某LPG罐車罐體爆炸原因分析

李海江

（應(yīng)急管理部消防救援局昆明訓(xùn)練總隊(duì)，云南 昆明 650208）

2020年6月13日，沈海高速一輛LPG罐車爆炸，導(dǎo)致20人死亡，172人住院，周邊部分民房及廠房倒塌，多輛汽車燒毀。根據(jù)事故車后方的行車記錄儀，罐體爆炸前車體沒有產(chǎn)生白霧，罐車一切正常。但短短的幾秒后，罐體突然發(fā)生爆炸，罐體脆性斷裂并飛出，釋放的液化石油氣發(fā)生蒸氣云爆炸，造成大量人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。研究罐車罐體爆炸原因，對(duì)預(yù)防LPG運(yùn)輸爆炸事故、減少人員傷亡有著重要意義。

1 事故經(jīng)過

根據(jù)肇事車后方車輛行車記錄儀及現(xiàn)場(chǎng)人員拍攝的視頻：16時(shí)55分34秒，罐車進(jìn)入匝道；16時(shí)55分46秒，疑似罐車的罐體飛出，并拉出一道白霧，白霧迅速散開，但沒有火光；16時(shí)57分32秒，白霧擴(kuò)散約三分鐘后發(fā)生爆炸，產(chǎn)生了火光，并形成了持續(xù)燃燒，16時(shí)57分42秒，發(fā)生了更為劇烈的大爆炸。

2 分析方法

為更好地分析罐體爆炸的原因，采用事故樹分析法進(jìn)行分析。事故樹分析是從結(jié)果到原因、由頂層向底層，采用圖形演繹和邏輯推理，把事件層層展開，找出事故有關(guān)因素之間的因果關(guān)系和邏輯關(guān)系的分析法。LPG罐車罐體爆炸事故樹如圖1。

3 罐體爆炸原因分析

從圖1中看出，導(dǎo)致罐體爆炸的原因有罐體缺陷、腐蝕、外力打擊、撞擊和超壓等，其中，造成超壓的原因有壓力表失效、安全閥失效、充裝過量、溫度升高、LPG組分等因素。

3.1 罐體缺陷

罐體主體材質(zhì)16MnR，罐車筒體的厚度一般不超過20mm，多采用冷卷成型。封頭多采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，可以沖壓成型，大直徑的封頭可以分瓣拼接。罐體缺陷包括材料缺陷和焊接缺陷，材料的缺陷會(huì)造成罐體韌性降低，焊接的缺陷會(huì)導(dǎo)致焊縫開裂。按照特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范 《壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則》 （TSG R7001-2013）要求，壓力容器要做壁厚測(cè)定、表面缺陷檢測(cè)、埋藏缺陷檢測(cè)、材料分析、強(qiáng)度校核、耐壓試驗(yàn)等檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)。每個(gè)罐體都要經(jīng)過層層檢查和實(shí)驗(yàn)，使用一段時(shí)間要進(jìn)行定期檢查和全面檢查。罐體有先天性缺陷的概率較低，由先天性缺陷導(dǎo)致罐體破裂概率較小。

3.2 腐蝕

LPG罐車罐體材質(zhì)為16MnR，腐蝕致使罐壁變薄，罐體整體強(qiáng)度下降，造成罐體滲透或者產(chǎn)生裂縫。LPG罐車腐蝕主要有：油漆層脫落且長(zhǎng)期暴露在惡劣天氣環(huán)境下造成外壁腐蝕；工藝的原因，LPG中含有超標(biāo)的H2S和少量的水，形成了濕硫化氫環(huán)境，造成內(nèi)部腐蝕；在濕硫化氫腐蝕環(huán)境下，罐體會(huì)發(fā)生氫鼓泡，造成氫致開裂 （氫脆）［1］。腐蝕造成罐體滲透或裂縫，不會(huì)造成脆性斷裂，腐蝕不是沈海高速一輛LPG罐車罐體爆炸的主要原因。

圖1 LPG罐車罐體爆炸事故樹

3.3 外力打擊、撞擊

罐體遭受外部強(qiáng)力打擊、撞擊，或者是交通事故造成罐車側(cè)翻、倒轉(zhuǎn)等，罐體都可能發(fā)生形變受損，造成罐體應(yīng)力改變、使罐體強(qiáng)度降低，導(dǎo)致罐體局部韌性開裂。例如：2012年10月6日上午9點(diǎn)10分，湖南懷化常吉高速公路官莊鎮(zhèn)1117段地穆庵隧道口發(fā)生了一起液化石油氣罐車側(cè)翻事故。救援過程中，液化氣罐車突然發(fā)生爆炸，3名消防人員英勇殉職。罐體破裂的原因就是罐車側(cè)翻，罐體前封頭受損凹陷，應(yīng)力改變，最終前封頭和罐體連接處在罐內(nèi)壓力作用下韌性斷裂。與之不同的是沈海高速罐體爆炸為脆性斷裂，外力打擊、撞擊通常不會(huì)導(dǎo)致脆性斷裂。所以，外力打擊、撞擊不是沈海高速罐體爆炸的主要影響因素。

