美国四氧化二氮泄漏事故综述

2016-03-14索志勇刘晓春北京航天试验技术研究所北京100074

化工管理 2016年30期

索志勇　刘晓春（北京航天试验技术研究所，北京　100074）

美国四氧化二氮泄漏事故综述

索志勇刘晓春（北京航天试验技术研究所，北京100074）

泄漏是四氧化二氮液体的“常见、多发病”。过去五十年里美国发生了22起较大的四氧化二氮泄漏事故，造成了巨大的损失。本文对美国过去五十年发生的四氧化二氮泄漏事故进行了总结，并根据分析结果找到泄漏的根本原因，提出四氧化二氮泄漏的解决方法，对未来液体火箭系统测试效验和操作使用都有十分重要的指导意义。

四氧化二氮；泄漏；预防

四氧化二氮具有密度大、氧化性强等特点，作为氧化剂可以与许多火箭燃料组成自燃推进剂，在弹道导弹、运载火箭、航天飞机和深空探测器上广泛使用。泄漏是四氧化二氮液体的“常见、多发病”。美国过去五十年发生了22起较大的四氧化二氮泄漏事故，其中最严重的一次事故为1978年8月24日小石城发射场大力神II号发射井四氧化二氮大范围泄漏，大约有13540加仑（51249升）四氧化二氮泄漏到地下发射井中，两名工作人员牺牲超过25名工作人员不同程度受伤，紧急疏散小石城周围的居民，发射井无法修复，可见四氧化二氮泄漏会造成损失巨大［1，2］。

1　四氧化二氮特性及泄漏危害

四氧化二氮是强氧化剂，常温下易挥发，本身不自燃只能助燃。易吸收空气中的水分，与水作用生成硝酸并放热，加速对金属的腐蚀。四氧化二氮是高剧毒化学品，泄漏后会导致人员伤亡、设备腐蚀、原料损耗。在美国过去五十年的泄漏事故中，损耗的四氧化二氮总量超过20000加仑。

2　美国四氧化二氮泄漏案例总结

由于法兰、阀门、管路等设备薄弱部位的故障，相关人员的错误操作和维修处理不及时，在实际使用过程中发生泄漏、着火或爆炸，造成航天飞行设备和地面保障设备的损伤和相关人员的伤亡，下面列出了近美国五十年四氧化二氮泄漏事故的部分案例。

1975-07-24，场所位置：阿波罗返回舱氧化剂贮罐。简单描述：宇航员一个小的操作失误导致少量四氧化二氮气体进入到指挥舱内，5人受伤。根本原因：宇航员执行程序错误。

1978-08-24，场所位置：小石城空军基地大力神II发射井。简单描述：约13450加仑四氧化二氮液体泄漏到发射井，2人死亡，25人受伤，发射井报废。根本原因：阀门O形垫圈失效，材料不相容。

1981-07-14，场所位置：肯尼迪发射中心轨道飞行器。简单描述：一个1/4英寸螺栓被错误的安装在1/2英寸螺母上导致密封不严四氧化二氮泄漏，1人轻伤。根本原因：人为操作失误。

1981-09-22，场所位置：肯尼迪发射中心哥伦比亚号航天飞机运输系统。简单描述：硝酸铁的形成导致QD阀打开，15～20加仑四氧化二氮泄漏，无人员伤亡。根本原因：QD阀有瑕疵；设计失误

1986-07-29，场所位置：肯尼迪发射中心39A发射台氧化剂贮罐。简单描述：操作人员在贮罐存在压力下移除安全阀，导致泄漏发生，有技术人员不穿防化服进行操作，少量四氧化二氮气体泄漏，两人轻伤，无硬件损坏。根本原因：阀门设计不合理；错误的人为操作。

1994-08-20，场所位置：迦南空军基地41#发射台大力神IV氧化剂罐。简单描述：使用BioT-200A清洗剂清洗火箭发动机流量控制阀导致失效，大约244加仑四氧化二氮泄漏，无人员伤亡。根本原因：保障设备设计不当；不重视程序偏差。

