氧气瓶爆炸失效分析

张 元 ， 张 号 ， 李明超 ， 孟维歌 ， 宋明大

（1. 中国石油大学（华东） 化学工程学院，山东 青岛 266580；2. 山东省特种设备检验研究院有限公司，济南 250101）

0 引言

气瓶是用以贮运永久气体、液化气体和溶解气体的可重复充装使用的移动式压力容器[1]。近些年气瓶爆炸事故频发[2-5]，造成了重大经济损失，因此，气瓶的安全性问题至关重要。目前，我国气瓶行业安全问题严峻：第一，气瓶数量庞大，截止到2017年底，我国共有气瓶14 265万只[6]；第二，气瓶公称压力大，且常用来充装易燃易爆有毒的危险化学品，因此危险性极大；第三，一旦失效，给人们的生命、财产、环境带来伤害和损失。

氧气瓶的爆炸失效可以分为物理爆炸和化学爆炸。前者是由于物理因素，如受热膨胀、结构损伤和外力破坏等，导致气瓶破裂，如文献[7]研究分析的一次车用气瓶爆炸事故的原因为物理爆炸；后者是由于在充装过程中混入可燃性物质，如油脂、氢气等，与氧气发生剧烈化学反应导致的爆炸，文献[8]中氧气瓶使用压力过低导致乙炔流入氧气瓶，在充装过程中发生化学爆炸。相比于物理爆炸，化学爆炸破坏力更大。

目前国内已有一些针对氧气瓶爆炸事故分析和安全评价的研究。韦晨等[9]建立有限元模型，对气瓶爆炸进行了动态分析，对爆炸压力进行了预测；梁斌等[10]通过常规检测试验和事故现场勘查技术，依据碎片抛射距离模型估算气瓶实际爆炸能量，从能量角度分析氧气瓶爆炸性质和起因；李冬等[11]对一起氧气瓶充装过程中混入油脂导致化学爆炸的事故进行了分析计算，得到爆炸实际油脂量，认为大量的油脂存在纯属误操作导致；陈卫华等[12]分析了3起氧气瓶爆炸事故，总结出了违规操作、气瓶混入氢气、瓶内沾有油脂和结构损坏4种原因；鲁红亮等[13]对气瓶身份识别技术中典型的钢印编号、条码和电子标签等3种手段的研究和应用进行了综述，认为电子标签技术最适合气瓶的监管；袁淑芳[14]应用事故树法分析了氧气瓶爆炸事故，为氧气瓶安全管理提供科学依据。

本研究对一次氧气瓶爆炸事故进行失效分析，以找出氧气瓶爆炸的原因。分析气瓶事故原因对于同类气瓶在灌装、运输、使用等过程中的安全问题有着重要意义，可为气瓶的安全性问题和同类失效问题提供一定参考。

1 事故概况

在进行氧气瓶卸车的过程中，其中一气瓶发生粉碎性爆炸，造成1人死亡、1人重伤、1人轻伤。现场设施毁坏严重，车间彩钢瓦、运输车和其他气瓶均受到不同程度损伤。据目击者介绍，爆炸时产生大量浓烟。检查发现，其他气瓶瓶身沾有大量油脂，如图1所示。爆炸产生数十块碎片，最远一块碎片飞出距离约为250 m，事后共收集到碎片51块，总重约50 kg。

2 试验过程与结果

2.1 碎片检查

图 1 爆炸现场其他气瓶及瓶身油脂Fig.1 Gas cylinders and grease

瓶肩碎片外表面尚残留部分原始钢印标记，据此确定事故气瓶的重量为57.8 kg，容积为41.2 L，壁厚为5.8 mm，生产日期为1991年11月。碎片如图2所示，瓶肩碎片外表面残留少量淡蓝色瓶漆，为氧气瓶的颜色标记。未见气瓶编号、制造标准、充装介质、公称工作压力和水压试验压力等标记信息。瓶肩碎片相对较小，基本被展平，碎片既有剪切断口也有正断断口。瓶肩碎片断口表面及碎片内表面存在大量的过火痕迹，包括瓶口内螺纹熔化、断口发蓝和内表面附着炭黑物。

