趙昆玉 吳繼權(quán) 張 杰 邱康勇
(深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院 深圳 518029)
氮?dú)怃撈渴Х治?/p>
趙昆玉 吳繼權(quán) 張 杰 邱康勇
(深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院 深圳 518029)
通過(guò)宏觀檢查結(jié)合體式顯微鏡SM、直讀光譜儀OES、金相顯微鏡OM、掃描電子顯微鏡SEM等檢測(cè)分析儀器,對(duì)爆炸氮?dú)怃撈窟M(jìn)行分析。結(jié)果表明:氣瓶爆炸是由于氣瓶?jī)?nèi)壁存在陳舊裂紋,裂紋深度不斷擴(kuò)大,造成內(nèi)壁不足以承受充氣壓力的結(jié)果。最后對(duì)如何預(yù)防此類事故提出了建議措施。
氣瓶 爆炸 初始裂紋 壓力
2016年5月某日,深圳市某家工業(yè)氣體生產(chǎn)單位的一氮?dú)怃撈吭谑褂眠^(guò)程中發(fā)生爆炸。該氮?dú)怃撈啃吞?hào)為DOT-3AA2400,瓶號(hào)為MSG991206A,規(guī)格為外徑235mm,壁厚5.8mm,公稱容積48.8L,公稱壓力為2400Psi(約為16.548MPa)。經(jīng)過(guò)原始資料調(diào)查,該氮?dú)怃撈恐圃靽?guó)為美國(guó),制造時(shí)間為2000年8月,按美國(guó)《危險(xiǎn)品規(guī)程》(49CFR Part 171-180)標(biāo)準(zhǔn)制造,材質(zhì)為30CrMo,適用范圍為工業(yè)氣體,充裝介質(zhì)為永久氣體;氮?dú)怃撈繛殇撝茻o(wú)縫氣瓶,使用近16年,未超出我國(guó)規(guī)定的30年使用期限;氮?dú)怃撈科矿w上有定期檢驗(yàn)標(biāo)識(shí),檢驗(yàn)報(bào)告表明,該氮?dú)怃撈坑?015年12月01日送檢,有效期至2018年12月01日。氮?dú)怃撈勘ㄇ罢谶M(jìn)行氮?dú)獬溲b,充裝壓力為12MPa左右。爆炸氮?dú)怃撈克诘某溲b排共有21個(gè)充裝頭,有19只氮?dú)怃撈空谕瑫r(shí)充裝,其他氮?dú)怃撈课窗l(fā)生爆炸。氮?dú)怃撈吭谡堰^(guò)程中,有一塊被炸裂分離出來(lái)。考慮爆炸分離塊斷口和瓶體斷口穩(wěn)合。因此,筆者對(duì)該分離塊進(jìn)行理化分析,找出氣瓶爆炸原因。
1.1 宏觀檢查及分析
爆炸氣瓶及分離塊形貌見圖1。在分離塊上不同部位進(jìn)行標(biāo)記,如圖2所示。其中連線①②處及連線③④處為縱向斷口;連線①④及連線②③處為橫向斷口;區(qū)域⑤處為分離塊中心區(qū)域。分離塊的縱向斷口,靠近內(nèi)壁位置大部分區(qū)域顏色灰暗,無(wú)光澤,并可見銹蝕痕跡,推測(cè)該區(qū)域形貌并非本次爆炸所造成;其余位置表面干凈,無(wú)銹蝕痕跡,推測(cè)該區(qū)域形貌應(yīng)為本次爆炸所造成(見圖3)。分離塊的橫向斷口表面干凈,無(wú)銹蝕痕跡,呈撕裂狀,推測(cè)該區(qū)域形貌應(yīng)為本次爆炸所造成(見圖4)。以上說(shuō)明,氣瓶爆炸前,瓶身已存在陳舊裂紋。首裂位置的確認(rèn):首裂位置一般為變形最大處。從對(duì)分離塊檢查可知,分離塊缺了一角,并且該位置變形最大,應(yīng)為氣瓶爆炸首裂處,即圖2中的記號(hào)③處。
圖1 爆炸氣瓶及分離塊形貌
圖2 分離塊形貌
圖3 縱向斷口形貌
圖4 橫向斷口形貌
1.2 體視顯微鏡檢查及分析
●1.2.1 斷口形貌檢查
圖5 給出位置③處的斷口形貌,上部靠近外壁,下部接近內(nèi)壁。從圖中可知,斷口有明顯放射狀條紋,由內(nèi)壁向外壁發(fā)散,同時(shí)可見多個(gè)疲勞背擴(kuò)弧,因此可以推測(cè)該處斷口為低周疲勞斷口且為多源的[1]。
圖5 位置③斷口宏觀形貌 6.5X
●1.2.2 內(nèi)表面形貌檢查
對(duì)分離塊內(nèi)壁檢查發(fā)現(xiàn),靠近斷口位置,麻坑相對(duì)較深、較多。而遠(yuǎn)離斷口位置處,麻坑相對(duì)較平、較少。圖6及圖7分別給出了靠近斷口位置及遠(yuǎn)離斷口位置的麻坑分布情況。麻坑為制造時(shí)未清洗盡的殘留氧化皮所致。
圖6 靠近斷口位置麻坑形貌
