液化石油气钢瓶燃爆原因分析.pdf

.+.136-2023年第2 6 卷节能安全石油和化工设备液化石油气钢瓶燃爆原因分析董国香，张捡，罗金，王华明（1.湖南劳动人事职业学院，湖南长沙410 10 0)(2.湖南省特种设备检验检测研究院，湖南长沙410 117)摘要】某餐馆液化石油气钢瓶因泄漏发生燃爆事故，通过现场勘查、宏观检验、壁厚测定、瓶阀气密性试验、断口分析、化学成分分析、力学性能试验、非金属夹杂物检验、金相显微组织分析和力学计算，表明钢瓶气瓶底座受到强外力作用而产生严重径向变形，局部应力集中明显，因液化石油气钢瓶强度失效开裂，造成泄漏燃爆。【关键词】液化石油气钢瓶；燃爆；原因分析引言液化石油气作为石油提炼的产物，主要成分是丙烯、丙烷和丁烯，具有易燃易爆特性。2 0 2 0年11月某餐馆液化石油气钢瓶因泄漏发生燃爆事故，导致房屋和部分财产受损，造成人员伤亡。本文通过现场勘查、宏观检验、壁厚测定、瓶阀气密性试验、断口分析、化学成分分析、力学性能试验、非金属夹杂物检验、金相显微组织分析和力学计算，分析液化石油气钢瓶泄漏燃爆的原因。1钢瓶主要技术参数根据设计文件、质量证明书，钢瓶技术参数如下：表1主要技术参数钢瓶内直径容器高（长）瓶体设计厚度公称容积314mm680mm2.5mm35.5 L公称工作压力瓶体材料密度弹性模量泊松比抗拉强度2.1MPaHP2957800kg/m200GPa0.3440-560MPa6231护罩2 瓶阀座3上封头4下封头5 底座6 瓶阀图1液化石油气钢瓶结构示意图2宏观检验通过宏观检验，液化石油气钢瓶下封头及底座呈明显的椭圆形状，沿下封头过渡区将气瓶切割成上、下两部分后，发现上部分的封头直边部位发生明显弹性变形，由椭圆形恢复成圆形，而下部分未见回弹，将上、下两部分重新拼接在一起，拼接端面出现明显错口，见图2。标准钢瓶的底座外径为2 40 mm，封头直边部位外径为319mm。椭圆形底座底部边沿有一处裂口，底座底部长轴为2 5 8 mm、短轴为2 18 mm,与标准钢瓶相比，事故钢瓶的底座径向变形量为18 mm，见图3。下封头过渡区椭圆形端面的长轴长度（含壁作者简介：董国香，男，副教授，长期从事无损检测教学和科研工作。137董国香等液化石油瓦燃爆原因分析第8 期厚）为330 mm、短轴长度（含壁厚）为30 2 mm，与标准钢瓶相比，事故钢瓶下封头过渡区的径向变形量为17 mm，见图4。下封头曲面部位沿底座内侧附近开裂，裂口总长度为40 4mm，断口呈45剪切状，属于塑性断裂形态，靠近断口附近的金属母材外表面存在轻微腐蚀，最大腐蚀深度不超过0.5 mm，事故钢瓶内表面未见明显腐蚀现象。事故钢瓶底座角焊缝圆滑过渡至母材表面，阀座角焊缝（见图5）、瓶体对接环焊缝已焊透。图2 切割后的气瓶上、下两部分拼接端面事故钢瓶标准钢瓶258mm218mm218mm(a）实物图（b）径向变形量对比示意图3事故钢瓶底座底部形变事故钢瓶标准钢瓶330mm802mm1#断口阀座角焊缝内表面302mm319mm(a）实物图（b）径向变形量对比示意图图4切割后事故钢瓶下部分内表面图5阀座角焊缝内表面-138-12023年第2 6 卷节能安全石油和化工设备3技术分析3.1壁厚测定分别对事故钢瓶上封头曲面部位、封头直边部位和下封头曲面部位进行壁厚测定，测点位置及厚度值分别见图6 图8、表2 表4。上封头曲面部位的测点为S1S4，厚度范围为2.7mm3.0 m m。封头直边部位的测点为Y1-1Y4-4，厚度范围为2.7 mm3.0 m m。