氧气、氩气平衡罐爆炸事故失效机理分析与预防

李 博　吴兴华　汤晓英　黄文和

（上海市特种设备监督检验技术研究院 事故调查技术中心　上海　200333）

氧气、氩气平衡罐爆炸事故失效机理分析与预防

李 博吴兴华汤晓英黄文和

（上海市特种设备监督检验技术研究院 事故调查技术中心上海200333）

用于向炼钢车间氩氧精炼炉供气的氧气平衡罐、氩气平衡罐发生爆炸事故。针对该事故展开技术分析与调查，在明确配气站概况、氧气及氩气装置技术参数、事故现场物损情况的基础上，通过罐体材料性能测试、断口检查、金相观察等手段展开失效分析，并对罐体相关气化器的气化能力计算审核，对汽化器的温度监控系统进行查验。结果表明：平衡罐罐体16MnR材料发生脆断是造成气化器下游的氧罐和氩罐最终发生爆裂的直接原因；整个装置系统缺乏低温保护系统，而气化器在气候条件恶劣情况下长时间连续、超负荷使用，导致翅片管表面结霜严重，诱发事故的产生。最后本文对材料组织碳化物偏析条件下的低温脆断机理进行揭示，并对该类事故的预防提出建议。

平衡罐爆炸事故失效分析低温保护

1　事故概况

某配气站内的一台氧气平衡罐（以下简称氧罐）、一台氩气平衡罐（以下简称氩罐）突然发生爆炸。这两台平衡罐用于向炼钢车间内的氩氧精炼炉（AOD炉）供气。爆炸造成氧罐、氩罐解体，碎片四散飞出，并对周围厂房设施造成不同程度的损坏，工厂生产被迫中止，所幸无人员伤亡。

据事发当日在岗的压力容器操作人员描述，爆炸前装置压力表显示正常，但整个气化器（包括连通平衡罐前的管道）都已结冰，在巡查发现该情况结束4～5min后发生爆炸；从当地气象局提供的气象资料来看，事发前连续数日气温均在0℃以下。本文即针对该事故展开失效分析、技术调查及预防警示。

2　涉事设备概况

2.1 配气站及其使用、管理、设计、检验情况

该配气站内，共有氧气、氩气和氮气配气装置各一套，每套装置分别由低温储槽、低温液体泵、空温式气化器、平衡罐以及不锈钢、碳钢管道、阀门、附件等组成。

1）配气站使用及管理情况：

（1）该配气站自安装完成已使用4年，自使用以来氧气、氩气耗量逐年递增；爆炸发生前，从AOD炉工艺冶炼记录情况来看，车间每天24h内连续炼钢操作，氧气与氩气交替使用，气化器基本上处于高负荷运转状态，氧流量曾一度达到670Nm3/h的高流量，超过气化器的设计流量；

（2）该配气站配备持证压力容器操作人员一名，仅负责白天的压力容器操作，夜班存在无证人员操作压力容器的情况；该配气站的安全技术操作规程（草案）内容简单，操作性不强，尤其是关于当气化器完全结冰时采取何种紧急措施，并没有明文规定。

2）配气站内管道工程设计情况：管道工程设计单位具有设计资质，配气站管道工程为设计单位根据使用单位提供的图纸资料，按GB 50316—2000 《工业金属管道设计规范》以及GB 50030 《氧气站设计规范》进行设计，设计范围为站内液氩、液氧和液氮储罐出口至炼钢车间之间的管道；但在管道工程设计中，在气化器后未设温度监测系统以及当温度过低情况下低温液体泵的联锁保护系统。

3）配气站内特种设备检验情况：配气站中3台平衡罐以及压力管道已超过全面检验有效期，至爆炸发生前仍未停用安排检验。

2.2氧气、氩气装置技术参数

1）氧气/氩气平衡罐基本参数：容器类别为Ⅱ类；设计压力2.75MPa；最高工作压力2.5MPa；设计/工作温度为常温；容积30m3；材质为16MnR钢。

2）液氧/液氩气化器基本参数：气化能力600Nm3/h；工作压力2.5MPa；环境温度-5℃；入口温度-183℃/-186℃；出口温度-10℃；气化器换热元件为八翅片星形翅片管；翅片管规格为φ200mm；流体导管规格为φ28mm×3.5mm；材质为3A21铝合金；换热面积190.1m2；翅片管总长132m；翅片管布置方式为6管竖直并联。

