二氧化碳鋼瓶破裂爆炸失效分析

摘 要:某氣體公司發(fā)生一起充裝二氧化碳的37Mn鋼無縫鋼瓶破裂爆炸事故.通過現(xiàn)場勘察與宏觀分析、壁厚測量、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、金相檢驗(yàn)、斷口分析等方法,分析了鋼瓶破裂爆炸的原因.結(jié)果表明:該鋼瓶瓶體內(nèi)壁發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂,在內(nèi)部壓力和搬運(yùn)過程中的碰撞及振動作用下,鋼瓶承壓能力不足,最終導(dǎo)致鋼瓶發(fā)生了物理破裂爆炸.最后,根據(jù)失效分析提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

瓶裝二氧化碳一般為高壓液化氣體,使用管理不當(dāng)或者鋼瓶存在質(zhì)量缺陷都可能導(dǎo)致鋼瓶失效甚至發(fā)生事故.充裝高壓二氧化碳的鋼瓶一旦發(fā)生事故具有嚴(yán)重的破壞性,存在隱患的鋼瓶就像炸彈一樣,對人們的生命和財產(chǎn)安全存在著巨大威脅.失效分析是一門新興的、發(fā)展中的學(xué)科,近些年來開始從軍工普及到普通企業(yè),在提高產(chǎn)品質(zhì)量、技術(shù)開發(fā)和改進(jìn)、產(chǎn)品修復(fù)及仲裁失效事故等方面具有很強(qiáng)的實(shí)際意義[1G2].廣州某氣體公司一個充裝二氧化碳的37Mn鋼無縫鋼瓶在搬運(yùn)過程發(fā)生破裂爆炸.由于37Mn鋼二氧化碳鋼瓶使用廣泛,且其失效具有嚴(yán)重的破壞性,因此該起事故鋼瓶的失效分析對同類事故的預(yù)防具有重要的實(shí)際價值.筆者通過現(xiàn)場勘察與宏觀分析、壁厚測定、化學(xué)成分分析、力學(xué)性能測試、金相檢驗(yàn)、斷口分析等方法,研究了該二氧化碳鋼瓶破裂爆炸的原因,并提出了預(yù)防措施。

1 現(xiàn)場勘查與宏觀分析

對二氧化碳鋼瓶的爆炸現(xiàn)場情況進(jìn)行了勘查分析,并對鋼瓶的開裂特征、內(nèi)部裂紋和內(nèi)部殘留物等進(jìn)行宏觀 分 析,初 步 分 析 引 起 該 鋼 瓶 破 裂 爆 炸 的原因.鋼瓶鋼印顯示,失效鋼瓶為1999年3月制造,工作 壓 力 15.0 MPa,試 驗(yàn) 壓 力 22.5 MPa,凈 重49.4kg,容 積 41.4 L,公 稱 壁 厚 5.0 mm,外 徑219mm,鋼瓶材料為37Mn鋼.現(xiàn)場受鋼瓶爆炸的影響較輕微,固定鋼瓶的鋼架一端有一定變形,鋼架部分焊接接頭發(fā)生撕裂,上方橫梁有一個燈具損壞,其余燈具正常未受影響,地面、墻壁、房頂均未見明顯損壞,見圖1.

鋼瓶宏觀破裂特征如圖2所示,最大裂口位于鋼瓶瓶體的2/3高度位置(距離瓶底約800 mm),即圖2中區(qū)域 A 和區(qū)域 B處.裂口沿著軸向擴(kuò)展,向兩側(cè)撕裂,上端至瓶口處完全裂開,下端撕裂至瓶底位置.鋼瓶內(nèi)壁覆蓋一層灰褐色殘留物,下部有殘留液態(tài)物,初步判斷最大裂口區(qū)域 A 和區(qū)域 B處為起裂區(qū).鋼瓶破裂形狀較規(guī)則,可初步判斷鋼瓶是由破裂導(dǎo)致物理爆炸.

