氧气瓶的燃烧、爆炸及防范

氧气瓶的燃烧、爆炸及防范 吴永清编写 氧气瓶被广泛地用于国民经济的各个领域、部门。由于氧气具有强烈的助燃特性,且最高充装压力均在14.0Mpa以上(规程的氧气瓶的公称工作压力等级为:15Mpa、20Mpa)。因此,氧气瓶是一种比较容易发生燃烧和爆炸事故的受压容器。 氧气瓶的爆炸,也与其它容器的爆炸一样,可分为物理爆炸和化学爆炸。这两种性质的爆炸相比,发生物理爆炸前,气瓶一般都有明显的变形过程,可以在超过设计的工作压力的条件下发生,也可以在不超压的情况下爆炸;而化学性爆炸都是由于瓶内发生激烈的化学反应,产生高温,使气体急剧膨胀形成高压。爆炸前,气瓶发生变形的过程极短,一般都在瞬间发生爆炸(从实际发生的爆炸事故,其过程仅2,3秒。在充氧过程中,爆炸一般都发生在打开或关闭瓶阀和充氧总阀的瞬间;在焊接、切割时,氧气瓶的爆炸一般都发生在工作结束,关闭焊枪的瞬间。但从爆炸可能发生的时机分析，使用时开关瓶阀的瞬间也可能发生爆炸,只不过其机率少于前者罢了。由于氧气瓶爆炸的威力大,且具有突然性,所以,氧气瓶一旦发生爆炸,对操作者和现场人员的安全威胁很大。 氧气瓶的物理爆炸和化学爆炸的原因是不相同的。 一、物理爆炸 通常认为,由于物质的状态和压力产生突变而引起的爆炸是物理爆炸。它是由于容器内部物质的压力超过容器可承受的强度，内部物质急剧冲击而引起的。物理爆炸前后，物质的性质及化学组成并没有改变。 氧气瓶物理爆炸的原因分析,可分为超压爆炸和非超压爆炸。 1 .超压爆炸 氧气瓶超压爆炸,主要发生在以下两种情况。 ? 充装压力超过规定值、且气瓶存在腐蚀减薄或损伤等缺陷 按正常气瓶管理和充装规则,用氧压机充气到无缺陷的气瓶内发生爆炸一般是不可能的(对工作压力为14.7Mpa的氧气瓶而言,无缺陷氧气瓶的爆炸压力一般都在39.2Mpa以上)。 目前所使用的氧气充装压力,GB14193—1993《永久气体气瓶充装规定》第5.5条中明确规定,用国产气瓶充装氧气时充装压力(表压)不得超过下表规定。 在GB/T3863—1995《工业用氧》第6.3条规定,工业用氧的气瓶充装压力在20?时不得低于15Mpa?0.5Mpa。 1 两个标准的规定看起来似乎有些不一样,但其实它们是相辅相成的。GB14194规定的是充装压力的上限，GB/T3863规定的是充装压力下限;前者从安全角度出发,后者从经济角度、质量要求考虑。 国产气瓶充装氧气时充装温度与最高充装压力关素 气体名称 充装温度(?) 15Mpa公称工作压力气瓶 20Mpa公称工作压力气瓶 最高充装压力(Mpa) 最高充装压力(Mpa) 5 14.0 18.2 10 14.3 18.7 氧 15 14.7 19.2 20 15.1 19.8 气 25 15.4 20.3 30 15.8 20.8 35 16.1 21.3 而气瓶的水压试验压力应为“公称工作压力的1.5倍”(见《气瓶安全监察规程》第二项第八条)。 从经济角度来看,超压充装就等于增加成本减少收入,有经济头脑的人没有一个人会这么去做。从设备条件(小型空分设备),一般的氧压机最高工作压力是15Mpa,如果超过该最高工作压力,充装系统的安全阀也会起跳泄压,以防止设备超压充装。另外,氧气瓶阀的瓶嘴后面有一个限压安全片(其工作压力是公称工作压力的1.2,1.5倍),当气瓶受外界因素干扰或刺激时保证气瓶的安全使用。 综上分析,正常工作状态下超压充装是不可能的。往往是,氧气瓶的充装压力符合规定(不超压)情况下，发生爆炸事故较多,原因较复杂。问在于有缺陷的氧气瓶本身不能承受正常的公称工作压力。 当前,气瓶管理混乱的突出问题是,超期未检验的气瓶仍在充装、运输、使用，存在的安全隐患严重,有的企业甚至在“气瓶黑市场”购买来路不明的旧气瓶，“以弥补自己的气瓶不足”。这种情况下,氧气瓶事故频繁发生有其必然性和偶然性。 ? 气瓶接近热源、火源 当气瓶的瓶身被加热到140—370?时,气瓶发生兰脆现象,钢瓶的强度极限将大大降低。据氧气瓶满瓶用火烧加温爆炸试验,瓶壁温度达200?