摘   要：針對一起空氣壓縮機儲氣罐爆炸事故，通過現(xiàn)場勘察、宏觀檢驗、材料性能測試、微觀金相檢測、斷口分析等方法，確定了爆炸事故發(fā)生的原因。結(jié)果表明，使用單位擅自改造空壓機控制系統(tǒng)導致防超壓自動保護系統(tǒng)失效，空壓機開機時排氣管截止閥關(guān)閉導致儲罐迅速超壓，以及安全閥失效，是儲氣罐發(fā)生物理超壓爆炸的直接原因。從管理的角度分析了事故的間接原因，并提出預防此類事故發(fā)生的措施。

關(guān)鍵詞：空氣壓縮機;儲氣罐;物理爆炸;失效分析

空氣壓縮機作為動力、工藝、制冷和氣體分離及輸送設(shè)備，被廣泛應用于各工業(yè)領(lǐng)域^[1]。由于特殊結(jié)構(gòu)和介質(zhì)的理化性質(zhì)，其發(fā)生爆炸的危險性較大。近些年，因空壓機操作和管理不善、制造缺陷等原因?qū)е碌谋ㄊ鹿蕦乙姴货r。因此，對空氣壓縮機事故的防范應當引起高度重視。本文針對一起空氣壓縮機儲氣罐爆炸事故進行分析并提出預防措施，以為預防此類事故提供參考。

1  事故情況

某企業(yè)一臺H－6S型空氣壓縮機，在開機使用約15min時聽到漏氣聲響，隨即壓縮機儲氣罐體爆炸，事故未造成人員傷亡。事故發(fā)生前空壓機房內(nèi)只有3#、4#機采用停轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)方式運行^[2]。發(fā)生事故的3#機壓力控制器電路系統(tǒng)被改造斷開，與4#機串接，其電磁閥受控于4#機壓力繼電器，即當4#機儲氣罐壓力升至設(shè)定壓力高限時，3#、4#機同時停止轉(zhuǎn)動，待4#機儲氣罐壓力降到壓力低限值時，則兩臺重新運轉(zhuǎn);3#機排氣管上裝設(shè)的截止閥在設(shè)備運行時處于關(guān)閉狀態(tài)(見圖1)。

事故造成3#機儲氣罐爆炸撕裂，安全閥斷裂，罐體進氣管接頭、II級氣缸安全閥等被拋至約10m遠(見圖2)，空壓機房屋頂石棉瓦多數(shù)破碎墜落，部分房架塌陷，距3#機4m遠的墻體出現(xiàn)裂縫向外傾斜(見圖3)，北側(cè)約21m范圍內(nèi)廠房玻璃大部分破碎，現(xiàn)場沒有燃燒跡象。

2  事故原因分析

2.1材料成分、金相組織與性能分析

對爆炸儲氣罐筒體母材取樣進行化學成分分析，結(jié)果見表1，可以看到材料成份符合設(shè)計選材20g標準要求。

罐體母材鋼板的金相組織見圖4，可發(fā)現(xiàn)封頭和筒體部分皆為正常的鐵素體加珠光體組織。

在破裂筒體周圍取樣(見圖5)開展硬度測試，并依據(jù)GB1172“黑色金屬硬度及強度換算值”換算為抗拉強度，硬度測試結(jié)果如表2所示，材料性能符合GB713標準規(guī)定^[3]。

2.2破裂部位厚度測量

筒體環(huán)向周長增大，中部增加38mm，呈明顯塑性變形。斷口附近鋼板因塑性變形而減薄，邊緣厚度(1～9測點)約為8.0～9.2mm，其他部位厚度(10～12測點)約為10.0mm。封頭和筒體厚度測量部位見圖5。

2.3斷口形貌

儲氣罐爆炸撕裂后筒體近乎展成平板，開裂方向沿罐體縱向至兩封頭位置裂紋轉(zhuǎn)而沿環(huán)向擴展，裂紋長度約1800mm，殼體沒有碎片(見圖6)。從罐體爆炸后形狀和裂紋走向看出，初始裂口位于進氣管接頭與殼體相接的環(huán)形角焊縫位置。絕大部分斷口為與正應力方向成45°剪切型斜斷口，呈灰色的新鮮斷口光澤，沒有被燒灼的跡象(見圖7)。