圖7 遠(yuǎn)離斷口位置麻坑形貌
1.3 化學(xué)成分分析
爆炸氣瓶標(biāo)稱材質(zhì)為30CrMo,對(duì)其分離塊進(jìn)行化學(xué)成分分析,分析結(jié)果見表1。結(jié)果表明:該氣瓶材質(zhì)化學(xué)成分符合GB/T 3077—1999《合金結(jié)構(gòu)鋼》[2]對(duì) 30CrMo 的要求。
表1 爆炸氣瓶分離塊成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%
1.4 金相組織分析
在分離塊上位置③處和位置⑤處取樣,經(jīng)鑲嵌、磨拋、4%硝酸酒精溶液腐蝕后,置于ZEISS光學(xué)顯微鏡下觀察分析。圖8~圖10為首斷口位置③處橫截面內(nèi)、外壁金相組織。圖11~圖13為位置⑤處橫截面內(nèi)、外壁金相組織。
由圖8~圖13可知,爆炸氣瓶金相組織為回火索氏體,整體組織比較均勻。內(nèi)、外壁邊緣處存在著脫碳現(xiàn)象,外壁脫碳程度比內(nèi)壁脫碳程度輕。
圖8 位置③處內(nèi)壁金相組織 100X
圖9 位置③處外壁金相組織 100X
圖10 位置③處高倍金相組織 1000X
圖11 位置⑤處內(nèi)壁金相組織 100X
圖12 位置⑤處外壁金相組織 100X
圖13 位置⑤處外壁金相組織 100X
1.5 顯微硬度測(cè)量
對(duì)分離塊未脫碳層用1kg載荷進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè)量,HV1硬度范圍為271~277,硬度比較均勻。對(duì)分離塊脫碳層用0.1kg載荷進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè)量,HV0.1硬度范圍為118~204,由此可見脫碳后,材料變軟。
1.6 斷口分析
對(duì)首斷位置③處斷口經(jīng)清洗、干燥后,置于掃描電子顯微鏡下觀察并拍照,圖14為斷口表面形貌。從圖中可以看到垂直于裂紋擴(kuò)展方向,存在大量平行的二次裂紋,在此可以確定該處斷裂為疲勞斷裂。
圖14 斷口形貌
2.1 氣瓶爆炸原因分析
該爆炸氮?dú)怃撈坎馁|(zhì)成分與標(biāo)稱材質(zhì)30CrMo相符,符合GB/T 3077—1999中對(duì)30CrMo的成分要求。金相組織為回火索氏體,除氣瓶?jī)?nèi)外壁表面部分區(qū)域存在脫碳現(xiàn)象外,組織比較均勻。顯微硬度除內(nèi)外壁脫碳層處,檢測(cè)結(jié)果比較均勻一致,這和金相組織分布情況相吻合。
從肉眼觀察、體視顯微鏡檢查可知沿瓶身縱向斷口上的大面積區(qū)域?yàn)殛惻f斷口,表明氮?dú)怃撈勘ㄇ坝嘘惻f裂紋存在。陳舊裂紋擴(kuò)展深度有深有淺,最深處已幾乎接近外邊緣。由于陳舊裂紋的存在,造成氣瓶有效壁厚減小,已不足以承受氣體壓力的作用,在氣瓶?jī)?nèi)氣體壓力作用下,氣瓶因瓶體材料強(qiáng)度不足而爆炸。
2.2 陳舊斷口形成原因分析
體視顯微鏡檢查表明:陳舊斷口呈疲勞背擴(kuò)弧形貌;對(duì)陳舊斷口清洗后,在掃描電鏡下可觀察到平行的二次裂紋,表明該陳舊斷口為疲勞斷口。疲勞的裂紋源為背擴(kuò)弧中心——內(nèi)表面處缺陷,多處背擴(kuò)弧相連,表明疲勞源斷口為低周多元疲勞斷口。
體視顯微鏡檢查表明:氣瓶爆炸處內(nèi)表面存在大量麻坑缺陷,麻坑為制造時(shí)未清洗盡的殘留氧化物所所致。爆炸處麻坑相對(duì)量大而坑深,未爆炸處麻坑相對(duì)平滑,爆炸處表面存在的麻坑即為低周疲勞裂紋源。氣瓶反復(fù)的充裝和使用過(guò)程中,內(nèi)壁承受反復(fù)拉應(yīng)力作用。內(nèi)部面麻坑造成內(nèi)表面應(yīng)力集中和分布不均勻,麻坑形貌不同,導(dǎo)致相應(yīng)應(yīng)力分布不同??紤]內(nèi)表面邊緣存在較大脫碳層,脫碳層造成材料硬度降低。在表面脫碳層上的麻坑形成裂紋源,在疲勞應(yīng)力的長(zhǎng)期作用下,不斷擴(kuò)展,最終形成的陳舊疲勞斷口。
