蓄能器爆炸事故原因推断及防控措施

孙增生，张全伟，甘树楠，宋仁智，蒋玉明，杜兴隆

(长城钻探工程有限公司，北京 100101)

0 前言

钻修井机设备上经常使用蓄能器。封井器远程控制房中的蓄能器是用做能量储备的一种设备，通过释放储备的能量快速关闭或打开封井器。

随着使用时间的延长，蓄能器的充气压力可能会下降，胶囊破损的情况也时有发生。所以按照规定，需定期检查胶囊压力。如发现压力下降或漏气，则需补充氮气或更换胶囊。一旦设备出现故障或操作不当，则有爆炸的危险。2001—2010年国内石化行业1 700起事故中47%是压力容器爆炸事故[1]。本文描述了一起由多方原因导致的蓄能器物理爆炸事故，旨在分析并总结事故原因，加强防范措施，杜绝此类事故的发生。

1 事故调查

1.1 事故经过

某钻井队远控房为FKQ-1280型，配备了16只80 L的蓄能器。2018年11月20日机械师及其助手在例行检查中发现第15号蓄能器(厂家制造编号：10669)胶囊损坏、漏气，在与系统进行安全隔离、释放胶囊内残余压力后，拆卸了该蓄能器上部锁紧螺母、压环、支承环等，过程顺利。取出胶囊后，发现胶囊已经漏气。随即更换新胶囊并逆向安装各部件。机械师在紧固锁紧螺母过程中，始终感觉锁紧螺母未能拧紧。他担心如果继续旋紧可能会把胶囊从蓄能器内带出，便停止继续拧紧该锁紧螺母，而未查找不能拧紧的原因。随后安装气嘴和气门芯，开始充气。使用了2瓶氮气充到了4.9 MPa后，发现现场已经没有多余的氮气，决定临时结束充气，待采购氮气后再补充至7 MPa。两人离开远控房后约3 min，行走到距远控房约20 m处，突然听到远控房发出巨响，看到远控房上的天窗被撞开。观察数分钟无再发异响、异味及其它异常情况，遂进入远控房检查。此时发现原充氮气的第15号瓶顶部连接体被炸飞。后在场地11.5 m远处发现顶部连接体，在远控房四周发现崩出的尼龙密封圈(已损坏)，在该瓶体下方发现变形的铁质压环。检查蓄能器顶部瓶口周围无燃烧痕迹，无任何变形、损伤。胶囊从充气连接口处断裂，剩余部分仍然留在瓶体内。

1.2 调查结果

事故发生后，井队立即停止作业，由相关人员组成联合调查组进行了调查。调查发现：远控房型号是FKQ1280-7，2012年出厂，符合API Spec 16D:2004[2]标准。蓄能器为16只80 L ASMEⅧ-1-2010标准[3]的储能器。中间曾数次更换胶囊，一直工作正常；在距离远控房11.5 m处发现爆炸碎片，为蓄能器顶部连接体、锁紧螺母(均无变形)、撕裂的胶囊等，称重共3.1 kg；远控房为钢结构，除蓄能器上方天窗盖板变形损坏外，外观无异常发现。室内未发现其它物体损坏；蓄能器目视无任何破裂、变形，无燃烧痕迹，瓶口光滑。瓶体周围有变形的铁质压环；蓄能器内胶囊的残体取出后经检查较完整，与爆炸碎片上的胶囊能拼接为一个完整的胶囊；未能找到支撑环的金属部分或其碎片；回顾调查蓄能器内的胶囊运输与储存符合HG/T2331-1992规范[4]；充装过程中使用的2瓶氮气浓度分别为99.4%和99.6%，符合国家工业氮气浓度标准[5]；蓄能器按国家特种设备规范TSG21中要求定期检测、维护[6]，所用计量器具均按要求进行过标定；机械师50岁，体健，从事本工作多年，曾进行过类似维修，助手为当地员工，已经在井队工作数年；生产商和使用单位均无完整的更换蓄能器胶囊的标准操作程序；维修前开具了作业许可(Permit To Work,PTW)。

