)夤揄敳堪惭b的安全閥基本完好無(wú)損，無(wú)開(kāi)啟痕跡。該氣瓶充裝站內(nèi)2套供氣系統(tǒng)從3年前安裝完畢一直使用至今，自使用以來(lái)氮?dú)庀牧恐鹉赀f增，事發(fā)前汽化器基本上處于高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，爆炸當(dāng)日流量更是高達(dá)680 m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)汽化器的設(shè)計(jì)流量（600 m3/h）。爆炸當(dāng)日，當(dāng)?shù)氐淖畹蜏囟冗_(dá)到了-4.9℃，濕度41%，風(fēng)速只有0.8 m/s，惡劣的氣候條件加劇了汽化器的結(jié)冰（霜）情況。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員描述，事發(fā)前低溫液氮供氣系統(tǒng)的壓力表顯示均正常，但是整個(gè)汽化器和連通氮?dú)夤薜墓艿蓝家呀Y(jié)冰。

2 檢驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

2.1 宏觀檢測(cè)

氮?dú)夤匏槠鐖D1所示，斷面粗糙，呈黃褐銹蝕色，近外圓側(cè)斷面上可見(jiàn)向外平行分布的放射狀臺(tái)階，內(nèi)圓側(cè)斷面“人”字形擴(kuò)展花紋橫向分布，大約占整個(gè)斷面面積的2/3。

圖1 氮?dú)夤迶嗝婧暧^形貌

2.2 理化檢驗(yàn)

2.2.1 化學(xué)成分

在氮?dú)夤薰摅w碎片上取樣，進(jìn)行光譜分析，其化學(xué)成分符合相關(guān)技術(shù)要求（GB 713—2008《鍋爐和壓力容器用鋼板》）[1], 結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2.2 強(qiáng)度試驗(yàn)

在罐體上部縱向截取拉伸試樣，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2，符合GB 713—2008中16MnR相關(guān)技術(shù)條件。

表1 罐體的化學(xué)成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表2 罐體強(qiáng)度

2.2.3 沖擊試驗(yàn)

對(duì)該材料在20（常溫），0，-20及-40℃下進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 材料在不同溫度下的沖擊試驗(yàn)值

該材料在常溫、0℃下的沖擊吸收功遠(yuǎn)大于31 J，在-20℃下的沖擊吸收功大于24 J，均滿足GB 713—2008中16MnR的相關(guān)技術(shù)要求。但在-40℃時(shí)的沖擊吸收功為13 J，小于GB 150—2011《壓力容器》[2]附錄C中規(guī)定的20 J。

2.3 掃描電鏡分析

2.3.1 常溫沖擊斷面

圖2為常溫下沖擊斷面低倍形貌 （二次電子圖像），斷面比較粗糙，凹凸不平。圖3為高倍下形貌,斷面呈韌窩形貌，表明為韌性斷裂。

2.3.2 低溫（-20℃）沖擊斷面

低溫沖擊斷面低倍下的形貌如圖4所示，可見(jiàn)斷面層狀起伏。高倍下可見(jiàn)斷面呈解理狀，有多條沿解理面的二次裂紋，呈脆性形態(tài)，如圖5所示。

2.3.3 氮?dú)夤迶嗝?/p>

氮?dú)夤迶嗝娼?jīng)清洗后低倍下的形貌如圖6所示，斷面層片狀起伏，表面覆有氧化層。高倍下形貌如圖7所示，局部氧化物剝離區(qū)域的斷面呈解理形貌，沿解理面分布著二次裂紋，呈脆性形態(tài)。

2.4 金相分析

圖2 常溫沖擊斷面低倍形貌（SEI）

圖3 常溫沖擊斷面高倍形貌（SEI）

圖4 低溫沖擊斷面低倍形貌（SEI）

圖5 低溫沖擊斷面高倍形貌（SEI）

氮?dú)鈨?chǔ)罐斷面低倍拋光態(tài)下的形貌（未浸蝕）如圖8所示，與斷面平行的內(nèi)部橫向裂縫較多。斷面經(jīng)4%硝酸酒精溶液浸蝕后的形貌如圖9所示,可見(jiàn)內(nèi)裂紋穿晶發(fā)展，組織為珠光體+鐵素體，呈帶狀偏析。