在圖2中區(qū)域 A 處,裂紋存在 Y 字形的分叉走向,對 Y 字形交叉開裂位置進(jìn)行進(jìn)一步宏觀觀察發(fā)現(xiàn),該區(qū)域的斷口粗糙,無明顯塑性變形,沿著壁厚有明顯的顏色差異,如圖3所示.靠近內(nèi)壁的部分呈深褐色,無金屬光澤,有明顯的放射狀條紋,為陳舊斷口.靠近外壁的部分呈青灰色,有金屬光澤,為新鮮斷口,與主斷裂面約成45°.撕裂部位的斷口平齊,呈青灰色,有金屬光澤,與主斷裂面約成45°.對區(qū)域 A 附近的剩余新鮮壁厚進(jìn)行測量,發(fā)現(xiàn)鋼瓶Y 字形開裂部位的最小剩余厚度約為1mm.對鋼瓶內(nèi)壁進(jìn)行仔細(xì)觀察,發(fā)現(xiàn)區(qū)域 A 和區(qū)域B附近有多條肉眼可見的未穿透裂紋,裂紋的長度方向和鋼瓶的軸向基本平行,見圖4.裂紋周邊未見明顯局部腐蝕坑,裂紋長度約為10mm.由以上觀察結(jié)果初步判斷:在破裂爆炸前,鋼瓶內(nèi)壁就存在未穿透裂紋,鋼瓶承壓能力不足;剛充裝完成的鋼瓶內(nèi)部壓力較大,在內(nèi)部壓力和搬運(yùn)過程的振動作用下,最終鋼瓶發(fā)生了物理破裂爆炸。

2 理化檢驗(yàn)

2.1 壁厚測量

對鋼瓶瓶體進(jìn)行壁厚測量,結(jié)果顯示鋼瓶最小壁厚為5.0mm,滿足設(shè)計壁厚(5.0mm)的要求,可見鋼瓶未出現(xiàn)明顯腐蝕減薄.

2.2 化學(xué)成分分析

對鋼瓶瓶體材料進(jìn)行火花直讀光譜分析,結(jié)果顯示鋼 瓶 的 化 學(xué) 成 分 符 合 GB18248-2008

[3]對37Mn鋼鋼瓶材料的化學(xué)成分要求,見表1.

試驗(yàn)結(jié)束后,采用LEOG1450型掃描電鏡對試樣腐蝕形貌進(jìn)行分析.

2.3 力學(xué)性能測試

從鋼 瓶 瓶 體 截 取 縱 向 拉 伸 試 樣,按 照 GB/T228.1-2010的要求進(jìn)行拉伸試驗(yàn),采取比例試樣.

結(jié)果顯示,試樣的拉抗拉強(qiáng)度Rm 、規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rp0.2和斷后伸長率A 均滿足 GB18248-2008對37Mn鋼的技術(shù)要求,見表2.

2.4 金相檢驗(yàn)

對鋼瓶裂源區(qū)的材料進(jìn)行金相檢驗(yàn),觀察面為瓶體橫截面.分析顯示,鋼瓶靠近外壁的顯微組織為保持馬氏體位相的回火索氏體+鐵素體,未見帶狀組織,如圖5所示.鋼瓶壁厚中間部位組織為保持馬氏體位相的回火索氏體+鐵素體,未見明顯的帶狀組織,如圖6所示.鋼瓶內(nèi)壁附近顯微組織也為保持馬氏體位相的回火索氏體+鐵素體,但靠近內(nèi)壁有明顯的帶狀組織(帶狀級別為 C2~C3)。

對裂源區(qū)區(qū)域 A 內(nèi)壁上的一條穿透裂紋進(jìn)行金相檢驗(yàn),觀察面平行于內(nèi)壁表面.檢驗(yàn)結(jié)果顯示,裂紋附近顯微組織為保持馬氏體位相的回火索氏體+ 鐵 素 體,裂 紋 穿 晶 擴(kuò) 展,局 部 存 在 分 支,如圖8所示.對圖8中裂紋尖端區(qū)域進(jìn)行金相檢驗(yàn),觀察面平行于內(nèi)壁表面,可見顯微組織也為保持馬氏體位相的回火索氏體+鐵素體,裂紋同樣穿晶擴(kuò)展。