本次氣瓶爆炸是由于氣瓶?jī)?nèi)壁存在陳舊裂紋,裂紋深度不斷擴(kuò)大,造成內(nèi)壁不足以承受充氣壓力的結(jié)果。TSG R0006—2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[3]中對(duì)于定期檢驗(yàn)中氣瓶檢測(cè)機(jī)構(gòu)的主要職責(zé)有這么一條“對(duì)氣瓶進(jìn)行定期檢驗(yàn),出具檢驗(yàn)報(bào)告,并且對(duì)其正確性負(fù)責(zé)?!倍敬伪ㄊ鹿手袣馄?jī)?nèi)壁上的陳舊裂紋肯定不是一時(shí)產(chǎn)生的,是一個(gè)長(zhǎng)期累積的過(guò)程。檢測(cè)機(jī)構(gòu)當(dāng)時(shí)對(duì)氣瓶進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的時(shí)候沒有檢測(cè)出來(lái),無(wú)論是儀器設(shè)備缺陷的原因,還是檢測(cè)人員個(gè)人素質(zhì)的原因,對(duì)于該次爆炸事故,檢測(cè)機(jī)構(gòu)得承擔(dān)一些責(zé)任。為了避免該類事故的再次發(fā)生,氣瓶定期檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)應(yīng)當(dāng)按照TSG Z7001—2004《特種設(shè)備安全檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)核準(zhǔn)準(zhǔn)則》的規(guī)定,取得氣瓶定期檢驗(yàn)核準(zhǔn)證,嚴(yán)格按照核準(zhǔn)的檢驗(yàn)范圍從事氣瓶定期檢驗(yàn)工作,并接受質(zhì)檢部門的監(jiān)督。[4]同時(shí)建議對(duì)于那些使用已久的氣瓶應(yīng)強(qiáng)制縮短檢驗(yàn)周期。
[1] 鐘培道.?dāng)嗔咽Х治觯ɡm(xù))[J].理化檢驗(yàn) - 物理分冊(cè), 2005,41(10):535-539.
[2] GB/T 3077—1999 合金結(jié)構(gòu)鋼 [S].
[3] TSG R0006—2014 氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 [S].
[4] TSG Z7001—2004 特種設(shè)備安全檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)核準(zhǔn)準(zhǔn)則 [S].
Analysis of Nitrogen Gas Cylinder Failure
Zhao Kunyu Wu Jiquan Zhang Jie Qiu Kangyong
(Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test Shenzhen 518029)
By means of macroscopic examination, combined with SM, UTM and OM, the explosive nitrogen gas cylinder was analyzed. The results show that the gas cylinder explosion was due to the existence of old cracks in the inner wall of the cylinder, the depth of the crack continued to expand which causing the inner wall could not withstand the pressure of inflation, and the explosion occurred. Finally some suggestions on how to prevent such accidents were also put forward.
Gas cylinder Explosion Initial cracks Pressure
X933.4
:B
1673-257X(2017)07-0072-04
10.3969/j.issn.1673-257X.2017.07.017
趙昆玉(1961~),男,本科,技術(shù)部部長(zhǎng),高級(jí)工程師,從事承壓特種設(shè)備檢驗(yàn)及檢驗(yàn)技術(shù)管理工作。
張杰,E-mail: 928533546@qq.com。
2016-12-01)