一起真空油淬火炉爆炸事故分析与警示

杜向阳

(浙江省安全生产科学研究院)

一、前言

真空油淬火炉是一种在真空状态下对热处理工件进行加热和淬火过程的先进设备。与传统的常压淬火设备相比,该类设备在热处理工艺中对工件的加热温度、表面氧化程度方面的可控度有了很大提升,也彻底解决了油淬火工艺产生的油雾对环境的污染问题。为此,近十年来,真空油淬火炉在机械加工行业小型工件的热处理中得到了大量应用。同时,需要明确指出的是,该类设备尽管具备先进性,但在操作工艺上依旧包含高温加热、抽真空、油淬火快速冷却等过程,如操作使用不当,在使用过程中还是可能引发生产安全事故的。下面就该类设备的一起伤亡事故案例作一剖析,希望能给真空油淬火炉设备的使用企业一些启示。

二、真空淬火炉事故案例

2015年1月某日的午后,某机械制造企业热处理车间的一台真空油淬气冷炉,在运行过程中突然发生爆炸,造成1人死亡1人受伤的生产安全事故。

墙壁边的移动式空压机

旋转的炉门(油漆脱落处为凹坑)

抛出6米开外的氮气瓶

抛出6.5米开外的氮气瓶

设备正上方向前推进10米范围内的天窗玻璃被击碎

车间侧墙的窗户玻璃被击碎

(一)事故设备情况

事故设备为无锡某企业生产的双室真空油淬气冷炉,采用卧式、双室结构,炉体前室为冷却室,后室为加热室,均为圆筒形；两室间采用中间墙隔开,工件输送通道由闸板式真空隔热门升降实现开闭。设备运行主要由机、油、气、电、水五个系统实现。

1.机械系统

通过链条传动方式使工件在加热室和冷却室内实现平移和升降动作。

2.油系统

在冷却室内有油池,用于存放淬火油。采用油淬工艺时,工件浸入淬火油内实现淬火冷却。

3.气系统

通过罗茨风机抽气使加热室和冷却室处于真空状态,极限真空度可达0.4Pa；设备在淬火过程中,为保护工件在淬火时表面不被氧化,减少淬火油的沸腾,利用氮气瓶向冷却室内充入适量氮气。

4.电系统

加热室用沿圆周均匀分布的18支石墨电加热管来加热,并通过3个带冷却水套的接线桩与外部电气连接；设备自带自控记录仪,在设备开机后同步记录两室压力、温度和淬火油温度、工艺时间等参数,可实现自动控制。

5.水系统

用于加热室外壳冷却和冷却室内淬火油温的控制,由一根进水管、一根回水管、露天水池、循环泵组成水循环冷却系统。

通过系统组成及工艺表明,该设备在加热和淬火过程中已考虑了抽真空和充氮气的防爆措施,只要使用得当,正常作业过程中不会同时出现“爆炸三要素”。而实际工艺操作流程如下图：

工艺流程图

事发时点在工件经油淬火并上升至出料位后、“打开炉门锁圈、放气阀”的工艺环节。

(二)事故原因分析

经技术人员现场踏勘和对引发事故的可能性因素(包括物理爆炸、化学爆炸和事发当日异常情况等)的分析,本起事故是由发生在冷却室内的一起因淬火过程形成的油雾,与出料过程进入冷却室内的空气形成可燃性混合物,遇到工件因淬火冷却不足形成高温热表面导致的化学爆炸引发的事故。

引发事故的主要原因有以下几点：

1.存在可燃物

在油淬火工艺中,高温工件(900℃以上)遇到常温淬火油时,会导致淬火油蒸腾并在冷却室空间内冷凝形成油雾。相关资料表明,该设备使用的淬火具有可燃烧性。由于油雾中液滴粒径小,比表面积大,有利于油分子与氧气的充分接触反应,故较液态更具燃烧性。在打开放气阀前,冷却室内除了工件升降机构的扰动外,没有其他的对流动力,故油雾能够在此之前持续在冷却室内弥漫。这种状态在真空油淬火炉中是不可避免的。

2.可燃物与空气中氧气形成爆炸性混合物

在放气阀打开后,环境空气由于负压作用被吸入冷却室,吸入气流使得油雾与氧分子不断地接触混合,油气混合物中的氧含量不断升高。

3.事发日出现了断电断水异常情况,作业人员未进行有效处置

由于水循环系统没有水箱等应急设施,导致设备断电后即刻断水,而此时设备加热室已加热至882℃左右,围绕在加热室周围的冷却水管因管内缺水而被加热升温。来电后,作业人员并未采取先开通冷却水循环,让水管冷却并使回水温度回归到正常温度的处置工作,即启动真空炉继续加热,从而导致冷却水循环系统的循环水温升高。由于加热室外壳冷却和冷却室内淬火油温控制采用同一冷却水源,水温升高又降低了对油温的冷却效果,在淬火时间没变的情况下,降低了对工件的冷却效果,导致出现工件的高温热表面。