下封头曲面部位存在一圈明显的减薄区域，1#断口的测点为Z1Z14，厚度范围为1.0 mm1.5 m m；2#断口的的测点为Y1Y 14，厚度范围为1.0mm1.6 m m；未开裂的减薄区域的测点为Xb1X b 7，厚度范围为1.2 mm1.8 m m;其他区域测点为X1X 10，厚度范围为2.5mm3.0 m m。1#断口、2#断口及未开裂减薄区域的壁厚均小于设计壁厚2.5 mm，不符合要求。302mmxZS31xb4护罩Xb3Xb5xb2X6611Xb1Xb711mmX542mmlS2S4X10X68Y1Y13Z13Z2+Y23Y124+Z12Z3Y3Y11,21124Y4X4Y10210Z5Y5Y9Y6Y8Z92628SITZ7瓶阀口新口X断口总长度abcde=404mma、b 两点间断口长度6=32 mm：d、e 两点间断口长度。-6 mm图6上封头曲面部位测厚位置示意图图7下封头曲面部位测厚位置示意图(俯视图）（俯视图）瓶阀口上封头过渡区Y1-3Y1-2Y1-1Y1-4Y1-3Y2-3Y2-2Y2-1Y2-4Y23环焊缝EY3-3ly3-2Y3-1lY34Y3-3Y4-3Y4-2Y4-1Y4-4Y4-31下封头过渡区图8上下封头直边部位测厚位置示意图（展开图）表2 事故钢瓶上封头曲面部位厚度测量值（mm）测点S1测点S2测点S3测点S42.72.72.82.8表3事故钢瓶下封头曲面部位厚度测量值（mm）测点Y1-1测点Y1-2测点Y1-3测点Y1-4测点Y2-1测点Y2-2测点Y2-3测点Y2-42.82.82.82.83.03.03.03.0测点Y3-1测点Y3-2测点Y3-3测点Y3-4测点Y4-1测点Y4-2测点Y4-3测点Y4-43.03.03.03.02.72.72.72.7139-董国香等液化石油气气钢瓶燃爆原因分析第8 期表4事故钢瓶上封头曲面部位厚度测量值（mm）测点Z1测点Z2测点Z3测点Z4测点Z5测点Z6测点Z7测点Z81.01.21.11.01.41.31.21.2测点Z9测点Z10测点Z11测点Z12测点Z13测点Z14测点Y1测点Y21.21.31.21.41.21.51.21.0测点Y3测点Y4测点Y5测点Y6测点Y7测点Y8测点Y9测点Y101.41.01.51.21.31.01.21.4测点Y11测点Y12测点Y13测点Y14测点Xb1测点Xb2测点Xb3测点Xb41.01.41.51.61.21.51.71.5测点Xb5测点Xb6测点Xb7测点X1测点X2测点X3测点X4测点X51.41.51.82.53.02.82.82.7测点X6测点X7测点X8测点X9测点X102.73.03.03.03.03.2瓶阀气密性试验瓶阀（型号：YSF-1）气密性试验的保压时间为1min，在下列条件及状态下，无气泡产生：公称工作压力（2.5 MPa）下，关闭和任意开启状态；在0.0 5 MPa压力下，任意开启状态。试验结果符合GB/T 7512-2017液化石油气瓶阀规定。3.3断口分析分别在1#断口、2#断口壁厚最小部位取一NONESEI8.OKVX8.000WO7.4n图91#断口电镜分析5000X3.4化学成分分析在事故钢瓶上封头曲面部位、下封头直边部位分别取样，进行化学成分分析，分析结果见表块试样分析断口形貌，发现断裂均从内表面起始与厚度方向约45 向外开裂。对断口进行电镜分析，发现断口均为拉伸断口，形貌为剪切韧窝，材料在塑性变形下产生的显微孔洞经形核、长大、聚集直至最后相互连接，导致断裂后在断口表面所留下的痕迹形状为某一方向拉长的韧窝（见图9图10），表明材料受到过大拉伸应力，属于塑性断裂，与宏观检验结果相符。NONESEI8.OKVX8.000WD76m图10 2#断口电镜分析5、表6。