液化石油气钢瓶爆炸失效分析

液化石油气钢瓶爆炸失效分析
王步美;凌娟;陈杨;王一宁;叶有俊
【摘要】通过宏观形貌、断口边缘壁厚、化学成分、断口形貌及腐蚀产物成分、显微组织检验等,对液化石油气钢瓶爆炸原因进行分析.结果显示:钢瓶炸成两半,仅靠一部分环焊缝相连,表明爆炸时能量非常高;钢瓶内壁未见明显腐蚀,断口为韧性断口,表明钢瓶爆炸与钢瓶本身质量及液化气的腐蚀无关;钢瓶内壁和断口附着物内C含量很高,这是液化石油气不完全燃烧产生的碳黑;阀门内部存在灰迹,表明在切割过程中产生回火,瓶内气体燃烧导致钢瓶产生化学爆炸.
【期刊名称】《压力容器》
【年(卷),期】2018(035)007
【总页数】7页(P47-52,32)
【关键词】液化石油气;钢瓶;爆炸;失效分析
【作者】王步美;凌娟;陈杨;王一宁;叶有俊
【作者单位】江苏省特种设备安全监督检验研究院,江苏南京 211178;江苏省特种设备安全监督检验研究院,江苏南京 211178;江苏省特种设备安全监督检验研究院,江苏南京 211178;江苏省特种设备安全监督检验研究院,江苏南京 211178;江苏省特种设备安全监督检验研究院,江苏南京 211178
【正文语种】中文
【中图分类】TH49;TE89
0 引言
2017年4月，某加工车间在使用氧气和液化石油气切割钢板过程中，液化气钢瓶发生爆炸。

该钢瓶已使用约20天，瓶内余气不多。

钢瓶使用时仅安装有减压阀，没有安装阻火阀。

爆炸钢瓶的残样如图1所示，护罩和底座爆炸脱离钢瓶，钢瓶
本体爆炸后分为左右两部分，仅剩一段环焊缝相连。

护罩钢印标明：钢瓶生产标准为GB 5842—2006《液化石油气钢瓶》[1]，材料HP295，钢瓶质量16 kg，公
称容积35.5 L，瓶体设计壁厚2.5 mm，水压试验压力3.2 MPa，公称工作压力
2.1 MPa。

(a) 钢瓶
(b) 脱落的钢瓶护罩图1 爆炸后的钢瓶残样
液化石油气钢瓶属于中压薄壁容器，按照TSG R0006—2014《气瓶安全技术监察规程》[2]，正常情况下每4年逐只检验一次。

但钢瓶作为用户的小气源，使用环
境和工况较差，且数量较多，很难做到逐只定期检验，故容易发生爆炸事故。

钢瓶常见爆炸原因有[3-11]：(1)超装或超温使用，若瓶内充满液化气，当环境温度升高，钢瓶就可以发生物理爆炸；(2)材质和生产工艺不合格，钢瓶承受不了应有的
耐压强度，也会导致爆炸；(3)阀门、管道失灵，导致泄漏，遇明火或因摩擦、电
气火花也会发生爆炸；(4)野蛮装卸使钢瓶外表面受到机械损伤，再由于使用不当
或碰撞或环境温度急剧升高，引起瓶体爆炸。

本文通过爆炸钢瓶的宏观形貌、断口边缘壁厚、化学成分、断口形貌及腐蚀产物成分、显微组织检验等，对液化石油气钢瓶爆炸原因进行分析。

1 宏观检查
根据钢瓶爆炸残样，绘制瓶体断口示意图(见图2)。

钢瓶为上下两个封头环焊而成，钢瓶的上下方向为钢板的轧制方向。

断口沿钢瓶的纵向延伸，穿过中间环焊缝，钢
瓶剖成左右两半，在另一面沿着环焊缝撕开未断。

图2 钢瓶断口示意(图上数字为壁厚测量点)
(a) 灰色断口
(b) 灰黑色内壁图3 钢瓶宏观形貌
如图2所示，测点3附近为金属光泽的新断口，断口上的断面与侧壁成45°，具有撕裂特征；测点8处附近断口有黑色物质附着，为灰色断口；其余断口布满锈迹。

钢瓶内壁有明显的黑色燃烧痕迹和黄色锈迹(见图3)。

据了解，爆炸后钢瓶未及时送检，储存过程中受到雨淋。

对钢瓶底部发生锈蚀的内壁用砂纸打磨，打磨后内壁平整无腐蚀坑(见图4)、无腐蚀减薄现象。

(a) 打磨前
(b) 打磨后图4 钢瓶内壁锈蚀处打磨前后照片
将钢瓶上面的阀门拧开，发现阀门内部存在灰迹，如图5所示。

(a)
(b)图5 阀门内部照片
2 理化检验
2.1 断口边缘的壁厚测定
采用螺旋测微仪对钢瓶断口边缘进行厚度测量，测点位置见图2，9个测点的壁厚测量结果如表1所示。

由表1可看出，处于封头直边段的测点3，4，7，9处的壁厚大于设计壁厚(2.5 mm)；处于封头顶部和肩部的测点1，2和5，6处壁厚小于设计壁厚(2.5 mm)，产生了不同程度减薄；处于封头直边段的测点8处壁厚最薄，只有1.89 mm，说明此处承压变形最大，最先从此处破裂(由图4可知，钢瓶未发生腐蚀减薄)，然后沿着断裂痕迹向上下封头扩展，并产生沿环焊缝的横向撕裂。