3）低温液体泵基本参数：功率5.5kW；流量100～600L/h；吸入压力0.02～0.8MPa；最大排出压力16.5MPa。

3　事故现场勘查

爆炸造成氧罐和氩罐解体，形成多块碎片并向四面飞散，爆炸碎片飞出的最远距离达230m。氧罐的主要残体被抛至西北方向80m处的河道内，氩罐主要残体在向西南方向飞行130m后，破开其他单位厂房的围墙后落地［见图1（a）］。气化器大部分被抛至东南方向，距离60m、120m不等，氩罐的低温液体泵泵体开裂损坏。氧罐低温液体泵飞离原位。设备之间相应的连接管道也被扯断四处飞散。氧罐主要残体上封头、第一节筒身基本完好，无明显变形，有两块残片与之相连，一块残片上带有人孔、人孔盖和安全阀，残片沿纵向和环向撕裂，呈向外展开状［见图1（b）］。从现场的宏观来看，两个爆裂罐残片的大部分开裂断口平齐，断口边缘无剪切唇，疑似为脆性断裂断口特征。为进一步分析，对罐体筒体材料进行低温冲击力学性能测试和断口特征微观分析。

图1　事故现场勘查的部分情况

4　事故原因分析

4.1材料性能测试

对氧罐、氩罐残片取样，对取样材料进行冲击力学性能试验，结果见表1。通过对氧罐、氩罐残片材料的低温冲击试验可知，罐体的16MnR材料在-40℃时的冲击吸收功分别为13J和11J，远小于GB 150附录C中规定的20J。用内插法估算可知，爆炸时，氧罐和氩罐罐体材料的温度应低于-30℃。

表1　残片试样冲击试验结果

4.2断口分析

●4.2.1断口宏观检查

氧气罐碎片的断面见图2（a），可见整个弧形断面基本沿中线分为两部分，近内圆断面较为平整、细密，可见“人”形扩展花纹横向分布；近外圆侧的断面粗糙不平，为向外分布的放射状台阶。氩气罐碎片见图2（b），断面粗糙，呈黄褐锈蚀色，断面亦分为两部分，近内圆侧断面呈“人”字形扩展花纹横向分布，约占整个断面面积的2/3；近外圆侧断面上可见向外平行分布的放射状台阶。

图2　罐体碎片断面典型宏观形貌

●4.2.2断口扫描电镜观察

氧罐内圆断面在低倍扫描电镜下的形貌见图3（a），该区域断面较为平整；高倍下可见该区域断面上呈现典型的解理面和河流花样，并伴随有少量断裂韧窝，见图3（b），该区域表现出以脆性解理断裂为主、同时存在少量韧性断裂的断口形态特征。氧罐外圆断面在低倍扫描电镜下的形貌见图3（c），该区域断面较为粗糙，可见两台阶区域中间断面也较为平整，隐约可见平行于台阶的扩展条纹；高倍下该区域断面起伏较大，断面呈解理面、河流花样和韧窝的复合形貌，表现出复合型断裂特征，见图3（d）。

图3　扫描电镜下氧罐断面微观形貌

氩罐断面在低倍扫描电镜下的形貌呈层片状起伏，见图4（a），需要说明的是，该断面的氧化作用造成了氧化层覆盖了大部分断口特征，但在高倍扫面电镜下仍可见局部氧化物剥离区域的断面呈典型解理面和解理台阶形貌，见图4（b），并且可见沿解理面存在的二次裂纹，故该断面呈典型的脆性断裂特征。

图4　扫描电镜下氩罐断面微观形貌

4.3金相分析

将氧罐内圆断面平整区取样，进行研磨抛光后在低倍光学显微镜下的形貌见图5（a），可见有平行于断面的横向内裂纹存在并断续扩展。对该金相试样浸蚀后可见断面上的裂纹穿晶扩展，基体组织为珠光体+铁素体，碳化物呈带状偏析，见图5（b）。将氧罐外圆断面粗糙区取样，进行研磨抛光后在低倍光学显微镜下的形貌见图5（c），仍可见有平行于断面的粗大横向内裂纹。对该金相试样浸蚀后可见断面组织形态为珠光体+铁素体，而碳化物呈带状偏析，见图5（d）。

图5　光学显微镜下氧罐断面处微观组织形貌

将氩罐断面取样，进行研磨抛光后在低倍光学显微镜下的形貌见图6（a），与氧罐类似，有多条基本平行于断面的横向内裂纹并呈断续发展。浸蚀后可见内裂纹穿晶发展，组织为珠光体+铁素体，碳化物呈带状偏析，见图6（b）。

综合材料性能、扫描电镜及金相分析，可看到氧罐与氩罐的断面形貌均主要呈现为脆性开裂形态特征，且断面部位存在多条内部微裂纹，微观组织中有较多碳化物析出。因此，可初步判断，材料发生脆断是造成气化器下游的氧罐和氩罐最终发生爆裂的直接原因。

