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空气压缩机储气罐爆炸事故原因分析

作者: 来源: 日期:2021/11/13 11:22:53 人气:550

摘   要:针对一起空气压缩机储气罐爆炸事故,通过现场勘察、宏观检验、材料性能测试、微观金相检测、断口分析等方法,确定了爆炸事故发生的原因。结果表明,使用单位擅自改造空压机控制系统导致防超压自动保护系统失效,空压机开机时排气管截止阀关闭导致储罐迅速超压,以及安全阀失效,是储气罐发生物理超压爆炸的直接原因。最后,从管理的角度分析了事故的间接原因,并提出预防此类事故发生的措施。


关键词:空气压缩机;储气罐;物理爆炸;失效分析


空气压缩机作为动力、工艺、制冷和气体分离及输送设备,被广泛应用于各工业领域[1]。由于特殊结构和介质的理化性质,其发生爆炸的危险性较大。近些年,因空压机操作和管理不善、制造缺陷等原因导致的爆炸事故屡见不鲜。因此,对空气压缩机事故的防范应当引起高度重视。本文针对一起空气压缩机储气罐爆炸事故进行分析并提出预防措施,以为预防此类事故提供参考。


1  事故情况


某企业一台H-6S型空气压缩机,在开机使用约15min时听到漏气声响,随即压缩机储气罐体爆炸,事故未造成人员伤亡。事故发生前空压机房内只有3#、4#机采用停转调节方式运行[2]。发生事故的3#机压力控制器电路系统被改造断开,与4#机串接,其电磁阀受控于4#机压力继电器,即当4#机储气罐压力升至设定压力高限时,3#、4#机同时停止转动,待4#机储气罐压力降到压力低限值时,则两台重新运转;3#机排气管上装设的截止阀在设备运行时处于关闭状态(见图1)。


事故造成3#机储气罐爆炸撕裂,安全阀断裂,罐体进气管接头、II级气缸安全阀等被抛至约10m远(见图2),空压机房屋顶石棉瓦多数破碎坠落,部分房架塌陷,距3#机4m远的墙体出现裂缝向外倾斜(见图3),北侧约21m范围内厂房玻璃大部分破碎,现场没有燃烧迹象。


2  事故原因分析


2.1材料成分、金相组织与性能分析


对爆炸储气罐筒体母材取样进行化学成分分析,结果见表1,可以看到材料成份符合设计选材20g标准要求。


罐体母材钢板的金相组织见图4,可发现封头和筒体部分皆为正常的铁素体加珠光体组织。


在破裂筒体周围取样(见图5)开展硬度测试,并依据GB1172“黑色金属硬度及强度换算值”换算为抗拉强度,硬度测试结果如表2所示,材料性能符合GB713标准规定[3]


2.2破裂部位厚度测量


筒体环向周长增大,中部增加38mm,呈明显塑性变形。断口附近钢板因塑性变形而减薄,边缘厚度(1~9测点)约为8.0~9.2mm,其他部位厚度(10~12测点)约为10.0mm。封头和筒体厚度测量部位见图5。


2.3断口形貌


储气罐爆炸撕裂后筒体近乎展成平板,开裂方向沿罐体纵向至两封头位置裂纹转而沿环向扩展,裂纹长度约1800mm,壳体没有碎片(见图6)。从罐体爆炸后形状和裂纹走向看出,初始裂口位于进气管接头与壳体相接的环形角焊缝位置。绝大部分断口为与正应力方向成45°剪切型斜断口,呈灰色的新鲜断口光泽,没有被烧灼的迹象(见图7)。


储气罐爆炸时罐体进气管接头被冲脱,该接头与筒体连接情况如图8,开孔采用火焰切割,表面未经修磨凹凸不平,环形角焊缝存在未焊透,深度a局部达7.5mm,焊缝厚度b局部最小为3mm,焊脚高度不足,环形角焊缝焊接质量不良。当储气罐异常超压时,首先从该处起裂并迅速扩展[4]


2.4断口显微组织


从进气管接头与壳体相接环形角焊缝的初始破口位置及远端母材截取断口试样作微观分析(见图9、图10),整个环断面皆为撕裂型韧窝断口,未见其他脆性开裂的断口形态;远离初始破口位置的罐体母材的微观断口皆为韧窝状韧性断口。


2.5失效原因


材料分析表明,储气罐筒体化学成分、金相组织和材料强度级别符合标准规范要求。


结合断口分析为一次性撕裂的韧窝断口,可以判断,3#机储气罐是在超压条件下产生屈服后强度失效发生的物理爆炸[5]


2.6间接原因


(1)使用单位擅自改造,违规将3#机压力控制器电路系统断开,令其电磁阀通过4#机压力继电器控制,3#机防超压自动保护系统失效。


(2)3#机排气管上装设截止阀,无开启标记及锁紧装置。操作人员违章操作,开机前未对罐体压力状况及阀门开闭情况等进行检查。事发时截止阀为关闭状态,致使储气罐迅速超压。