3 汽化器運(yùn)行情況

圖6 氮?dú)夤迶嗝娴捅缎蚊玻⊿EI）

圖7 氮?dú)夤迶嗝娓弑缎蚊玻⊿EI）

圖8 氮罐斷面處微觀組織形貌（未浸蝕）

圖9 氮罐斷面處微觀組織形貌（浸蝕后）

根據(jù)該氣瓶充裝站的用氮量記錄分析,若按每天12 h計(jì)算，則平均用氮量為193.8～316.6 m3/h，遠(yuǎn)低于汽化器的設(shè)計(jì)汽化能力，引發(fā)事故的可能性不大。但是，也不排除某段時(shí)間存在集中用氮的可能，或者是汽化器在嚴(yán)重結(jié)霜情況下持續(xù)運(yùn)行的可能。使用方在事發(fā)日記錄的用氮量分別為600及680 m3/h，已達(dá)到或大于汽化器的設(shè)計(jì)汽化量，從該氣瓶充裝站運(yùn)行情況看，汽化器這段時(shí)間一直在高負(fù)荷下運(yùn)行，事發(fā)前最大氮流量為680 m3/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其設(shè)計(jì)流量（600 m3/h）。汽化器翅片管表面嚴(yán)重結(jié)冰（霜），導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低，從而使汽化器出口氣體溫度迅速降低。分析表明，在670 m3/h介質(zhì)流量下，當(dāng)平均結(jié)霜厚度達(dá)27 mm時(shí)，汽化器出口就會(huì)出現(xiàn)帶液現(xiàn)象[3]。

4 結(jié)論

（1）從現(xiàn)場(chǎng)檢查情況來(lái)看，氮?dú)夤揄敳堪惭b的安全閥基本完好無(wú)損，無(wú)開(kāi)啟痕跡，因此氮?dú)夤蕹瑝阂鸨ǖ目赡苄钥梢员慌懦?/p>

（2）氮?dú)鈨?chǔ)罐材料的化學(xué)成分符合GB 713—2008中16MnR的相關(guān)技術(shù)要求。

（3）通過(guò)力學(xué)性能測(cè)試、電鏡和金相分析可以看出，常溫下沖擊斷面為韌窩狀韌性斷面，而氮?dú)鈨?chǔ)罐殘?bào)w的斷面形貌與低溫沖擊斷面相似，為解理脆性開(kāi)裂，內(nèi)部有多條裂紋。由此可推斷，氮?dú)鈨?chǔ)罐的破裂為低溫下由內(nèi)向外的脆性開(kāi)裂。

（4）由于汽化器設(shè)計(jì)方?jīng)]有保證充分的安全余量，汽化器使用時(shí)長(zhǎng)期連續(xù)超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，導(dǎo)致翅片管表面結(jié)霜嚴(yán)重，使得部分來(lái)不及汽化的液氮和氮?dú)庖黄疬M(jìn)入汽化器下游的氮?dú)鈨?chǔ)罐內(nèi)，致使其底部?jī)?nèi)壁溫度達(dá)到該材料的冷脆轉(zhuǎn)變溫度，造成低溫下罐體材料脆性斷裂，引起破裂。

5 建議

GB 27550—2011《氣瓶充裝站安全技術(shù)條件》[4]中8.4條明確規(guī)定，若汽化器出口溫度低于-30℃及超壓時(shí)，應(yīng)有報(bào)警及聯(lián)鎖停泵裝置。GB 16912—2008《深度冷凍法生產(chǎn)氧氣及相關(guān)氣體安全技術(shù)規(guī)程》[5]第6.7.6條規(guī)定:低溫液體汽化器出口應(yīng)設(shè)溫度過(guò)低報(bào)警聯(lián)鎖裝置，汽化器出口的氣體溫度應(yīng)不低于-10℃。因此，建議新建和在用空溫式汽化器出口均配備或加裝報(bào)警及聯(lián)鎖停泵裝置，避免該類事故再次發(fā)生。目前我國(guó)關(guān)于空溫式汽化器既無(wú)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，也無(wú)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，空溫式汽化器的設(shè)計(jì)、制造、使用和維護(hù)都處于無(wú)據(jù)可依和無(wú)約束的狀態(tài)，這起事故的發(fā)生在很大程度上歸因于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)不健全。建議有關(guān)部門盡快制定和完善相關(guān)政策法規(guī)，對(duì)空溫式汽化器的設(shè)計(jì)依據(jù)、設(shè)計(jì)余量、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、安全系統(tǒng)、除霜系統(tǒng)及操作規(guī)程等都進(jìn)行必要的規(guī)定。