表1 断口边缘的壁厚测量结果 mm测点123456789壁厚
2.182.362.582.742.312.312.611.89
3.02
2.2 钢瓶化学成分分析
依据GB/T 4336—2016 《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法(常规法)》[12]，采用便携式全定量光谱仪对钢瓶(HP295)进行化学成分分析，结果如表2所示。

对照GB 5842—2006《液化石油气钢瓶》中要求的主体材料化学成分，该钢瓶的化学成分合格。

表2 液化气钢瓶化学成分分析 %元素CSiMnPSS+P标准值[1]≤0.18≤0.100.70～
1.50≤0.025≤0.020≤0.040检测值0.180.010.860.0200.0200.040
2.3 断口形貌观察
对测点3附近新断口和测点8附近灰色断口进行显微形貌观察。

灰色断口表面粗糙，显微形貌呈韧窝态，局部覆盖腐蚀物(见图6)；新断口表面光亮平整，断口形貌为倾斜韧窝，属于韧性断裂(见图7)。

(a) 50×
(b) 500×图6 灰色断口形貌
(a) 体视显微镜下宏观形貌
(b) 电镜下显微形貌图7 新断口形貌
2.4 断口能谱分析
灰色断口表面能谱分析结果如图8、表3所示。

断口处含有大量的O，Fe，C元素，其中C元素质量百分比高达13.62%。

结果表明，断口覆盖的腐蚀产物为钢瓶爆炸过程中形成的碳黑和后期保存中形成的氧化物。

图8 灰色断口能谱分析
表3 灰色断口表面能谱分析结果元素原子分数/%质量分数
/%O54.7944.73Fe9.5927.32C22.2213.62N6.954.97Na3.133.67Ca0.571.17S0. 701.15Al0.811.12Si0.650.93Ni0.230.69Cl0.350.64
2.5 钢瓶内表面黑色部位能谱分析
钢瓶内表面黑色区域的能谱分析结果如图9、表4所示，主要含有Fe，O，C元素。

C元素质量百分比高达30.76%，表明黑色附着物富含碳黑。

图9 钢瓶内表面黑色区域能谱分析
表4 钢瓶内表面黑色区域的能谱分析结果元素原子分数/%质量分数
/%Fe9.2728.27O43.2238.36C46.1630.76Si1.091.07S0.270.47
2.6 显微组织分析
钢瓶远离断口边缘部位的显微组织如图10所示，为铁素体和珠光体，由于加工变形而呈带状分布，未见明显异常。

(a) 200×
(b) 500×图10 钢瓶显微组织
图11示出钢瓶断口边缘壁厚减薄处的外表面金相组织，其组织为呈带状分布的铁素体和珠光体。

(a) 500×
(b) 1000×图11 钢瓶断口边缘壁厚减薄处的显微组织
3 分析与结论
3.1 钢瓶物理爆炸
钢瓶物理爆炸一般与压力波动有关，而且一旦发生泄漏后压力会迅速降低，因此爆炸能量不高，极少出现容器粉碎性破裂。

钢瓶壁腐蚀、减薄后，钢瓶破裂可能出现多处断口，撕裂成若干块。

物理爆炸往往发生在钢瓶充装、搬运、装卸等过程中，即由于充气升压、温升变化、外力振动、碰撞等物理性因素导致钢瓶破裂爆炸。

3.2 钢瓶化学爆炸
液化石油气为丙烷、丙烯、丁烷、丁烯类混合物。

钢瓶发生化学爆炸时，液化石油气燃烧反应激烈、快速，瞬间完成，产生不完全燃烧产物CO,C和水。

一般具有以
下3个特征。

(1)爆炸容器内壁或碎片上会有积碳和水分附着，这是区分物理爆炸和化学爆炸的
重要依据。

(2)爆炸能量远远大于物理爆炸所释放的能量，爆炸能量可达物理爆炸时的4～90倍。

(3)爆炸时外壳各部位同时受到超高压的作用，外壳爆炸后往往成碎片。

3.3 钢瓶爆炸原因分析
钢瓶炸成两半，仅靠一部分环焊缝相连，并发生扭曲，说明爆炸时能量非常高。

钢瓶内壁未见明显腐蚀，断口显微形貌呈韧窝状，为韧性断口，说明钢瓶爆炸与钢瓶本身质量及液化气的腐蚀无关。

钢瓶的内部和断口附着物内C含量很高，这是液
化石油气不完全燃烧产生的碳黑。

检验结果表明，该钢瓶发生了化学爆炸。

瓶上阀门内部存在灰迹，表明在切割过程中产生回火，瓶内的气体燃烧导致压力瞬间升高，从而导致钢瓶沿着轧制方向爆炸成两半。

钢瓶内气体已使用约20天，余气不多，所以化学爆炸能量不足以导致破碎性爆炸。

【相关文献】
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[2] TSG R0006—2014,气瓶安全技术监察规程[S].
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[12] GB/T 4336—2016,碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法(常规法)[S].。