结果表明，所用材料HP295的化学成分符合GB/T5842-2006液化石油气钢瓶规定。140-2023年第2 6 卷节能安全石油和化工设备表5 事故钢瓶化学成分分析（上封头曲面部位）检验项目计量单位标准值（GB5842-2006）检验结果单项判定C(碳）%0.180.13合格S（硫）%0.0200.0061合格Mn(锰）%0.701.500.86合格Si(硅）%0.100.028合格P(磷)%0.0250.015合格S+P%0.0400.021合格表6事故钢瓶化学成分分析（下封头直边部位）检验项目计量单位标准值（GB5842-2006)检验结果单项判定C(碳)%0.180.13合格S(硫)%0.0150.0068合格Mn(锰)%1.000.88合格Si(硅)%0.100.028合格P(磷)%0.0250.016合格S+P%0.0400.023合格3.5力学性能试验在事故钢瓶上封头直边部位取样进行母材拉伸试验，在其环焊缝上取样进行焊接接头拉伸、面弯和背弯试验，试验结果见表7，符合GB/T6653-2017焊接气瓶用钢板和钢带、GB/T5842-2006液化石油气钢瓶规定。表7 事故钢瓶力学性能试验结果试验结果试验标准试验名称评定结论屈服Re（M Pa)抗拉强度Rmn(MPa)伸长率A（%）GB/T228.1-2010母材拉伸39048531合格GB/T2651-2010焊接接头拉伸525合格GB/T2653-2008焊接接头面弯试样以d=4a=180进行弯曲，弯曲部位位于焊缝上。弯曲部位无裂纹，评定焊接接头背弯结论为合格。3.6非金属夹杂物检验分别在事故钢瓶上封头直边部位和下封头曲面部位中心位置取样，进行非金属夹杂物检验，检验结果分别见表8、表9，符合GB/T6653-2017焊接气瓶用钢板和钢带规定。表8 上封头直边部位非金属夹杂检验（10 0 X）检验结果。备注A0.0200.000.umB.0.0细系。Ca0.0D.2.0.A0.0.B.0.0.粗系。C.0.0D0.0141董国香等液化石油气钢瓶燃爆原因分析第8 期表9下封头曲面部位非金属夹杂检验（10 0 X）检验结果。备注。A0.0200.000umB.0.0细系Ce0.0D。1.5A0.0。B0.0粗系，C.0.00D.0.0.3.7金相显微组织分析（1）焊接接头金相组织在事故钢瓶环焊缝上取一块试样观察焊接接头的金相组织，熔合金属金相组织见图11，组织为白色铁素体沿柱状晶界分布，少量无碳贝氏体由晶界向晶内生长，晶内为针状铁素体及少量珠光体。过热区金相组织见图12，组织为块状、针状铁素体+珠光体，晶粒较粗大，该魏氏组织评定4级。焊缝热影响细晶区金相组织见图13，基体组织金相组织见图14，金相组织均为铁素体+珠光体，受焊接热影响，基体组织出现晶粒细化区域，其效果相当于基体正火组织。焊接接头金相组织符合CJ/T31-1999液化石油气钢瓶金相组织评定规定。图12 过热区金相组织200X图11熔合金属金相组织200X图13热影响细晶区金相组织500X图14基体金相组织100X-1422023年第2 6 卷节能安全石油和化工设备(2）母材金相组织分别在事故钢瓶上封头直边部位和下封头曲面部位中心位置取样，进行金相组织分析。上封头直边部位的金相组织为块状铁素体+珠光体，内、外表面未见明显脱碳现象，见图15。下封头图15 上封头直边部位金相组织100X3.8力学计算以标准钢瓶为对象进行有限元力学计算，主要技术参数见表1。第三强度理论和第四强度理论一般适用于塑性材料，第四强度理论比第三理论更符合试验结果 1,HP295为塑性材料，选用第四强度理论分析计算。液化石油气饱和蒸气压力（即气瓶工作压力）与温度的对照关系见表10。