液化石油氣鋼瓶爆炸原因分析

王華明，劉小平，余江涌，羅金，陳顯彬，孫一平

（1.湖南省特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測研究院， 湖南 長沙 410117）

（2.深圳中集天達(dá)空港設(shè)備有限公司， 廣東 深圳 518103）

液化石油氣鋼瓶作為我國居民常用燃?xì)鈨Υ嫒萜?，與家家戶戶生命財產(chǎn)的安全息息相關(guān)，每年國內(nèi)出現(xiàn)的液化石油氣鋼瓶使用不當(dāng)發(fā)生爆炸的事故不在少數(shù)。2018年9月某市一居民家液化石油氣鋼瓶發(fā)生爆炸，導(dǎo)致房屋和部分財產(chǎn)受損。爆炸現(xiàn)場，廚房東北向墻角一墻體被炸開，窗戶玻璃被震碎，家用物件散亂。

本文通過資料審查、宏觀檢驗(yàn)、壁厚測定、斷口電鏡分析、理化試驗(yàn)、爆破試驗(yàn)和能譜分析，結(jié)合數(shù)值模擬，分析液化石油氣鋼瓶爆炸的原因。

1 技術(shù)參數(shù)

根據(jù)制造單位提供的設(shè)計(jì)文件、質(zhì)量證明書，鋼瓶技術(shù)參數(shù)如下：

表1 主要技術(shù)參數(shù)

圖1 液化石油氣鋼瓶結(jié)構(gòu)示意圖

2 資料審查

通過審查設(shè)計(jì)文件、型式試驗(yàn)報告、焊接工藝評定報告、熱處理工藝評定報告等質(zhì)量技術(shù)檔案均符合相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。鋼瓶制造廠對鋼瓶制造過程的質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格控制，未發(fā)現(xiàn)不合格項(xiàng)。

3 宏觀檢驗(yàn)

爆炸后，鋼瓶斷裂成上下兩部分，鋼瓶爆破口呈工字型，上封頭過渡區(qū)以上部分沿圓周方向整圈脫離，下封頭過渡區(qū)以下部分沿圓周方向整圈撕裂，僅部分跟下封頭主體連接，上下封頭主體縱向貫穿性撕開。通過對鋼瓶爆炸殘樣宏觀檢查，內(nèi)表面未見明顯腐蝕現(xiàn)象，見圖2。斷口呈45°剪切狀，屬于塑性斷裂形態(tài)，見圖3。

圖2 爆炸鋼瓶形貌

圖3 爆炸鋼瓶內(nèi)表面

4 壁厚測定

對鋼瓶上封頭脫離部分進(jìn)行測量，厚度為：2.1～2.7mm，中間部位沿周向測量，厚度為：2.5～2.8mm，斷口邊緣部位測量，厚度為：1.83～2.02mm；對下封頭即將脫離部分中間部位沿周向測量，厚度為：2.2～2.7mm，斷口邊緣部位測量，厚度為：2.1～2.4mm。通過壁厚測定數(shù)據(jù)分析，表明斷口撕裂部位被嚴(yán)重拉伸減薄。

5 斷口電鏡分析

取上封頭壁厚測量值最小處斷口部位進(jìn)行分析，斷裂從內(nèi)表面起始與厚度方向約45°向外開裂，對斷口進(jìn)行電鏡分析，斷口為拉伸斷口，形貌為剪切韌窩，形狀為某一方向拉長的韌窩，見圖4、圖5，表明鋼瓶材料受到過大拉伸應(yīng)力，屬于塑性斷裂，與宏觀檢驗(yàn)結(jié)果相符。

圖4 電鏡分析 1000×

圖5 電鏡分析 3000×

6 理化試驗(yàn)

6.1 化學(xué)成分分析

對鋼瓶完好部位取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表2。分析結(jié)果表明，鋼瓶使用的材料HP295的化學(xué)成分符合GB5842-2006《液化石油氣鋼瓶》6.2的規(guī)定。

6.2 金相顯微組織分析

鋼瓶母材金相組織：母材金相組織如圖6、圖7所示，為塊狀鐵素體+珠光體，呈帶狀分布。

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果

圖6 母材金相組織 100×

圖7 母材金相組織 500×

鋼瓶焊縫金相組織：焊縫基體（母材）金相組織為鐵素體+珠光體，呈帶狀分布，見圖8、圖9，且可以觀察到因外力作用引起的滑移導(dǎo)致的晶粒變形。焊縫金相組織為白色鐵素體沿柱狀晶界分布，少量無碳貝氏體由晶界向晶內(nèi)生長，晶內(nèi)為針狀鐵素體及少量珠光體，見圖10。熱影響區(qū)金相組織為塊狀、針狀鐵素體+珠光體，晶粒粗大，魏氏組織評定4級，見圖11。符合CJ/T 38-1991《液化石油氣鋼瓶金相組織評定》的規(guī)定。

圖8 焊縫基體（母材）金相組織 100×

圖9 焊縫基體（母材）金相組織 500×

圖10 焊縫金相組織 500×

圖11 熱影響區(qū)金相組織 500×

6.3 力學(xué)性能試驗(yàn)

對鋼瓶取樣進(jìn)行母材拉伸、焊接接頭拉伸、焊接接頭面彎和焊接接頭背彎試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表3。通過對比分析，可知鋼瓶爆炸后，母材拉伸試驗(yàn)中無明顯屈服點(diǎn)，伸長率大大降低。

