9一起蓄能器爆炸事故分析论文 - 图文

一起囊式蓄能器爆炸事故分析1

摘 要：针对一起囊式蓄能器爆炸事故，通过对材料进行化学成分分析、力学性能试验、金相检查、爆破口宏观检查、扫描电镜检测以及爆炸压力计算等方法对事故原因进行了分析。结果表明：蓄能器的爆破压力远远高于许用工作压力，在皮囊补气过程中误将氧气装入导致爆炸本次事故，该起事故爆炸性质为化学爆炸。

关键字：蓄能器；30CrMo；事故分析；化学爆炸。

中图分类号：TQ116.14；X928.7 文献标志码：B

Analysis on Explosion Accident of An Bladder Type Accumulator

WU Hong-Jun1, Jin SHui-rong1,Zhang liang2, CHEN Hai-yun1, SHENG Shui-ping1 (1Hangzhou Special Equipment Inspection Institute, Hangzhou 310003,China)

(2Hangzhou Chaoyang Rubber Co. Ltd. , Hangzhou 310018,China)

Abstract：An bladder type accumulator explosion accident is introduced in this paper. The reason for the accident is analyzed by material chemistry composition analysis, mechanics tests, metallographic analysis, macroscopic and microstructure characteristic analysis, to estimate bursting pressure and so on. A conclusion is drawn that the cause of the accident is that oxygen had been filled in the bladder, this is typical chemical explosion.

Key Words: accumulator, 30CrMo, accident analysis, chemical explosion

1 前言

2011年8月杭州某公司发生一起囊式蓄能器爆炸事故，爆炸后现场产生大量浓烟，但没有产生明火，所幸没有造成人员伤亡。容器内壁有可燃物燃烧痕迹，由图1可见蓄能器壳体内有黑色颗粒物。依据GB/T20663-2006[1]《囊式蓄能用压力容器》，主体结构由壳体（无缝钢管）和胶囊两部分组成，但爆炸现场未见胶囊，壳体内的黑色颗粒应为胶囊燃烧后的产物，即蓄能器内部发生燃烧，胶囊已完全被燃烧，壳体内黑色痕迹为其燃烧后产物。根据厂方提供的资料，该蓄能器设计参数如下表1所示。 表1 蓄能器设计参数 设计压力/MPa

31.5

公称容积/L

63

壳体材料 30CrMo

壳体公称直径/mm

299

壁厚/mm 16

蓄能器壳体爆炸成三块，有两大块脱离本体，塑性变形量较大，其中一块向内弯曲，一块向外扩张，如图1所示。爆破口长约600mm，爆破口边缘处有明显的约为45度的剪切唇（爆破口宏观形貌见图1、2）。从断口的宏观形貌可以

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1

看出在该断口上有人字裂纹区，边缘有剪切唇区，因此可以判断该区为一处起爆口（见图2）。图1中标出了1#、2#、#3试样的取样位置。

图1 爆破后蓄能器

图2 断口宏观形貌

容器炸开的三部分断口均呈现明显的撕裂特征，且现场并未发现粉碎性破裂，因此蓄能器壳体爆炸可以定性为塑性破坏。

蓄能器发生爆炸后，对未发生爆破的筒体处（2#试样）进行外径测量，其值为299~305mm。对3#试样采用MX-3超声波测厚仪器进行了测厚，测厚结果为15.1~15.9mm，大于设计最小壁厚14.4mm。

2 试验分析

2.1化学成分分析

依据检测标准GB/T13298-1991《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法（常规法）》[2]对1#试样进行化学成分检测，检测结果见表1。

表1 蓄能器壳体化学成分（质量分数/％）

元 素 1#试样

C 0.33

Si 0.24

Mn 0.48

P

S

Cr 1.01

Mo 0.21

Cu 0.079

0.008 0.002

GB18248-2008 0.26~0.34 0.17~0.37 0.40~0.7 ≤0.02 ≤0.02 0.8~1.10 0.15~0.25 ≤0.02

实测结果表明：蓄能器壳体化学成分完全符合GB18248-2008《气瓶用无缝钢管》[3]中关于30CrMo材料的化学成分要求。

2.2力学性能测试

取2#试样进行力学性能测试，依据GB/T228-2002《金属材料室温拉伸试验方法》[4]对试样进行了检验，检测结果和标准规定值均列于表2中。

表2 力学性能

检测项目 #试样

屈服强度ReL/MPa

885

抗拉强度Rm/MPa

965

断后延伸率At/%

10

2

GB/T20663-2006 ≥710 ≥825~1050 ≥14

将实测值与标准规定值相比较，结果表明：蓄能器壳体材料力学性能ReL和Rm符合GB/T20663-2006《囊式蓄能用压力容器》中相关要求，但断后延伸率At小于规定值，不符合标准要求。

2.3金相检查

沿着壁厚方向对蓄能器壳体3#试样进行了取样做金相检测分析，依据GB/T13298-1991《金属显微组织检验方法》进行了检测，检测结果如图3~6，靠近壳体外壁侧金相组织（如图4）为回火索氏体+微量铁素体，壳体中部组织（如图5）为回火索氏体+沿晶界析出的铁素体，内壁侧组织（如图6）为魏氏组织。