2 爆炸原因推断与分析

蓄能器是液压系统中的一种常用的能量储蓄辅助装置。它在适当的时机将系统中的能量转变为压缩能或位能储存起来。当系统需要时，又将压缩能或位能转变为液压或气压等能量而释放出来，重新补供给系统，以达到补充和稳定液压系统的流量和压力的目的。囊式蓄能器是气体蓄能器的一种，工作原理以波义耳(Boyle)定律为基础，通过压缩气体完成能量转化。因规格齐全，胶囊惯性小、反应灵敏、油气隔离等优点，是目前使用最多的一种蓄能器[7]。钻修井远控房就是使用了这种蓄能器作为应急能量储备。

蓄能器作为压力容器的一种，因使用或维护不当则有可能发生爆炸，根据其爆炸原因可分为化学爆炸和物理爆炸，其中多数为化学爆炸[8]。但本起爆炸根据调查认为是物理爆炸，原因推断如下。

2.1 爆炸原因推断

a) 充装前已经验证过充装的气体是高纯度的氮气，氮气化学性质相对稳定，在常规条件下不易发生化学反应，不具备发生化学爆炸的基础。

b) 蓄能器内胶囊为橡胶制品，易燃烧，现场查看未发现燃烧的痕迹。

c) 所谓物理爆炸即物质状态参数迅速发生改变，在瞬间释放大量的能量并对外做功的现象，相比较化学爆炸影响范围较小。

2.2 爆炸释放能量的计算

为了进一步论证事故爆炸原因，并推断释放的能量，做以下推导计算。

压缩气体的爆炸力相当于气体绝热膨胀时做功，可通过公式(1)计算[9]：

(1)

式中：Eg——气体爆炸的能量，J；

p——气体爆炸前的绝对压力，MPa；

V——容器的容积，m3；

k——气体的绝热系数，氮气k=1.4。

代入相关数据，其中，p=4.9+0.1(大气压)=5 MPa；V=80 L=0.08 m3。在此状态下发生物理爆炸所释放的能量为：Eg≈671×103J。

因本次爆炸点聚集在蓄能器的顶部，可视为点爆炸源，故使用TNT当量模型计算[10]。此次爆炸的TNT当量为：

(2)

爆炸能量在向外释放时以冲击波能量、碎片能量和容器残余变形能量3种形式表现出来，而后2种能量只占总爆破能量的3%～15%[11]，则在本例中碎片能量和容器残余变形能量区间范围是：20.13×103～100.65×103J。

爆炸碎片的能量计算如下。爆炸碎片的飞行轨迹如图1所示。

图1 爆炸后顶部连接体的飞行轨迹示意

假设空气阻力忽略不计，上飞的爆炸碎片在远控房天窗盖板的作用下改变了运动方向，作匀变速曲线运动，它的运动轨迹则是抛物线。根据运动独立性原理，可以把斜抛运动看成是作水平方向的匀速直线运动和竖直上抛运动的合运动。设定爆炸碎片的初速度为V0；在与天窗盖板碰撞后的速度为V1，物体的水平射程S为：

(3)

在落点低于抛点时，最佳初射角θ则为：

(4)

假设爆炸碎片以飞行最远的角度射出，通过以上公式可以计算出爆炸碎片的V1为：V1=9.176 m/s，此时的动能E为：

(5)

爆炸碎片落地时飞行速度因势能转化为动能，速度已经增至12.28 m/s，动能为233.7 J。

可以得出：撕裂胶囊和变形的天窗盖板消耗了20×103～100.52×103J的能量，通过以上计算和现场调查发现：蓄能器内压缩空气的爆炸能量足以导致胶囊撕裂和爆炸碎片的飞行。现场无其他设备在爆炸过程中损坏，故无直接证据证明爆炸过程中释放的能量大于压缩气体储存的能量。从而可以判断此爆炸过程是一个物理爆炸过程。