3.4 超壓

3.4.1 罐體爆炸所需壓力

罐體材質(zhì)為16MnR，為韌性材料，根據(jù)中徑公式可計(jì)算罐體的爆破壓力［1］：

式中：P為罐體的爆破壓力，MPa；σ為材料的抗拉強(qiáng)度，540 MPa；D為容器的中徑，2.418m；S為容器的壁厚，0.018m。

3.4.2 安全閥、壓力表故障

液化石油氣主要成分C4H10約60%、C3H8約30%，C3～C4烯烴及其他烴類約10%［3］。其主要成分的臨界溫度和臨界壓力見表1。

表1 液化石油氣主要成分的臨界溫度和臨界壓力

從表1中看出，液化石油氣主要成分的臨界溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)境溫度，只需要加壓就能液化，所以液化石油氣罐車罐體里的介質(zhì)為常溫帶壓介質(zhì)。液化石油氣在罐體里氣液兩相存在，且氣液兩相動(dòng)態(tài)平衡，氣體為飽和蒸氣，所以罐體壓力就是氣體的飽和蒸氣壓。飽和蒸氣壓與溫度有關(guān)，隨著溫度的降低飽和蒸氣壓也降低。以C3H8為例，臨界溫度96.67℃時(shí)對(duì)應(yīng)的臨界壓力為4.249 MPa，50℃時(shí)飽和蒸氣壓為1.6 MPa，24℃時(shí)飽和蒸氣壓為0.8 MPa。液化石油氣罐車罐體為常溫罐體，常溫時(shí)液化石油氣的飽和蒸氣壓并不高，壓力表、安全閥等安全附件故障，只要環(huán)境溫度沒有明顯上升，罐體內(nèi)壓力最多達(dá)到飽和蒸氣壓，這個(gè)壓力小于罐體設(shè)計(jì)壓力，更遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于罐體的爆破壓力，不會(huì)造成罐體爆炸。

3.4.3 液位計(jì)故障，過量充裝

液位計(jì)失效、操作人員失誤等導(dǎo)致過量充裝。熱脹冷縮，環(huán)境溫度升高，液體體積膨脹，罐體壓力增大。由于壓力的增長(zhǎng)是一個(gè)漸進(jìn)過程，罐體會(huì)產(chǎn)生鼓桶等變形現(xiàn)象，罐體會(huì)發(fā)生韌性斷裂。沈海高速罐車罐體為脆性斷裂，排除液位計(jì)故障，過量充裝導(dǎo)致罐體爆炸的可能性。

3.4.4 液化石油氣溫度

液化石油氣溫度升高，飽和蒸氣壓增大，罐體壓力增大。液化石油氣溫度若僅受環(huán)境影響，溫度不會(huì)驟變，壓力不會(huì)驟增。如果罐體受到烘烤或接受大量熱輻射，LPG溫度快速上升，壓力會(huì)驟增，會(huì)造成罐體爆炸。沈海高速LPG罐車罐體爆炸之前沒有著火，罐體沒有接受熱源輻射，其介質(zhì)溫度不會(huì)明顯改變，短時(shí)間內(nèi)壓力也不會(huì)顯著增加，罐體不會(huì)爆炸。

3.4.5 C3H8含量

3個(gè)碳原子的物質(zhì)比4個(gè)碳原子的物質(zhì)臨界溫度要低、飽和蒸氣壓要高。LPG的組分里，如果3個(gè)碳原子物質(zhì)占比增加，罐內(nèi)壓力會(huì)有所升高，但罐體的爆炸危險(xiǎn)性不會(huì)顯著提高，因?yàn)楣迌?nèi)壓力只會(huì)達(dá)到介質(zhì)溫度所對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓，壓力遠(yuǎn)小于罐體爆破壓力，罐體不會(huì)爆炸。

3.4.6 烯烴、二烯烴含量

液化石油氣中含有10%的丙烯、丁烯等物質(zhì)，烯烴會(huì)發(fā)生聚合反應(yīng)，放出熱量，可使罐體壓力升高，但是烯烴的聚合要具備一定的條件，通常條件下不容易發(fā)生。

罐車運(yùn)輸?shù)娜绻嵌《?，或者曾?jīng)運(yùn)輸過丁二烯，或者液化石油氣里含有大量的丁二烯，則爆炸危險(xiǎn)性將顯著增加。丁二烯在常溫下能與氧氣反應(yīng)，在金屬鐵離子的催化作用下，產(chǎn)生過氧化物聚合物［4］。丁二烯過氧化物聚合物密度比液化石油氣大、丁二烯大，易沉積并積累于設(shè)備死角處，極不穩(wěn)定，在外界撞擊、摩擦、沖擊、熱刺激等作用下容易發(fā)生爆炸［4-5］。丁二烯過氧化物聚合物一旦發(fā)生爆炸，罐內(nèi)壓力就驟增，超過罐體的爆破壓力時(shí)罐體爆炸。

4 結(jié)論

短時(shí)間罐體壓力驟增，由工作壓力（0.8 MPa）上升到罐體爆破壓力（8.03 MPa），罐體發(fā)生脆性斷裂，只有化學(xué)反應(yīng)（化學(xué)爆炸）才能達(dá)到。根據(jù)上面的分析，對(duì)沈海高速LPG罐車罐體爆炸原因推測(cè)如下：罐車罐體內(nèi)可能殘留有丁二烯過氧化物聚合物這一類爆炸性物質(zhì)，罐車在弧形閘道高速行駛，離心力作用導(dǎo)致罐車翻車，罐內(nèi)特定的介質(zhì)（如丁二烯過氧化物聚合物）劇烈震蕩發(fā)生化學(xué)爆炸，罐體內(nèi)壓力驟增超過罐體耐壓發(fā)生破裂（爆炸），封頭炸落，沸騰液體氣化膨脹做功，罐體飛出，同時(shí)大量液體介質(zhì)泄漏，發(fā)生蒸氣云爆炸。