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化工机械
2011年
空压机储气罐爆炸原因分析
卢忠铭素倪进飞尤晋
(广州市特种承压设备检测研究院)
摘要通过对空压机儲气罐爆炸碎片进行断口及表面玄观检视、材料化学成分和力学性能检测以及
扫描电镋分析,采用有限元应力分析软件进行理论爆破压力计算,找出了储气爆炸的原因
关键词空压机储气罐爆炸积碳燃烧
中图分类号T053.2
文献标识码B文章编号02546094(2011)040480-04
某钢管镀锌厂空压机储气罐在使用过程中发
生爆炸,造成厂房、设备损坏和人员伤亡。该储气
罐紧邻空压机安装,空压机压缩空气出口通过三
通及止回阀与该储气罐连接,储气罐作为钢管镀
锌时吹扫用气气源,罐体及封头材料为Q235-B,
内径1000m,高2782mm,壁厚6mm,工作压力
0.8MPa,工作温度0-100℃,容积2m'。该储气
罐在事故发生前,与空压机出口相连的三通已发
热并呈红色(约600℃),在操作人员关停空压机
的过程中,储气罐发生爆炸。为查明爆炸原因,笔
图1储气罐下封头积碳层宏观形貌
者对收集到的储气罐碎片进行了理化检验及分侧筒体碎片进行壁厚测定,厚度为4.2~5.1mm,
析,并采用有限元分析软件对理论爆破压力进行可见储气罐罐体上有较明显的因超压引起的减薄
了计算。
变形特征。可以断定储气罐爆炸的起始位置位于
1理化检验
椭圆人孔长轴与筒体相接的部位处,且可能具
1.1碎片断口及表面宏观分析
有可燃物燃烧爆炸的迹象。
将散落于现场的储气罐碎片进行收集、拼接,1.2化学成分分析
宏观检验发现储气罐进气口处的下封头积碳层约
对椭圆人孔圈的对接焊缝中心熔敷金属取样进
5mm厚(图1),罐体人孔闋处简体破损变形最严行化学成分分析(表1),可见符合CB/TS117-1995
重(两半椭圆人孔圈对接焊缝撕裂),其它部位的对焊条FA303熔敷金属化学成分的技术要求。
碎片裂口均未出现在焊缝上,碎片基本上保持原
表1楠圆人孔圈对接焊缝熔敷全属化学成分%
有的弧线形状;罐体中上部裂口表面较为光亮,部
项目
C
Mn
51
P
分碎片有些发蓝。对罐体上的安全阀进行检查,
实测值1
0.090,0350.0190.0270.032
发现储气罐发生爆炸时,储气罐的压力都已超过
实测值2
0.080.0360.0170.0250.031
安全阀的开启压力,处于开启状态。
B/T5117-1995
罐体宏观断口平齐,呈现暗灰色切断型撕裂
≤0.035≤0.040
要求值
特征,未发现明显的起裂源。对人孔圈撕裂处两
*卢忠铭,男,1976年8月生,工程师。广东省广州巾,510100
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第38卷第4期
化工机械
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在人孔圈断口附近的简体母材取样进行化学纤维颗粒,其中磨损金属元素Fe、Cu、Pb、AI和污
成分分析(表2),可见符合GB/T700-2006对染元素Si、Na等含量较高。
Q235-B钢化学成分的技术要求。
1.3力学性能分析
表2筒体母材化学成分(质量分数)%
在人孔圈断口附近相对完好的筒体母材取样
进行室温拉伸试验,结果表明其力学性能符合
项目
C
M
GB/T700-2006对Q235-B钢的技术要求
实测值
0.191.380.310.0120.021
1.4金相分析
CB/T700-2006
≤0.20≤1.40≤0.35≤0.045≤0.045
要求值
在人孔圈焊缝附近截取焊缝与筒体母材试样
进行金相检验分析,图2为经4%硝酸酒精侵蚀
对储气罐下封头底部积碳层及空压机润滑油后的焊缝不同区域(母材、不完全正火区、完全正
油渣取样进行理化分析,发现沉积物主要组分为火区和焊缝)的金相显微组织,可见各区域组织
铁锈蚀颗粒、积碳、粉尘、少量的磨损金属颗粒和基本正常。
a.母材(F+P)
b.不完全正火区(F+絮状P)
c.完全正火区(F+P+魏氏组织)
d.焊缝(F+P+粒B)
图2焊缝与母材金相照片
250
1.5断口SEM分析
由于无明显裂纹源,笔者抽取椭圆人孔圈焊
缝断口及附近简体撕裂断口进行分析。图3为焊
缝断口处的断口微观形貌,主要呈韧窝形状,这说
明该焊缝在发生断裂时沿45°方向产生剪切变
形,此时焊缝表现出较好的塑性。图4为人孔圈
断口附近的筒体母材断口微观形貌,主要呈典型
Mag-1%0KX
:7E:
珠光体解理花样。
图3对接焊缝断口韧窝花样
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化工机被
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生塑性变形。图7是内压力为4.26MPa时罐体
应力强度分布云图,可以看出罐体与椭圆人孔圈
长轴的结合部位的应力强度已达547MPa,已超过
测得的Q235-B钢材料的抗拉强度,说明罐体与
人孔图长轴结合部位已出现破坏,进而扩展至整
个罐体,导致爆炸失效。
Va+一
图4筒体母材断口典型珠光体解理花样
2理论爆破压力的有限元分析
为确定罐体的爆破压力,对该罐体进行了有
限元分析。根据罐体结构、载荷的对称性,采用轴
对称有限元进行计算。取罐体人孔圈部分半圈筒
体进行建模,并将罐体与人孔圈视为一体,采用网
格均布的形式,选择了8节点 SOLID45的实体单
元,得到有限元节点数63919,单元数为32520,
有限元模型如图5所示。弹性模量取210CPa,泊
图62.87MPa时的应力强度云图
松比取0.3。
对称面
对称面
人孔?与简体结合
人儿
图74.26MPa时的应力强度云图
3综合分析
3.1物理爆炸的可能性分析
图5人孔圈与简体结合处有服元模型
据有限元计算可知,当罐体内部的压力达到
4.26MPa时便会出现局部破坏,进而导致整个罐
将筒体径向位移(x方向)进行约束(x=0),体的爆炸失效。但根据现场对该空压机储气罐系
在罐体内部施加不同压力载荷进行试算,图6是统压力进行核对,发现给该储气罐供气的空压机
内压力为2.87MPa时罐体应力强度分布云图,可最大排气压力为0.80MPa,即使考虑在出现气体
以看出应力的最大值出现在罐体与椭圆人孔圈长升温的条件下也很难达到如此高的压力,因此该
轴的结合处,此时的应力强度为239MPa,已超过储气罐在正常情况下不具备物理爆炸的可能性。
Q235-B钢材料的屈服强度。说明当罐体内部的3.2化学爆炸的可能性分析
压力达到2.87MPa时,将首先在罐体与人孔圈的
燃烧需要三大要素:有可燃物存在,并达到一
长轴结合部位出现屈服,并使其附近筒体母材产
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