图6　光学显微镜下氩罐断面处微观组织形貌

4.4气化器气化能力审核

●4.4.1计算书核算

氧罐和氩罐罐体温度低，是由于气化器输出了温度远低于材料脆性转变温度的介质引起的。通过对该600Nm3/h控温式汽化器换热设计计算书进行核算，结论如下：

若不考虑运行过程中的结霜现象，为保证气化器在-5℃环境温度下维持所需气化量和出口气体温度，则理论上需要上述规格的翅片管总长132.488m，按该规格翅片管单位长度上的外表面积计算，气化器所需理论换热面积为193.96m2。

根据设计方提供的设计计算说明书，设计单位计算得出实际翅片管长度（132.000m）及实际换热面积（190.10m2）与核算得出的理论翅片管长度及理论换热面积基本一致，说明设计方的设计计算是基本合理的，但需指出，在进行设计时并没有考虑必要的传热安全系数［1］。

●4.4.2运行工况及结霜计算

从AOD炉工艺冶炼记录情况来看，气化器处于高负荷运转状态，事发前的氧流量更是一度达到了670Nm3/h的高流量，超过了气化器的设计流量（600Nm3/h）。气化器的翅片管表面已存在严重结冰（霜）情况，而结冰（霜）将导致换热效率下降，这种情况持续时间过长，就会因气化器出口气体温度过低而引发事故［2-4］。

计算分析表明，若翅片管表面无结霜，在-5℃环境温度下，介质流量670Nm3/h时的出口气体温度为260.3K（-12.7℃），在理论上不会造成16MnR发生冷脆（轧制态16MnR钢材的韧脆转变温度区间在-20℃～-35℃，而具体的转变温度T0还与板材厚度、热处理状态、晶粒组织形态及碳化物析出量等因素有关［5-7］）。但是，一旦翅片管表面出现结霜，其换热性能将大大降低，出口气体温度将迅速降低。计算表明，在670Nm3/h的介质流量下，若翅片管表面的平均霜层厚度达4mm时，出口气体温度就低于-20℃；当平均结霜厚度达27mm时，气化器出口就可能出现带液。在600Nm3/h介质流量下，当结霜厚度达5mm时，出口气体温度就低于-20℃；当平均结霜厚度达31mm时，气化器出口就可能出现带液［8，9］。

据此可以判断，翅片管表面严重结霜是导致这起事故的主要原因之一。出现较大的结霜面积，说明气化器已在大流量情况下运行了很长时间，并存在超负荷使用的情况。

4.5温度监控系统查验

设计单位在设计依据中未将GB 16912—1997（GB 16912—2008）《氧气及相关气体安全技术规程》列入。GB 16912—1997（GB 16912—2008）适用于深度冷冻法生产氧气及相关气体的企业，规定了氧气及相关气体的生产、储存、输配和使用中必须遵守的安全要求。该规程10.3.5条规定：“气化器后，应设温度监测系统，气化器后的氧气温度不准低于0℃，并设置温度过低停液氧泵的联锁保护系统。”

在本事故发生前，正是由于气化器后没有加装温度过低连锁保护系统，导致当气体低于温度限值时，低温液体泵无法及时切断，大量温度持续下降的低温介质则不断进入平衡罐，将平衡罐的温度冷却到了罐体材料的脆性转变温度以下。

4.6结冰处置存在的问题

事实上，在平衡罐发生低温脆断之前，整个气化器装置（包括连通平衡罐前的管道）结冰现象应该已经持续较长时间，且根据事发当日在岗的压力容器操作人员描述，爆炸前发现整个气化器（包括连通平衡罐前的管道）都已结冰，如果相关人员能及时意识到这种异常情况可能导致的严重后果，并采取停用低温液体泵，让汽化器退霜的紧急措施，也应能够有效的避免事故的发生。

另外，该配气站的安全技术操作规程（草案）内容简单，缺乏关于气化器完全结冰时采取何种紧急措施的明文规定。

5　事故结论

通过平衡罐罐体材料性能测试、断口分析、气化器气化能力审核以及温度监控系统查验，并调查事故发生前的结冰处置问题，在多方面情况综合分析的基础上，可以基本得出本事故结论：平衡罐罐体16MnR材料发生脆断是造成气化器下游的氧罐和氩罐最终发生爆裂的直接原因；整个装置系统缺乏气化器后、在温度过低情况下的连锁保护系统，特别是在气候条件恶劣的情况下，气化器长时间连续、超负荷使用，导致翅片管表面结霜严重，并在气化器严重结霜时仍超负荷使用，未作停用处理，是造成事故的主要原因。