事故钢瓶开裂泄漏时的天气温度约为2 8.7，此时气瓶工作压力为0.5 3MPa。在该工作压力下，气瓶底座径向变形量为12 mm、18 m m 时的应力分布分别见图17、图18，可以看出：在下封头过渡区下方出现了明显曲面部位中心位置的金相组织为块状铁素体+珠光体，内、外表面未见明显脱碳现象，见图16。母材金相组织符合CJ/T31-1999液化石油气钢瓶金相组织评定规定。图16 下封头曲面部位金相组织500X的应力集中部位，与事故钢瓶开裂位置相吻合，应力集中部位最大应力值分别为6 19.2 5 5 MPa、844.33MPa，都已经超过材料的抗拉强度，根据第四强度理论，材料均会发生屈服失效。气瓶应力集中部位最大值应力与底座径向变形量的关系曲线见图19，两者呈线性变化关系。与标准钢瓶相比，事故钢瓶底座径向变形量为18 mm。因此，可以推断：受底座严重变形的影响，事故钢瓶下封头曲面部位产生明显应力集中，最大应力值远远超过材料的抗拉强度，使材料产生严重塑性变形，导致壁厚明显减薄直至强度失效开裂。表10 液化石油气饱和蒸汽压力与温度对照表温度/饱和蒸气压力（工作压力）/MPa备注200.42250.48计算依据：（1）附件5。由于C5含量少且未给出其所含化学成分和含量，计算28.70.53时忽略不计。300.55（2）中国建筑工业出版社198 3年8 月出版的煤气设计手册350.63（上）。400.724结论通过宏观检验发现，事故钢瓶底座和下封头曲面部位产生严重变形，与标准钢瓶相比，最大径向变形量分别为18 mm、17 m m。通过壁厚测定发现，下封头曲面部位存在一圈明显的减薄区域，1#断口、2#断口的最小厚度为1.0 mm，未开裂-143-董国香等液化石油气钢瓶燃爆原因分析第8 期STO08C19.20205-1520:03:0025-1POTNO.(Avs)2-.76024252N-3.490535MX-619.2553.49063140.327277.264424558.836208.345345582619.255图17底座径向变形量为12 mm时的应力分布140012001000800600-4005101520253035底座径向变形量/mm图19应力集中部位最大应力值与底座径向变形量的关系曲线减薄区域的最小厚度为1.2 mm。通过断口分析发现，断口为拉伸断口，形貌为剪切韧窝，属于塑性断口。因此，结合力学计算可以推断：气瓶底S2TP-1C19.2020SE-2310:10:34LOTND.S2O(AtG)2-1.2804330-7.86255SVX-644.337.86255193.744379.626565.508751.389200.82.3285.58472.567655.449544.32图18 底座径向变形量为18 mm时的应力分布座受到强外力作用而产生严重径向变形，导致下封头曲面部位也产生严重径向变形，局部应力集中明显，最大应力值远远超过材料的抗拉强度，使材料产生严重塑性变形，壁厚明显减薄直至强度失效开裂，导致液化石油气钢瓶泄漏，因不明火源引发燃爆事故。参考文献1单辉祖,材料力学(第3版)M.北京：高等教育出版社，2009.2周愚峰，我国液化石油气发展现状及趋势 .油气储运,1996,15(11):1-4.3孙萍辉，蔺恕昌，金石.民用液化石油气安全使用要点 1低温与特气,2 0 0 3,2 1(3):37-39.4王泰升.液化石油气钢瓶的应力与安全分析 .河北科技大学学报,1992(2):2 9-32.收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 7 修回日期：2 0 2 3-0 7-13