1997-07-16，场所位置：范登堡空军基地大力神IV A氧化剂贮罐。简单描述：使用BioT-200A清洗剂清洗火箭发动机流量控制阀导致失效，大约244加仑四氧化二氮泄漏，无人员伤亡。根本原因：材料不相容。

1997-11-06，场所位置：哥伦比亚号87#运输系统。简单描述：管路液体水锤效应导致法兰垫圈出现裂口，25～50加仑四氧化二氮液体泄漏，1人轻伤。根本原因：设备设计误差；密封性不好。

2003-08-12，场所位置：迦南空军基地40#综合发射台。简单描述：氧化剂离心泵过滤器堵塞，且泵过度使用磨损导致定子损坏，约40加仑四氧化二氮液体泄漏引起爆炸，无人员伤亡。根本原因：设备维护不利；设计存在瑕疵。

2006-01-09，场所位置：韦斯特测试站M7-1212测试室。简单描述：技术人员在拆装MD-122四氧化二氮贮箱提升阀时，约2.9加仑液体氧化剂泄出，无人员伤亡。根本原因：紧急安全措施失效；清洗操作不当。

3　四氧化二氮泄漏根本原因及预防措施

3.1设计不合理、材料不相容。

材料不相容是造成泄漏的主要原因，例如使用BioT 200A清洁剂与四氧化二氮不相容而发生反应，密封松弛破坏填料密封性和完整性造成泄漏；使用丁基橡胶O-形环作为密封垫圈，四氧化二氮与丁基橡胶不相容发生泄漏；将短期相容的材料用于长期贮存的设备、管道系统上等。

材料相容性主要包含两个方面，一方面是四氧化二氮对材料的腐蚀变脆、溶胀溶解作用；另一方面是材料对四氧化二氮的催化氧化、变色变浊等。任何材料在使用前都需要测试与四氧化二氮的材料相容性。

3.2违章操作、失误操作

不按程序操作、违反安全规定、不熟悉设备系统、不了解安全措施、不认真检查测试，是造成泄漏的又一重要原因。例如一名宇航员在返回舱测试时没听到呼叫及时激活地面降落系统，错误的执行了程序导致四氧化二氮泄漏；技术人员错误的使用密封帽导致泄漏等等。

预防四氧化二氮泄漏特别需要注意以下几点：一是操作时一定要按规定进行系统气密性测试；二是在加注作业中使用泄漏保护器，工作人员与四氧化二氮保持隔离状态；三是个人防护用品使用前必须认真检查；四是在拆卸阀门管路时一定要放空压力，严禁超压排放、超速排放；五是在加注、转注、贮存过程中一定要密切关注工作压力的变化，防止出现压力突然升高等异常情况；六是正确使用阀门，不得用力过猛，以免造成密封件损坏；七是四氧化二氮贮罐密封良好，贮量在容器容积的50%～90%之间；八是在氧化剂贮罐系统内存在压力情况下严禁敲击贮罐管道。

3.3设备维护不利、紧急处置不当

航天飞行设备和地面保障设备局部清洁或保养不当可能造成泄漏、着火爆炸。在实际测试、加注等操作过程中，发生异常情况时由于不熟悉系统性能和操作注意事项，或由于惊慌失措处置不当造成泄漏或使泄漏事态扩大。例如1994年4月约翰逊航天中心353#大楼里，工程师进行发动机测试时，发现有小部分四氧化二氮流出，但是测试团队决定继续试验，当压力上升时，80加仑四氧化二氮泄漏造成81人轻伤，测试过程中缺乏应急程序是事故根本原因。

因此必须重视维护，设备中常使用的阀门、密封部件需要经常检查、维护、修理、更换，以保证系统处于良好的工作状态。每次维修过程中所有的辅助阀门要拆除清洗，当焊缝、接头、密封垫片等部位出现渗漏时，及时维修更换处理，必要时清空贮罐、清洗内壁、检查贮罐，对于阀门则予以更换，在泵周围安装防爆笼，且减少泵的使用时间，每运转60小时进行一次严格测试。