儲氣罐爆炸時罐體進氣管接頭被沖脫，該接頭與筒體連接情況如圖8，開孔采用火焰切割，表面未經(jīng)修磨凹凸不平，環(huán)形角焊縫存在未焊透，深度a局部達7.5mm，焊縫厚度b局部最小為3mm，焊腳高度不足，環(huán)形角焊縫焊接質(zhì)量不良。當儲氣罐異常超壓時，首先從該處起裂并迅速擴展^[4]。

2.4斷口顯微組織

從進氣管接頭與殼體相接環(huán)形角焊縫的初始破口位置及遠端母材截取斷口試樣作微觀分析(見圖9、圖10)，整個環(huán)斷面皆為撕裂型韌窩斷口，未見其他脆性開裂的斷口形態(tài);遠離初始破口位置的罐體母材的微觀斷口皆為韌窩狀韌性斷口。

2.5失效原因

材料分析表明，儲氣罐筒體化學成分、金相組織和材料強度級別符合標準規(guī)范要求。

結(jié)合斷口分析為一次性撕裂的韌窩斷口，可以判斷，3#機儲氣罐是在超壓條件下產(chǎn)生屈服后強度失效發(fā)生的物理爆炸^[5]。

2.6間接原因

(1)使用單位擅自改造，違規(guī)將3#機壓力控制器電路系統(tǒng)斷開，令其電磁閥通過4#機壓力繼電器控制，3#機防超壓自動保護系統(tǒng)失效。

(2)3#機排氣管上裝設(shè)截止閥，無開啟標記及鎖緊裝置。操作人員違章操作，開機前未對罐體壓力狀況及閥門開閉情況等進行檢查。事發(fā)時截止閥為關(guān)閉狀態(tài)，致使儲氣罐迅速超壓。

(3)使用單位規(guī)章制度不健全，未按規(guī)定對空氣壓縮機儲氣罐進行定期檢驗和耐壓試驗，設(shè)備上的安全閥長期未進行校驗和維護保養(yǎng)，安全閥失靈;經(jīng)對3#機II級氣缸安全閥進行測試，開啟壓力高達7.2MPa，而其設(shè)定開啟壓力值為3.3MPa(罐體安全閥與其相同，但已損壞)。當3#、4#機聯(lián)動運行后，3#機儲氣罐壓力不斷上升，安全閥失效不泄壓，致使儲氣罐超壓爆炸。

3  爆炸壓力、能量及沖擊波超壓計算

3.1爆炸壓力計算^[6]

起裂部位位于壓縮氣體進氣管與儲罐連接接頭處，接頭處的未焊透構(gòu)成了沿罐體壁厚方向深度為a的原始裂紋，如圖11所示。該裂紋在遠場受罐體薄膜應力作用，在裂紋內(nèi)側(cè)受壓力作用。

圖11的接頭缺陷可以簡化為厚板單邊裂紋模型。裂紋長度為a，板寬為w=t+b，其中t為罐體名義厚度，b為接頭處裂紋延長線上的角焊縫高度，裂紋體在遠處受均勻拉力σ作用，σ與罐體環(huán)向薄膜應力σ_θ有關(guān)，裂紋體在裂紋面上受壓力p作用。

從斷口可以看出，未焊透深度可達7.5mm，即a=7.5mm;該處裂紋延長線上的角焊縫高度僅約為1mm，即b=1mm;罐體厚度t=10mm;罐體內(nèi)徑D_i=500mm。

經(jīng)過計算得出:p≥4.72MPa^[6]，故3#機儲氣罐裂紋起裂壓力為4.72MPa以上。

3.2爆炸能量及距爆心4m處沖擊波超壓計算^[7]

壓縮氣體絕熱系數(shù)K取1.4，氣體爆炸能量系數(shù)C_g按絕 對壓力4.72MPa經(jīng)差值計算取值0.8×10⁶kgf·m/m³，罐體容積V=0.3m³，儲氣罐破裂時最 大爆炸能量^[7]:

U_g=C_gV=0.8×10⁶×0.3=0.24×10⁶kgf·m

TNT當量:

q'=2.32×10^－6×Ug=2.32×10^－6×0.24×10⁶=0.56kg

與1000kgTNT的模擬比^[7]:

α=(0.56/1000)^1/3=0.082

計算距離爆炸中心4m遠處(R=4)的沖擊波超壓^[7]:

△P(R)=△P₀(R/α)=△P₀(4/0.082)=△P₀(48.78)≈0.025MPa

這是在空中爆炸時的沖擊波超壓，設(shè)在地面上爆炸時由于沖擊波受地面的反射使超壓增強%50～100，實際可能產(chǎn)生沖擊波超壓為0.038～0.05MPa，儲氣罐在爆炸破裂時，在距離4m附近將會導致產(chǎn)生墻體墻下裂縫及屋瓦掉下等現(xiàn)象^[7]，現(xiàn)場與之吻合。

4  預防措施

為了保障空氣壓縮機及儲氣罐體的安全運行，須做好幾方面工作:

(1)使用單位必須建立嚴格的使用管理制度，按規(guī)定聘用持有特種設(shè)備作業(yè)證的管理和操作人員，制定操作規(guī)程，明確空氣壓縮機在操作準備、啟動、看管、停車四個階段的工作要領(lǐng)^[1]，規(guī)定空氣壓縮機三級保養(yǎng)內(nèi)容。定期對操作人員進行技能和安全培訓。做好儲氣罐、安全閥和壓力表等安全附件的定期檢驗和校驗工作。

(2)嚴禁擅自對空氣壓縮機進行改裝，安裝在空氣壓縮機排氣管上的閥門一般采用球閥或逆止閥^[2]。若使用截止閥，設(shè)備運行時應保證全開，并有鎖緊裝置及開啟標記;

(3)做好空氣壓縮機防超壓、防積碳、防管道振動工作^[8]。設(shè)立超溫超壓保護裝置，一旦超負荷能自動切斷，停止運轉(zhuǎn);壓力調(diào)節(jié)器、安全閥必須經(jīng)過正確調(diào)試，確保靈活安全、有效;壓。

(3)使用單位規(guī)章制度不健全，未按規(guī)定對空氣壓縮機儲氣罐進行定期檢驗和耐壓試驗，設(shè)備上的安全閥長期未進行校驗和維護保養(yǎng)，安全閥失靈;經(jīng)對3#機II級氣缸安全閥進行測試，開啟壓力高達7.2MPa，而其設(shè)定開啟壓力值為3.3MPa(罐體安全閥與其相同，但已損壞)。當3#、4#機聯(lián)動運行后，3#機儲氣罐壓力不斷上升，安全閥失效不泄壓，致使儲氣罐超壓爆炸。

(4)操作人員應持證上崗，按章精心操作，拒絕違章指揮。認真做好設(shè)備運行前檢查、啟動、運行、停機和日常維護保養(yǎng)工作，每班巡檢并填寫運行記錄，做好交接班工作[9]。

(5)儲氣罐制造單位在確保主體焊縫質(zhì)量的同時，還應加強對殼體上各接管角焊縫的焊接質(zhì)量控制，從設(shè)計、工藝、加工、檢驗幾方面采取措施，確保產(chǎn)品質(zhì)量滿足標準規(guī)范要求。

5  結(jié)論

造成事故的原因是使用單位擅自改造空氣壓縮機控制系統(tǒng)，使得3#機超壓自動保護系統(tǒng)失效，開機時3#機排氣管上裝設(shè)截止閥在關(guān)閉狀態(tài)，導致儲氣罐迅速超壓，安全閥不能正常工作致使超壓時不能按設(shè)計要求進行安全泄放，最終造成儲氣罐超壓爆炸。為避免類似事故發(fā)生，空氣壓縮機使用單位應加強使用管理，落實特種設(shè)備主體責任，按規(guī)定及時對設(shè)備和安全附件進行定期檢驗，杜絕非法改裝，督促操作人員按章作業(yè)。這些切實可行的預防措施能夠確?？諝鈮嚎s機及儲氣罐體在生產(chǎn)中能夠安全運行。