瓶身碎片基本成长条状并存在一定的卷曲度，体积相对较大，断口大多数为剪切断口，其余少数为正断断口，断口形貌如图3所示。

事故气瓶瓶底有3处撕裂裂缝，相对完整，未发生破碎，与瓶底相连的部分瓶身均向外伸展。碎片上未发现明显的腐蚀或机械损伤等缺陷。用游标卡尺对瓶肩和瓶身的碎片选点测厚，结果显示碎片壁厚为4.84～11.00 mm，壁厚最小处位于瓶身处，最大处在瓶肩处，壁厚减薄不大。

图 2 瓶肩碎片过火痕迹Fig.2 Combustion appearance of shoulder debris

图 3 瓶身碎片断口形貌Fig.3 Fracture morphology of body debris

2.2 化学成分分析

对气瓶瓶身碎片取样，进行光谱分析。测得化学成分结果如表1所示，气瓶的化学成分符合GB/T 5099—2017《钢制无缝气瓶》的要求。

2.3 金相组织分析

对气瓶瓶身碎片内表面断口处进行金相检查，结果如图4所示。气瓶金相组织为铁素体+珠光体，断口处晶粒明显拉长，存在少量魏氏组织，有脱碳现象。

表 1 气瓶材料化学成分（质量分数 /%）Table 1 Chemical composition of oxygen cylinder (mass fraction /%)

图 4 气瓶金相组织Fig.4 Metallographic structure

2.4 内表面附着物分析

对图2b中内表面的炭黑附着物进行傅里叶变换红外光谱分析，结果见图5。由分析结果可知，在波数2 800～3 000 cm-1处的吸收峰为CH的伸缩振动峰，1 737.55 cm-1处为羰基的伸缩振动吸收峰，1 411.64 cm-1处为CH的弯曲吸收峰，由此可推断，附着物的主要成分为碳氢化合物。

图 5 内表面附着物红外光谱分析结果Fig.5 Infrared spectrum analysis results of attachment

对内表面附着物进行扫描电镜观察，炭黑物质的微观形貌如图6所示。采用波谱分析附着物的含碳量，结果显示含碳量约为3.363%。

图 6 炭黑物质微观形貌Fig.6 Micro appearance of black attachments

3 爆炸原因分析

3.1 爆炸特征分析

事故爆炸产生数十块碎片，且壁厚无明显减薄，说明在爆炸时瓶体钢板材料的变形速度远未达到瓶内压力的增长速度，属于材料的瞬间断裂。另外，气瓶断口处壁厚无明显减薄，部分断口为正断断口，是材料快速断裂的典型特征。这与瓶内压力缓慢上升，造成气瓶鼓胀变形，最终导致气瓶物理性破裂的破坏形式不同。并且爆炸致使现场设施毁坏严重，爆炸能量远大于一般物理性的超压爆炸。

发现气瓶碎片内表面及断口表面存在炭黑残留物，且瓶口内螺纹存在熔化痕迹和发蓝现象，只有化学反应形成的局部瞬时高温，才能形成此类断口；金相检查发现断口处存在魏氏组织（过热组织），红外光谱分析证明残留物为碳氢化合物，为物质燃烧后的残留物（因其他气瓶瓶身沾有油脂，推断可燃物应为油脂）；现场人员也证明爆炸时产生了大量浓烟。以上信息可证明，气瓶内部因油脂存在而剧烈燃烧，发生了化学爆炸。

3.2 爆炸过程分析

事故气瓶在爆炸之前具备氧气和可燃物（油脂）等发生化学爆炸的物质条件，在瓶内温度达到着火点时发生化学爆炸。气瓶在正常储运过程中，一般瓶内温度达不到着火条件，但是气瓶在瓶阀开启时或在搬运过程中氧化皮的掉落均可能摩擦产生静电，静电积聚到一定程度就会发生放电现象，引燃气瓶内部油脂。油脂在高压氧气的作用下快速燃烧，使瓶内压力迅速升高，从而引发化学爆炸。

经调查，此气瓶不存在不同气体混装的情况，气瓶油脂应为工人在运输、使用过程中所沾染的油污。

4 结论

1）氧气瓶爆炸属于化学爆炸。

2）气瓶内表面存在可燃物油脂，卸车时产生的静电将其点燃，引发气瓶爆炸。