2.5 斷口分析

2.5.1 掃描電鏡觀察

在區(qū)域 B截取斷口試樣進(jìn)行掃描電鏡觀察,發(fā)現(xiàn)鋼瓶裂 源 區(qū) 斷 口 沿 壁 厚 方 向 有 明 顯 的 分 界,靠近內(nèi)壁的絕大部分?jǐn)嗫跒殛惻f斷口,表面有一層覆蓋物,掩蓋了斷裂特征,但仍然可見起源于內(nèi)壁表面的放射狀條紋;靠近外壁的小部分?jǐn)嗫谳^干凈,為新鮮斷口,與主斷裂面約成45°.對圖10中的區(qū)域1和區(qū)域2進(jìn)行局部形貌觀察,見圖11~12,發(fā)現(xiàn)斷口表面受到氧化腐蝕,無法看清楚斷口的原始顯微形貌特征.區(qū)域2為區(qū)域1和區(qū)域3的交界處,對比可見區(qū)域1的腐蝕情況相對區(qū)域3的輕微一些,見圖12.對區(qū)域3進(jìn)行局部形貌觀察,發(fā)現(xiàn)斷口腐蝕嚴(yán)重,表面有一層腐蝕產(chǎn)物覆蓋,也無法看清楚斷口的原始顯微形貌特征,見圖13.

為進(jìn)一步觀察斷口形貌,從區(qū)域 B附近截取一塊斷口,使用體積分?jǐn)?shù)為1%的鹽酸溶液及丙酮超聲波清洗后再進(jìn)行觀察.低倍下可觀察到陳舊斷口處有明顯的源于內(nèi)壁的放射狀條紋以及多條二次裂紋，可以清楚看到斷口上有多條二次裂紋,見圖15.

在圖2中區(qū)域 A 附近截取一個帶有未穿透裂紋的試樣,研磨拋光后通過掃描電鏡觀察,可見裂紋具有一定分支,如圖16所示.

2.5.2 能譜分析

從鋼瓶內(nèi)壁提取表面覆蓋物進(jìn)行能譜分析,并對鋼瓶的陳舊斷口和新鮮斷口也進(jìn)行了能譜分析,分析位置見圖17.能譜分析結(jié)果顯示:內(nèi)壁粉末狀覆蓋物的主要元素成分有鐵、氧、碳、硅、鈣等,見圖18;陳舊斷口表面覆蓋物的主要元素成分有鐵、氧、碳、鐵、硅、鈣、氯、硫,如圖19所示,其中,氯、硫等元素為有害元素;新鮮斷口表面的主要元素有鐵、錳,與陳舊斷口和內(nèi)壁覆蓋物的化學(xué)成分存在明顯差別,

較為輕微,鋼瓶破口呈規(guī)則狀態(tài).一般來說,鋼瓶化學(xué)爆炸的能量比物理爆炸的要大得多,發(fā)生化學(xué)爆炸時現(xiàn)場會受到較大影響,鋼瓶也會受到較嚴(yán)重的

破壞,而且破壞基本是不規(guī)則的.通過鋼瓶破裂斷口的宏觀觀察可知,裂源區(qū)位于鋼瓶2/3高度的部位為起裂源所在位置,裂源區(qū)附近內(nèi)壁有陳舊斷口

特征,鋼瓶剩余壁厚約為1mm,同時裂源區(qū)附近有多條未穿透的縱向裂紋.綜上可以判斷,鋼瓶是由于剩余壁厚承壓能力不足,發(fā)生了物理破裂爆炸.

3.2 鋼瓶應(yīng)力腐蝕原因

分析金屬構(gòu)件發(fā)生應(yīng)力腐蝕必須滿足一定的拉應(yīng)力、特定的腐蝕介質(zhì)環(huán)境和材料的應(yīng)力腐蝕敏感性3個要素.