需要说明的是，本案中，通过事故现场勘查，难以判断氧气、氩气罐体炸裂的先后顺序。氧罐和氩罐罐体温度低，应是由于气化器输出了温度远低于材料脆性转变温度的介质引起的，通过对断口附近金相组织观察，可发现多处微裂纹源，均位于筒体板材本体，而非位于焊缝等应力集中位置，这说明，在材料脆化过程中，在罐体壁内首先萌生的微裂纹则最终导致了罐体在极短时间内罐体的压力释放（即爆炸）。另外，断口附近组织中，存在较多的碳化物呈带状偏析，再加之低温介质和环境的影响，在承压承载条件下会加速微裂纹的萌生。

6　材料低温脆断机理

一般地，低温脆性是指，温度低于某一温度时，材料由韧性状态转变为脆性状态、冲击值明显下降的现象。16MnR属于低合金高强度结构钢，其低温脆性的产生机理往往是多重的［10］。金属材料在不同温度、应力状态、加载速度和环境的作用下，其断裂形式各不相同。普遍研究认为：钢中第二相颗粒（夹杂物、碳化物）对钢的脆性裂纹形成影响很大；脆性微裂纹可由碳化物本身破碎开始，也可起源于硫化锰夹杂物处；第二相颗粒的大小对裂纹成核也有一定的影响，小的颗粒不易引起裂纹的产生；低温脆性往往起源于晶界，晶界裂纹的形成除了晶界上碳化物影响之外，微量有害元素偏析于晶界而引起晶界脆化也是重要因素，磷、硫、锑等元素及溶解的氧、氢、氮等气体在晶界偏析，则会大幅度降低晶界脆性断裂抗力，提高脆性转变温度［11，12］。

本事故中罐体断口附近存在较多且较明显的内裂纹穿晶发展，内裂纹走向与断面的方向基本一致，这说明在事故发生前，应已有先期微裂纹产生于材料组织内。断面附近的微观组织特征为：珠光体+铁素体，且存在较多的碳化物呈带状偏析。因此，在承压承载条件下，特别是在长期服役的外加应力作用下，较多且较大尺寸的沿晶界偏析的碳化物第二相粒子（也即是沿晶形成的脆性相）极易提供大量的微裂纹源，当微裂纹长大到铁素体晶粒尺寸级别后，进而会沿裂纹尖端方向扩展进入相邻的铁素体晶粒中，当由二次相粒子决定的解理断裂应力随即转变成由晶粒尺寸决定的解理断裂应力，最终形成穿晶扩展的裂纹形态。

7　预防建议

针对这起事故，同时考虑到我国目前还有大量在役空温式气化器，为保障生产安全，避免类似事故再次发生，特做如下建议：

1）发生这起事故的一个重要原因在于，气化器出口无温度监测系统，也无连锁保护装置。若当初能够配备这一设备，在气化器出口当气体温度过低时自动切断低温液体泵，则可以避免这一事故。因此，对于目前在役的或将要投入使用的空温式气化器，建议其出口均应配备温度监控和报警装置。

2）目前我国关于空温式气化器的设计安全余量、运行周期、除霜要求、叛废报废等缺乏系统的国家标准或行业标准，这起事故的发生，很大程度上反映出相关标准法规的不健全，故建议有关部门尽快制定和完善有关政策法规，对其进行必要的规定。

3）建议相关的设备使用单位，也应完善相关安全技术操作规程（草案）内容，健全关于气化器结冰（霜）时采取何种紧急措施的明文规定，对相关操作人员加强安全操作培训。

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［上海市质量技术监督局科研项目：2015-38］

［国家自然科学基金：51505293］

Failure Mechanism Analysis and Prevention of an Explosion Accident of Oxygen and Argon Balancing Tanks

Li BoWu XinghuaTang XiaoyingHuang Wenhe
（Shanghai Institute of Special Equipment Inspection and Technical Research，Accident Investigation CenterShanghai200333）

An explosion accident， which on an oxygen balance tank and an argon gas tank of the argon oxygen refining furnace in the steelmaking plant， was investigated. The gas distribution profiles， oxygen and argon device technical parameters， the scene of the accident loss situation were investigated as the basis for the failure analysis through the shell material performance tests， fracture surface examination， and metallographic observation. The tankrelated vaporizer vaporizing capacity was calculatied and verified. And the vaporizer temperature monitoring system was checked. The results showed that the brittle fracture of the 16MnR material of the balance tank is the cause of downstream of the gasifier oxygen tank brust. The lack of low temperature protection system in the whole system，and the operation of gasifier under the harsh climatic conditions for a long time resulted into serious frosting on the tube surface and induced the accident. Finally， the low temperature brittle fracture mechanism under the condition of carbide segregation was revealed. Then the the prevention of this kind of accident was put forward.

Balancing tankExplosion accidentFailure analysisLow temperature protection

X933.2

B

1673-257X（2016）08-0065-07

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.08.017

李博（1986～），男，博士，工程师，从事特种设备事故调查与安全技术研究工作。

2015-10-23）