(3)使用单位规章制度不健全,未按规定对空气压缩机储气罐进行定期全面检验和耐压试验,设备上的安全阀长期未进行校验和维护保养,安全阀失灵;经对3#机II级气缸安全阀进行测试,开启压力高达7.2MPa,而其设定开启压力值为3.3MPa(罐体安全阀与其相同,但已损坏)。当3#、4#机联动运行后,3#机储气罐压力不断上升,安全阀失效不泄压,致使储气罐超压爆炸。


3  爆炸压力、能量及冲击波超压计算


3.1爆炸压力计算[6]


起裂部位位于压缩气体进气管与储罐连接接头处,接头处的未焊透构成了沿罐体壁厚方向深度为a的原始裂纹,如图11所示。该裂纹在远场受罐体薄膜应力作用,在裂纹内侧受压力作用。


图11的接头缺陷可以简化为厚板单边裂纹模型。裂纹长度为a,板宽为w=t+b,其中t为罐体名义厚度,b为接头处裂纹延长线上的角焊缝高度,裂纹体在远处受均匀拉力σ作用,σ与罐体环向薄膜应力σθ有关,裂纹体在裂纹面上受压力p作用。


从断口可以看出,未焊透最大深度达7.5mm,即a=7.5mm;该处裂纹延长线上的角焊缝高度仅约为1mm,即b=1mm;罐体厚度t=10mm;罐体内径Di=500mm。


经过计算得出:p≥4.72MPa[6],故3#机储气罐裂纹起裂压力为4.72MPa以上。


3.2爆炸能量及距爆心4m处冲击波超压计算[7]


压缩气体绝热系数K取1.4,气体爆炸能量系数Cg按绝对压力4.72MPa经差值计算取值0.8×106kgf·m/m3,罐体容积V=0.3m3,储气罐破裂时最大爆炸能量[7]:


Ug=CgV=0.8×106×0.3=0.24×106kgf·m


TNT当量:


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


与1000kgTNT的模拟比[7]:


α=(0.56/1000)1/3=0.082


计算距离爆炸中心4m远处(R=4)的冲击波超压[7]:


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


这是在空中爆炸时的冲击波超压,设在地面上爆炸时由于冲击波受地面的反射使超压增强50%~100%,实际可能产生冲击波超压为0.038~0.05MPa,储气罐在爆炸破裂时,在距离4m附近将会导致产生墙体墙下裂缝及屋瓦掉下等现象[7],现场与之吻合。


4  预防措施


为了保证空气压缩机及储气罐体的安全运行,须做好几方面工作:


(1)使用单位必须建立严格的使用管理制度,按规定聘用持有特种设备作业证的管理和操作人员,制定操作规程,明确空气压缩机在操作准备、启动、看管、停车四个阶段的工作要领[1],规定空气压缩机三级保养内容。定期对操作人员进行技能和安全培训。做好储气罐、安全阀和压力表等安全附件的定期检验和校验工作。


(2)严禁擅自对空气压缩机进行改装,安装在空气压缩机排气管上的阀门一般采用球阀或逆止阀[2]。若使用截止阀,设备运行时应保证全开,并有锁紧装置及开启标记;


(3)做好空气压缩机防超压、防积碳、防管道振动工作[8]。设立超温超压保护装置,一旦超负荷能自动切断,停止运转;压力调节器、安全阀必须经过正确调试,确保灵活可靠、有效;压。


(3)使用单位规章制度不健全,未按规定对空气压缩机储气罐进行定期全面检验和耐压试验,设备上的安全阀长期未进行校验和维护保养,安全阀失灵;经对3#机II级气缸安全阀进行测试,开启压力高达7.2MPa,而其设定开启压力值为3.3MPa(罐体安全阀与其相同,但已损坏)。当3#、4#机联动运行后,3#机储气罐压力不断上升,安全阀失效不泄压,致使储气罐超压爆炸。


(4)操作人员应持证上岗,按章精心操作,拒绝违章指挥。认真做好设备运行前检查、启动、运行、停机和日常维护保养工作,每班巡检并填写运行记录,做好交接班工作[9]。


(5)储气罐制造单位在保证主体焊缝质量的同时,还应加强对壳体上各接管角焊缝的焊接质量控制,从设计、工艺、加工、检验几方面采取措施,确保产品质量满足标准规范要求。


5  结论


造成事故的原因是使用单位擅自改造空气压缩机控制系统,使得3#机超压自动保护系统失效,开机时3#机排气管上装设截止阀在关闭状态,导致储气罐迅速超压,安全阀不能正常工作致使超压时不能按设计要求进行安全泄放,最终造成储气罐超压爆炸。为避免类似事故发生,空气压缩机使用单位应加强使用管理,落实特种设备主体责任,按规定及时对设备和安全附件进行定期检验,杜绝非法改装,督促操作人员按章作业。这些切实可行的预防措施能够保证空气压缩机及储气罐体在生产中能够安全运行。

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