表3 力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

7 能譜分析

對鋼瓶斷口和瓶閥內(nèi)表面取樣進(jìn)行能譜分析，結(jié)果見圖12、表13。結(jié)果表明：斷口表面并無其他可疑介質(zhì)成分；瓶閥內(nèi)表面含有較高的Na+和Cl-，與事故發(fā)生后的現(xiàn)場環(huán)境有關(guān)。

圖12 斷口能譜分析元素含量

圖13 閥門內(nèi)表面能譜分析元素含量

8 有限元數(shù)值分析

通過有限元對鋼瓶在正常工況及爆破壓力下的應(yīng)力分布情況進(jìn)行分析。

8.1 數(shù)值模型

模型鋼瓶瓶體高度為680mm，瓶體外徑為314mm，壁厚為2.5mm，有限元模型經(jīng)過合理簡化后如圖14所示。材料的密度為7800kg/m3，彈性模量為200GPa，泊松比為0.3，極限抗拉強(qiáng)度為492MPa。分析中，對鋼瓶底部支座的底面施加固定約束，以模擬其放置于水平地面的情況。

圖14 液化石油氣鋼瓶圖紙及有限元模型

假設(shè)爆破破口撕裂起始位置在焊縫處，為了更準(zhǔn)確地得到焊縫處的應(yīng)力分布，將焊縫特征按照實(shí)際情況建立有限元模型，如圖15所示。

圖15 焊縫處模型

8.2 加載壓力

按照爆破試驗(yàn)壓力對有限元模型施加荷載，瓶內(nèi)施加壓力的大小隨時間關(guān)系如圖16所示。在爆破試驗(yàn)中，當(dāng)壓力達(dá)到10MPa時，氣瓶發(fā)生破壞，瓶內(nèi)壓力迅速降低為零。

8.3 有限元結(jié)果分析

圖16 瓶體內(nèi)壓力—時間曲線

通過有限元靜力分析，得到了正常工作壓力下（內(nèi)壓2.1MPa）和發(fā)生爆破時（估計(jì)內(nèi)壓10MPa）液態(tài)石油氣鋼瓶的第一與第二主應(yīng)力分布情況，如圖17所示，左側(cè)為第一主應(yīng)力分布情況，右側(cè)為第二主應(yīng)力分布情況?？梢钥闯鰞煞N壓力作用下的應(yīng)力分布情況大體一致，不過在數(shù)值方面有明顯的差距。由第一主應(yīng)力分布情況可知，主應(yīng)力較大數(shù)值位置位于液態(tài)石油氣鋼瓶的筒體部分，而第二主應(yīng)力的較大數(shù)值位置位于筒體與上下封頭的連接區(qū)域。在數(shù)值模擬中認(rèn)為焊縫為理想狀態(tài)，其材料屬性與瓶身鋼材一致，且完整無缺陷，再加上焊接處有特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了分析結(jié)果中焊縫處的應(yīng)力比其他部位的應(yīng)力較小。

圖17 有限元分析應(yīng)力云圖

為詳細(xì)了解爆破過程中應(yīng)力的變化規(guī)律，在瓶體取3個應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，分析該監(jiān)測點(diǎn)處第1、第2主應(yīng)力隨時間的變化關(guān)系，圖18為所取監(jiān)測點(diǎn)位置，圖19、圖20、圖21為應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)的應(yīng)力隨時間變化曲線。從曲線中可以看出，當(dāng)鋼瓶處于正常工作狀態(tài)時（內(nèi)壓為2.1MPa），監(jiān)測點(diǎn)1、2、3的第1主應(yīng)力分別為124.06MPa、170.78MPa以及102.42MPa，都未超過材料的極限抗拉強(qiáng)度，氣瓶不會發(fā)生破壞。由此可見，在正常工作壓力下，該鋼瓶的安全性是滿足要求的；當(dāng)內(nèi)壓達(dá)到9.5MPa時，監(jiān)測點(diǎn)2處的最大主應(yīng)力都會超過材料的極限抗拉強(qiáng)度，而在監(jiān)測點(diǎn)3處最大主應(yīng)力的值未超過材料的抗拉強(qiáng)度。但按照模擬結(jié)果，此時應(yīng)該在監(jiān)測2處發(fā)生破壞失效，然而在實(shí)際爆破試驗(yàn)中，破口處于瓶體中部，撕裂起始位置在焊縫部位。這是由于焊接質(zhì)量的原因，導(dǎo)致焊縫處最先破壞。

圖18 應(yīng)力檢測位置

圖19 監(jiān)測點(diǎn)1主應(yīng)力時程曲線

圖20 監(jiān)測點(diǎn)2主應(yīng)力時程曲線

圖21 監(jiān)測點(diǎn)3主應(yīng)力時程曲線

9 結(jié)論

鋼瓶爆炸成兩部分，上封頭過渡區(qū)以上部分整體脫離，下封頭過渡區(qū)以外部分僅部分與瓶體相連，瓶體軸向整體炸開并發(fā)生扭曲，表明爆炸能量非常大。通過宏觀檢查與能譜分析，鋼瓶內(nèi)壁未見明顯腐蝕和可疑介質(zhì)，斷口顯微形貌為韌窩狀，屬于韌性斷口。通過現(xiàn)場調(diào)查、資料審查和技術(shù)分析，結(jié)合有限元應(yīng)力分析，認(rèn)為鋼瓶在設(shè)計(jì)、制造等環(huán)節(jié)均滿足相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼瓶在使用時臨近火源，由于瓶內(nèi)氣體壓力升高導(dǎo)致爆炸。

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