时,气瓶发生了爆炸现象,这时测定所设的强度极限仅为原材料强度极限的77—84%.即在钢瓶接近热源、火源,气瓶达到140—370?,发生兰脆后,其实际的爆炸压力比计算的爆炸压力要低得多。数年前冬季,武汉市某厂把氧气瓶放在炉火边,导致瓶内氧气温度、压力不断升高 2 最后发生爆炸事故。 2.非超压爆炸 氧气瓶在不超压情况下发生爆炸事故较多,原因较复杂,主要是氧气瓶的严重缺陷不能承受正常的工作压力。 ? 腐蚀: 氧气瓶内外表面腐蚀,导致瓶壁减薄强度下降,是氧气瓶发生不超压爆炸的主要原因之一。 氧气瓶的腐蚀可分为均匀腐蚀、局部腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀。 a. 均匀腐蚀,是气瓶内外表面长期接触腐蚀性介质引起的腐蚀现象。气瓶度比较均匀地减薄,气瓶所受的应力相对增高。当壁厚腐蚀减薄到一定程度,其所受的应力增大到材料的抗拉强度极限时,气瓶即发生爆炸。 b. 局部腐蚀,包括局部的片腐蚀和点腐蚀。氧气瓶的局部腐蚀,主要是由于氧气瓶内存在游离水造成的。这是因为水—氧交界面的腐蚀比较快。 c. 晶间腐蚀及断裂腐蚀,对于一直在充灌氧气的气瓶,一般来说是不会产生这类腐蚀。氧气瓶发生这类性质的腐蚀破坏,主要是其它气瓶(如Co、Co2气瓶)改作氧气瓶造成的。 ? 气瓶制造中存在的缺陷 。例如材质缺陷,气瓶壁厚偏差、瓶壁拉痕深、瓶壁有凹陷,热处理不当形成的缺陷等等。 ? 损伤 主要是气瓶装卸运输、使用过程中造成的。 一个合格的气瓶,具有一定的弹性应变强度和塑性变形韧性,能够承受一般的撞击和摔碰。而野蛮装卸气瓶对气瓶撞击、摔碰、趺落等所形成的动载,会使气瓶局部产生很高的应力应变值。如果气瓶又存在以下问题时,则就非常危险了: a. 先天不足(即设计制造时留下缺陷),却还在使用。 b. 由于频繁、反复地充气而产生交变载荷的作用,有可能产生疲劳裂纹或瓶体中 巳经存在的缺陷有了发展。 c. 气瓶在运行中的冲撞、磕碰、摔跌，产生影响气瓶安全使用的缺陷,潜伏着事故隐患。 D .由于介质对气瓶材质的腐蚀,瓶壁在逐渐地减薄,或由于应力腐蚀的作用而使气瓶材料性能发生劣化。 e. 由于气瓶壁厚过薄、温升压力的影响以及气体超装的作用,气瓶处于超载运行,因而产生了较大的塑性变形。 f. 定期检验流于形式或根本没有进行过定期而造成超期服役或终身服役。 如果冲击对气瓶产生的弹性变形或塑性变形超过了允许的限度，这种失效称作冲击变形失效;如果气瓶承受反复冲击载荷引起疲劳裂纹的萌生和扩散而产生的失效,称作冲击疲劳失效。 3 气瓶的失效是复杂的,以上失效模式会使气瓶形成各种复合的失效模式。如腐蚀疲劳失效就是腐蚀与疲劳的复合失效模式。腐蚀会加速疲劳裂纹的萌生与扩展,而疲劳也会加速腐蚀的过程。 上面谈到许多理论上的东西,主要是想说明一个问题,即气瓶定期检验的重要性、必要性～即:气瓶定期检验是预防气瓶事故发生、保证气瓶安全使用的重要手段。 ? 燃烧和化学性爆炸 燃烧和化学性爆炸,必须同时具备以下三个条件(或要素)。 1. 可燃物。对氧气瓶来说,可能接触或存在的可燃物有: ? 油脂 瓶内或瓶阀内在以下情况可能进入油脂: a.在更换和修理瓶阀内零件,以及其它气瓶改作氧气瓶,或氧气瓶临时改作 其它气瓶,然后又作氧气瓶使用,但未用四氯化碳等脱脂彻底清洗去油。 b.气瓶无余气,也可能使油脂进入气瓶内。1979年,南京地区就发生过气瓶无余压后油脂进入瓶阀内,在打开充氧总阀时发生燃烧。 c.瓶身、瓶阀沾染油脂的可能性则更大。 ? 用户自行修理瓶阀,放入橡皮、塑料、棉线等可燃物作密封材料。 ? 氧气瓶中混入氢气、乙炔等可燃气体。这种情况常发生在气瓶的混用。 ? 氧气瓶存放间内有煤屑及其它可燃物。 2. 助燃剂—氧气。这是在使用氧气瓶中始终存在的,是不可避免的。 3. 引燃、引爆能量。对氧气瓶而言,主要来源有: ? 开关充氧阀和瓶阀时,操作过快,高压高速氧气与阀门的摩擦和冲击,产生高温、静电火花。由此引发的事故是不少见的,绝大部分的氧气瓶阀燃烧和发生化学性爆炸,都与此相关。 ? 生产现场烟火控制不严,存在明火等。 