(1)應(yīng)力條件

應(yīng)力腐蝕的出現(xiàn)一般僅需要較小的應(yīng)力即可,充裝二氧化碳產(chǎn)生的內(nèi)部壓力為鋼瓶的應(yīng)力腐蝕提供了應(yīng)力條件.鋼瓶充裝二氧化碳后,鋼瓶便承受了較大的拉應(yīng)力,此應(yīng)力條件可促進(jìn)應(yīng)力腐蝕的發(fā)生并以較快的速率進(jìn)行.

(2)材料敏感性和介質(zhì)環(huán)境條件

通過現(xiàn)場勘察和宏觀分析發(fā)現(xiàn),失效鋼瓶內(nèi)部存在水分.由能譜分析結(jié)果可知,陳舊斷口表面覆蓋物主要含有鐵、氧、碳、硅、鈣、氯、硫等元素,內(nèi)壁粉末狀覆蓋物主要含有鐵、氧、碳、硅、鈣等元素.

該鋼瓶為消防用二氧化碳?xì)馄?在充裝二氧化碳后一般長期存放.在鋼瓶內(nèi)部,二氧化碳、水、氯離子等會形成復(fù)雜的介質(zhì)環(huán)境,二氧化碳可以溶于水并與水發(fā)生反應(yīng)生成碳酸,形成碳酸鹽溶液環(huán)境或 CO2GHCO-3GCO2-3 的介質(zhì)環(huán)境.相關(guān)文獻(xiàn)表明,碳錳鋼在 CO2GHCO-3GCO2-3 介質(zhì)環(huán)境中可發(fā)生應(yīng)力腐蝕[4].相關(guān)文獻(xiàn)也表明,碳酸鹽溶液是低碳鋼和低合金鋼的應(yīng)力腐蝕敏感介質(zhì)[5].由物相分析結(jié)果分知,陳舊斷口表面和粉末狀物質(zhì)的主要成分均為 FeCO3,內(nèi) 壁 粉 末 物 的 主 要 成 分 為 FeCO3 和SiO2,新鮮斷口的主要成分為鐵.由此可見,鋼瓶內(nèi)部發(fā)生了應(yīng)力腐蝕,主要產(chǎn)物為 FeCO3.

3.3 應(yīng)力腐蝕機(jī)理分析

在復(fù)雜 的 介 質(zhì) 環(huán) 境 下,鋼 瓶 內(nèi) 部 初 期 會 產(chǎn) 生Fe3O4 鈍化膜,直到表面鈍化膜達(dá)到一定厚度并含有一 定 量 的 Fe2+ . 在 含 有 CO2GHCO-3GCO2-3 和Cl- 等的復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境下以及拉應(yīng)力的作用下,鋼瓶內(nèi)壁具有微觀孔洞等缺陷的部位由于應(yīng)力集中的影響,表面的氧化膜被腐蝕而受到破壞.鋼瓶內(nèi)壁破壞的表面和未破壞的內(nèi)壁表面分別形成陽極和陰極,內(nèi)壁陽極處的金屬成為離子而被溶解,并產(chǎn)生電流流向陰極.由于內(nèi)部被破壞的陽極面積比陰極面積小得多,陽極的電流密度很大,并進(jìn)一步腐蝕內(nèi)壁上已破壞的表面,再加上鋼瓶受壓產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用,破壞處逐漸形成裂紋,裂紋逐漸擴(kuò)展直至斷裂.在鈍化膜的破裂過程中,Fe2+ 與 HCO-3 ,CO2-3 反應(yīng)主要生成 FeCO3,并成為最終的主要腐蝕產(chǎn)物[4].此應(yīng)力腐蝕也可能由于一種反應(yīng)而發(fā)展,即由陰極反應(yīng)產(chǎn)生的氫離子 H+ 和 CO2GHCO-3GCO2-3 之間的相互作用,共同促進(jìn)應(yīng)力腐蝕的發(fā)展.另外,氯離子等雜質(zhì)的存在也可能對應(yīng)力腐蝕產(chǎn)生促進(jìn)作用.