图3 金相试样

500× 回火索氏体+微量铁素体

图4 外壁侧组织

500× 回火索氏体+沿晶界析出的铁素体

图5 中部组织

500× 魏氏组织 图6 内壁侧组织

蓄能器由30CrMo材质的无缝钢管为原料制造，成型后的最终热处理工艺为调质热处理，调质热处理后的主体金相组织为回火索氏体，允许有残余铁素体存在。内壁侧产生魏氏组织，有大量的铁素体组织析出，原因与蓄能器内发生燃爆密切相关。

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一般当材料含碳量大约在0.2%～0.5%之间时，过冷到一定区域就会形成魏氏组织，该起事故中容器材料含碳量处在这一范围，因此可以判断魏氏组织形成原因为：蓄能器内发生燃烧后壳体内壁形成高温，在空冷时先析出铁素体，除一部分沿晶界析出外，还有一部分从晶界伸向晶体内部或在晶粒内部独自析出，形成铁素体魏氏组织。

2.4 扫描电镜检查

采用扫描电镜对断口进行了微观形貌分析，分析结果如图7~10。图8~10可观察到明显的长条形韧窝形貌，韧窝形貌是典型的韧性失效特征，其断裂类型为

[4]

宏观塑性的微孔型断裂，该种裂纹的产生主要是由于材料塑性抗力不够引起。图9、10可见韧窝区有数条二次裂纹，二次裂纹是在蓄能器爆破中形成的内裂纹。

图7 断口宏观形貌 18×

图8 断口韧窝SEM 200×

图9 断口韧窝SEM 500×

图10 断口韧窝SEM 3000×

4

3 爆破压力的计算

为了验证容器爆炸是否由于过载引起，按GB/T20663-2006[1]《囊式蓄能用压力容器》对该容器的爆破压力进行计算。

p?2????t?D0????32.55MPa

Rel885??0.917 Rm965???t?965?????321.67

3??Pb?3p?3?31.5?94.5

Pb?2Rm?2?965?14.4??97.65MPa

?D0????299?14.4?爆破压力的计算方法非常多，目前在国际上应用最为广泛的是Faupel（福贝尔）公式[5]，它是以大量的试验数据作为基础，加上一定的理论分析得出的，因此是半经验公式。Faupel公式适用于各种材料，计算较为精确，误差一般在10%以内，最大不超过15%。

Pb?式中K?2?s??s??2??lnK ??3??b?Do由表1中已知Do?299mm，壁厚,?s?885MPa，?b?965MPa；

Di??14.4mm，代入上式得：Pb?112MPa。

制造厂所提供的资料显示，该蓄能器容器设计压力为31.5MPa，最大允许工作压力为32.55MPa。按GB/T20663-2006与Faupel公式计算得到的爆破压力分别为97.65、112MPa，较设计压力三倍多，单纯的液压系统自身产生的压缩气体不会产生如此大的压力。

4 结论与建议

爆炸蓄能器材质为30GrMo，其化学成分符合GB18248-2008；虽断后延伸率At不符合GB/T20663-2006要求，但力学性能ReL和Rm均符合相关要求。爆破口边缘有明显约为45度剪切唇以及爆破口微观韧窝形貌，蓄能器壳体爆炸具有典型的韧性失效特征；瓶体金相组织符合调质处理后金相结构要求，内壁产

5

生魏氏组织说明容器内壁产生过高温过程；爆破压力的理论计算分析说明了爆破不是由于液压系统自身产生的压缩气体压力引起的物理爆炸。

综合断口宏观分析、化学成分检测、力学性能测试以及断口微观形貌观测等方面结果得出：该起爆炸是由于蓄能器内部可燃气体燃烧后造成内压急剧增大，超出了容器的爆破压力引起爆炸，该起爆炸性质为化学爆炸。

蓄能器爆炸报导较多，多数为化学爆炸[6、7]，经了解蓄能器内部的气囊保压不稳，容易泄漏，使用单位需经常补充氮气进行维护，但误装了氧气导致了本次事故。因此，对囊式蓄能器严禁使用可燃、助燃气体（如空气、氧气）充入。有必要建立制度，填写气体充入开工令，经安全员现场确认后，方可充入氮气，避免灾难性事故发生。

参考文献

[1]. GB/T20663-2006.囊式蓄能用压力容器[S], 2006

[2]. GB/T13298-1991.碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法[S], 1991 [3]. GB18248-2008.气瓶用无缝钢管[S], 2008

[4]. 孙智,江利,应鹏展. 失效分析基础与应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 2005 [5]. 陈国理. 超高压力容器设计[M]. 北京: 化学工业出版社, 1997

[6]. 张而耕,刘鹏虎,王志文.蓄能器(无缝钢瓶)爆炸事故的失效分析[J].工程材料,2003, 27 (1):55~58 [7]. 王小华,牛亚平,毛国均,等.活塞式蓄能器爆炸原因分析[J].理化检验—物理分册,2010,46(6),388-391,395

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