2.3 爆炸危害的分析

压力容器爆炸时，容器内的高压气体迅速冲出，使周围的空气受到冲击而发生扰动，形成冲击波。空气冲击波压力的突跃变化形成冲击波超压，多数情况下冲击波的伤害、破坏作用是由超压引起的[12]。正常充气作业时，机械师与其助手距离蓄能器爆炸点可能在0.5～1.5 m范围内工作，蓄能器能量的85%～97%产生冲击波，计算与1 000 kg TNT模拟比α为：

(6)

故与1 000 kg TNT模拟比为0.050 16～0.052 42之间。与模拟实验中相当距离R0为：

(7)

则相当于在 9.54～29.90 m范围内活动，根据已知药量的实验所测得的超压值来估算相应距离下爆炸时的超压值 (△pa)见表1。机械师与其助手活动范围内的超压范围为0.061～0.85 MPa，而当超压大于0.10 MPa时，大部分在场人员会死亡，冲击波对人体的影响见表2[13]。

表1 1 000 kg TNT炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压

表2 冲击波超压(△pa)对人体的伤害作用

爆炸过程中产生的爆炸碎片是另一种危害因素。有研究资料表明爆炸碎片能量大于60 J时，可致人员轻度骨折；能量大于200 J时可致重度骨折，能量大于400 J时可致人员死亡[1]。在本次爆炸过程中，爆炸碎片的最终动能为233.7 J，若无天窗盖板消耗一定的爆炸碎片能量，则爆炸碎片会具有更高的动能，足以致人死亡。

2.4 事故原因分析

蓄能器顶部结构如图2所示，安装完成后如图3所示。

图2 蓄能器顶部结构示意

图3 蓄能器组装完成后示意

经拆检同批次的蓄能器证实其支承环为一体式支承环，从图2、图3可以看出，只要支承环安装到位，未完全碎裂，顶部连接体是不能脱出的。

事后曾重复了组装过程，证实只有在支承环位置安装错误时(即把支承环安装在顶部连接体的下方)或未安装支承环情况下，爆炸事故才有可能发生。孙雷[14]研究认为由于蓄能器支承环常会发生疲劳破坏，但即使出现了长的裂纹，它仍然能起支承作用，不易直接导致囊式蓄能器的破坏。调查中发现，虽然机械师有过更换蓄能器胶囊的经验，但并未接受过专门培训。国内生产商和使用单位均无完整的更换蓄能器胶囊的标准操作程序。机械师维护蓄能器时采取的风险控制措施仅仅是把此蓄能器钢瓶从系统中隔离出来。

经上述推论并多次与蓄能器生产商相关部门讨论，确定此次爆炸事故是由于机械师在更换胶囊过程中，支承环位置安装错误或未安装支承环所致。本次事故的直接原因是：机械师在更换胶囊过程中，支承环位置安装错误或未安装支承环，所以会感觉锁紧螺母一直上不紧。但机械师并未停止操作，而是在未明确原因的情况下错误地直接进行下一步的充气过程，从而导致事故的发生。

3 防控措施及建议

a) 加强培训和重视开展标准化作业是有效防止和克服习惯性违章的切实有效途径，是提高工作质量和产品质量的保证。本次事故与员工未接受过相关培训直接相关。

b) 蓄能器生产商并没有给出一个详细的更换胶囊的标准操作程序，使用单位也没有类似程序。管理的基本要求就是严格按规定操作，按程序操作。没有相应的规定，没有相应的程序，说明组织的管理体系存在缺陷[15]。

c) 不同的蓄能器锁紧螺母扭矩不相同。贺德克(HYDAC)公司的蓄能器维护保养手册给出了具体数值[16]，并提供了一个组装蓄能器的视频[17]供用户参考。建议生产商和使用单位可以借鉴其他(贺德克等)公司的做法，制定一个较为详细的标准操作程序。

d) 设备的设计、制造、安装、使用及维修保养过程中每一个环节都有相应的标准和要求，而这些要求往往被某些人认为是繁文缛节，甚至是浪费时间，不利于提高生产效率。事实上这恰恰是员工安全保障的屏障。一旦这个屏障被打破，就可能导致悲剧的发生[18,19]。使用单位应制定科学的、可行的标准操作程序，并要求每个工人在实际操做中要严格执行。