4.放气时炉门锁圈解锁

根据工艺操作设定,打开放气阀的同时,炉门锁圈也被解锁。由于该设备无安全锁扣,冷却室内发生爆炸时,炉门成为泄压面被突然弹开。

综上所述,由于第1、2、3点原因,导致在冷却室内具备了化学爆炸的三要素而发生了爆炸；在爆炸发生时,操作人员违规站立,正处于炉门正面,由于第4点原因,受到炉门正面撞击死亡。

(三)案例分析

事故是偶发的,但必由其存在的隐患而导致。该设备现实操作工艺过程存在“爆炸三要素”同时形成的可能,以及作业人员不了解设备操作说明中冷却水循环的重要性及严禁站于炉门正面作业的安全警告,正是此次事故发生的诱因。

在仔细阅读该设备制造厂家提供的设备使用说明书后,我们发现使用单位在实际使用该设备过程中存在以下几个问题：

(1)说明书要求冷却水循环系统在设备运行期间严禁断水,同时,关注回水水温≤40℃；而实际水循环系统由于缺乏水箱等应急设施,导致设备运行过程中断电时出现断水,并在来电后作业人员未及时测量回水水温,未采取有效处置措施。

(2)说明书中对油淬火冷却后打开放气阀之前,有一个对冷却室再次抽真空,去除室内油雾的步骤；实际操作中忽略了这一步,导致了爆炸三要素同时存在的可能。

(3)说明书的安全注意事项中明确指出,禁止在设备运行期间站立在炉门正面；在事故中死亡的作业人员正是站在了炉门正面,受炉门高速撞击而死,而事故中受伤的人员因站在炉门侧面仅受到热气浪的轻微烫伤。

结合前述的原因分析表明,正是上述问题的存在,才诱发了本次事故的发生。如果使用单位在新设备投入使用前,能够重视对其危险有害因素的辨识,仔细组织学习操作说明书,掌握设备工艺特性中存在的危险因素,理出危险点,制定相应的作业规程和应对措施,并及时对作业人员进行安全培训,上述问题都会被及时发现和正确解决,事故也可以避免。

(四)建议采取的针对性措施

(1)冷却水循环供水系统为防止在真空炉运行过程中,因突然发生断电而引起冷却水中断,应增加一只水箱,水箱的容量及出水压力能够满足约20分钟的供水需求。

(2)为防止爆炸三要素同时出现,应调整工艺操作流程,在油淬火后打开放气阀前,再次对冷却室抽真空,尽量除去室内油雾；在确定无油雾后,操作人员离开炉门正面,关闭真空阀,打开炉门锁圈,再打开放气阀待压力平衡后开门卸料；再次抽真空程序应该由PLC控制逻辑自动控制。

(3)增加设备安全可控性,改善人机界面,增加冷却水循环系统中进水总管流量测量、回水总管水温测量、冷却室内淬火前和淬火后的工件温度测量、淬火油温测温点等；并将相应的控制阈值可输入到PLC控制逻辑中,形成输出报警或提前干预切断危险操作的功能。

(4)在炉门上设置安全锁扣装置,以避免开炉门过程中,炉门因两侧气压失衡而发生突然弹开的情况。

(5)应将压力表和对冷却室顶部的安全泄压阀及时送检并定期检定,确保示值和动作阈值的准确。

(6)在炉门观察窗上安装高分辨率摄像头,操作人员便于通过摄像头反馈的图像了解炉内情况,避免处于炉门正面操作。

(7)将机床灯改成防爆型,并采用冷光照明；照明开关仅在炉外设置；电源线应有抗高温和阻燃措施。

(8)设备改进后,应加强对操作人员关于设备操作性能要求和操作流程的培训,使他们明确设备操作过程中的注意事项、危险点存在部位及应采取的应急措施。

(9)加强设备管理,做好上岗安全交底和交接班工作,并做好记录；对生产过程中,设备使用情况和关键参数进行检查并记录,发现问题及时向车间主管汇报。

三、结束语

《安全生产法》第二十六条明确指出：“生产经营单位采用新工艺、新技术或使用新设备,必须了解、掌握其安全技术特性,采取有效的安全防护措施,并对从业人员进行专门的安全生产教育和培训。”血的教训告诉我们,生产经营企业认真执行《安全生产法》、落实主体责任是多么地重要!