3.4 鋼瓶使用管理因素分析

由檢驗(yàn)結(jié)果可知,鋼瓶內(nèi)壁存在多條陳舊裂紋,且鋼瓶沒有進(jìn)行定期檢驗(yàn),未及時發(fā)現(xiàn)鋼瓶內(nèi)部裂紋缺陷.從現(xiàn)場勘察和宏觀分析可知,鋼瓶外壁有明顯的碰撞痕跡,鋼瓶在運(yùn)輸過程中可能存在振動或碰撞.在振動和碰撞產(chǎn)生的沖擊力作用下,鋼瓶內(nèi)部的裂紋逐步擴(kuò)展,最終瞬間發(fā)生破裂爆炸.

4 預(yù)防措施

為預(yù)防鋼瓶發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂,可以通過采取預(yù)防措施控制應(yīng)力腐蝕發(fā)生的條件.通過控制二氧化碳?xì)怏w和鋼瓶質(zhì)量可以避免應(yīng)力腐蝕介質(zhì)和降低材料的腐蝕敏感性.加強(qiáng)氣瓶的使用管理可以及時發(fā)現(xiàn)鋼瓶的異常情況并及時處理,減少事故發(fā)生的可能性.

4.1 二氧化碳?xì)怏w質(zhì)量控制措施

二氧化碳?xì)怏w質(zhì)量控制包括生產(chǎn)環(huán)節(jié)和充裝環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制,應(yīng)盡量減少二氧化碳中水、氯離子、油等含量.鋼瓶在干燥的氣體環(huán)境中一般不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂,但該鋼瓶的應(yīng)力腐蝕過程存在電化學(xué)腐蝕,因此應(yīng)特別嚴(yán)格控制二氧化碳?xì)怏w中的水含量,例如可以采取吸濕性液體吸收、用活性固體干燥劑吸收、用壓縮或冷卻方法冷凝等方法來減少二氧化碳?xì)怏w中的水含量.

4.2 鋼瓶制造質(zhì)量控制措施

鋼瓶制造材料、工藝等都可能導(dǎo)致鋼瓶材質(zhì)存在問題,不僅會影響鋼瓶的力學(xué)性能,同時也會影響鋼瓶的應(yīng)力腐蝕敏感性.無縫鋼瓶的制造過程可能會導(dǎo)致瓶體存在殘余應(yīng)力,并可能導(dǎo)致鋼瓶發(fā)生應(yīng)力腐蝕,可采取熱處理措施,減小鋼瓶瓶體的殘余應(yīng)力.在鋼瓶制造完成后,應(yīng)對鋼瓶內(nèi)部進(jìn)行清洗和干燥,減少鋼瓶內(nèi)部水分和其他雜質(zhì)的殘留.在進(jìn)行水壓或氣密性試驗(yàn)后,應(yīng)采取內(nèi)表面干燥處理,并予以密封.

4.3 鋼瓶使用管理措施

鋼瓶充裝和使用單位應(yīng)做好鋼瓶的管理工作,并按照相關(guān)規(guī)定對鋼瓶進(jìn)行定期檢驗(yàn),及時發(fā)現(xiàn)鋼瓶缺陷.應(yīng)控制水壓試驗(yàn)使用水中氯離子的含量,

減少氯離子在氣瓶內(nèi)的殘留.在水壓或氣密性試驗(yàn)后,應(yīng)對內(nèi)表面進(jìn)行干燥處理,并予以密封[6G7].鋼瓶儲存和運(yùn)輸過程應(yīng)避免碰撞和跌落,并按要求做好定期檢驗(yàn)工作.

5 結(jié)論及建議

綜合分析認(rèn)為,該失效的鋼瓶具備應(yīng)力腐蝕開裂的特征和條件,瓶體內(nèi)壁發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂.在內(nèi)部壓力和搬運(yùn)過程的碰撞及振動作用下,鋼瓶承壓能力不足,最終導(dǎo)致鋼瓶發(fā)生了物理破裂爆炸.

建議加強(qiáng)對二氧化碳鋼瓶的生產(chǎn)、儲存運(yùn)輸、充裝和使用的監(jiān)管,確保各環(huán)節(jié)的規(guī)范管理，同時我們也要經(jīng)常做失效分析的試驗(yàn)，減少類似事故的發(fā)生。