当同时具备以上三要素时,必然导致气瓶的燃烧或爆炸。因此,不管是充装还是使用氧气瓶时,都必颂严格控制可燃物和引燃、引爆能量。 在氧气瓶中,最容易混入的是金属焊、割操作过程中的某些可燃气体,诸如氢、甲烷(天燃气主要成分)、丙烷(液化石油气主要成分)、丙烯、乙炔等，但即使是(因焊割工具的原因)倒入,其量也不会太多;而且在一般情况下，若氧气瓶内混入了可燃气体,最可能的爆炸时机应该是充装氧气的时候，且都是充装单位操作工人未按充装操作程序作业。因为,充装过程中若用高压氧充入气瓶,会产生高流速,并产生摩擦热能或静电(激发爆炸能量),这是许多氧气充装单位在充装时发生气瓶爆炸的主要原因之一。 4 ? 氧气瓶事故防范措施 绝大多数气瓶事故,都是由于多方面工作失误而造成的。气瓶事故的防范,要从气瓶设计制造、气瓶充装、定期检验、运输储存、经销使用等工作环节实施有效的防范措施。就气体充装企业自主安全管理而言,提出以下几点,供参考。 1.《气瓶充装许可规则》(TSG R4001—2006)附件A“气瓶充装单位资源条件” A2.1规定‘永久气体充装必须配备防错装接头’、‘氢、氧、氮气体充装必须配备抽空装置’这些规定采取的技术措施,都是为了防止氧气瓶内形成爆炸性混合气体可能发生的化学性爆炸。(注:可燃气体用的瓶阀,出口螺纹应是左旋的;非可燃性气体用的瓶阀,出口螺纹应是右旋的。) 2.为防止氧气瓶中混入可燃气体形成爆鸣性气体,充氧前用洗耳球从每只氧气瓶中抽取气体,在非生产现场,向明火(如点燃的蚊香)排气，确信气瓶中的气体是氧气后,才能给予充氧。(蚊香燃烧加剧并发出耀眼光亮者为氧气) 3. “气瓶充装单位应当购买具有气瓶制造许可证的企业制造的合格气瓶”;“只能充装自有产权气瓶,不得充装技术档案不在本充装单位的气瓶”;“任何单位和个人不得改装气瓶或将报废气瓶翻新后使用。” 4. 充装前,对气瓶逐只检查,按照GB14194—1993《永久气体气瓶充装规定》,具有下列情况之一的气瓶,禁止充装: ? 不具有“气瓶制造许可证”的单位生产的; ? 原始标记不符合规定,或钢印标志模糊不清、无法辩认的; ? 颜色标记不符后GB7144气瓶颜色标记的规定,或严重污损、脱落，难以辨认的; ? 有报废标志的; ? 超过检验期限的; ? 附件不全、损坏或不符合规定的; ? 氧气瓶或强氧化性气体的瓶体或瓶阀上沾有油脂的; ? 气瓶生产国的政府己宣布报废的气瓶。 5. 按GB14194规定充装氧气瓶,保证充装安全，不超压充装。 6. 氧气瓶每三年必须按GB13004《钢质无缝气瓶定期检验与评定》进行定期检验一次;在使用过程中发现气瓶有严重腐蚀、损伤或对其安全可靠性有怀疑时,应提前进行检验。 7. 为防止瓶阀损坏和射出事故,瓶阀丝扣外露一般不得超过5牙。 8. 遵守国家危险品运输和气瓶装御运输的安全规定,严禁“野蛮装卸”防止气瓶受到撞击、摔碰、跌落等损伤。 5 9. 氧气阀门、垫片、连接螺母,操作人员使用的手套、工作服、与气瓶接触的工具等,均严禁沾染油脂;不淮使用被油脂沾污的车辆运输氧气;瓶阀、瓶身沾有油脂的气瓶,要用四氯化碳认真清洗,确认无油脂后,方可继续使用。 10.. 开关阀门要缓慢进行,不可太快,但阀门应一次开到全开位置,以防产生较大的摩擦和静电。 氧气瓶事故防范措施,各气体充装单位都积累了一定的经验,企业对国家法规、标准的安全规定也是清楚的。企业在市场竞争中求得生存与发展,要有一个平等竞争的市场环境，落实各项安全预防措施才有良好的外部环境。因此,必须执行“安全第一，预防为主，综合治理”的方针,在加强企业主体安全管理的同时,政府相关部门通力协调配合,整顿气瓶市场,加大执法力度,取缔无证“黑工厂”、“黑气瓶市场”、“黑销售点”，进一步规范有证企业的安全行为,推动气体行业健康地往前发展。为构建安全稳定、和谐发展的社会作扎实的工作。 本文仅供参考,不足之处欢迎批评指正。 主要参考文献: 1. 随学兵主编《氧气、乙炔生产流程优化设计与产品灌装新技术标准实用》 2. 气瓶爆炸后的思考-------浙江省义乌市气瓶爆炸事故调查报告 中国气协焊割气委员会专家组浙江委员 6