液氨钢瓶爆炸事故分析

    1998年7月21日下3点30分，在江西某棉纺织厂新建的冰室里，一只无缝液氨钢瓶，在静置状态发生爆炸，造成3人急性中毒，其中2人死亡，1人抢救脱险，经济损失达30余万元。

    1、概况

    此钢瓶系"上01，S3.0型"1971年2月制造的液氨无缝钢瓶，标定容积为40L，无原始技术资料。钢瓶检验有效期为1997年5月至1999年5月。检验单位具有相应资格，其检验记录完整。钢瓶容积测定为39.5L，最小壁厚为4.6mm。

    发生事故这天，气温26~36℃。上午10时许，发生爆炸的氨瓶连同另外6只同规格的氨瓶，一并由棉纺织厂的劳动服务公司李某，以制冰室要用氨为由，从氨厂劳动服务公司下属的钢瓶检验站租赁，并由该检验站充灌液氨140kg。因该钢瓶检验站，在充灌过程中，采用的方法是严禁使用的"减量法"，即：从200kg的大氨瓶中取氨液，每只小氨瓶均灌装20kg，用大氨瓶重量扣除20kg秤量掌握，没有考虑小氨瓶的容积大小和残液量多少。液氨从大氨瓶向小氨瓶充灌，七瓶液氨全部充灌完的时间约在11点15分。然后放在带棚的五菱货车上运输。氨瓶全部卧放加防护罩和防震圈，分二层。因为时值中午，午饭后，汽车抵达棉纺厂，已是下午3点15分钟。然后采取三人抬一瓶的做法卸车，将氨瓶抬进制冰室。当卧放了五瓶后，因排放不下，另外二瓶立放在近处。紧接着便开始将第一瓶氨液向冰机内卸灌。在第一瓶氨液卸灌过程中，一只立放的液氨钢瓶猛烈爆炸，氨瓶沿瓶身纵向撕开580mm，氨瓶失稳，高速翻转，角阀撞击另一只该棉纺织厂自备的空氨瓶肩上，断裂后飞脱击断一工作人员的脚，爆炸的氨气从爆破口冲出，将室内的一些构筑平台掀翻，打断，部分击碎。同时，大量氨气将三个工作人员包围。其中一人采用闭气闭目摸索冲至室出口门边，但因房门向里开，室内压力比外大气高，形成背压一时打不开，昏倒在门边地上。发生爆炸后，因一时无防毒面具，延误时机，倒在室的二人终因吸氨量大，死亡，而停倒在门边的人，经长达一个多月的治疗，已脱离危险。

    2、爆炸现场检查

    (1)爆炸钢瓶具有明显的塑性变形，爆破口处比正常处直径增大9.2%，开裂总长580mm，最大开口间距71mm，爆破无碎片，爆破口壁厚明显减薄，最薄点为3.8mm，破口宏观检查，韧性爆破的纤维区、放射区和剪切唇特征明显。

    (2)制冰室内壁上及爆炸钢瓶壁面，均未发现燃烧和化学爆炸痕迹。

    (3)爆炸的钢瓶角阀断离，其冲击地面和撞击闲置空氨瓶肩处的痕迹十分清晰、吻合。钢瓶撞击的墙面缺损位置与尺寸均能相符。部分室内构筑物倒塌。

    (4)对现场液氨钢瓶重量保留完整的5只氨瓶中，有一只超标准多装0.9kg。有2只氨瓶超期使用。

    3、爆炸氨瓶检查与分析

    (1)金相检查：执行GB224—87，对爆破口处制取试样，作金相对比检查，断定基本组织为回火索氏体+铁素体，且晶粒均匀细密，晶粒度级别达到11~12级，脱碳层厚度0.08~0.10mm正常，材质情况良好。

    (2)化学成份分析：对材料进行化学成份分析的结果是：C：0.23%，Mn：1.59%，Si：0.20%，V：0.09%，S：0.8%，P：0.019%，相当于20MnV。

    (3)材料机械性能检测：按照GB228—76标准，制取试件试验，其爆炸后钢瓶材料的(b=901MPa、(5=16%、ψ=35%。某气瓶爆破实验后与爆破实验前，(b会发生变化，爆破后的(b要偏大30~50MPa。主要原因是爆破后的钢瓶严重塑性变形，材料随其滑移面上的碎晶块和附近的晶格的强烈扭曲，增大了滑移阻力，从而导致强度和硬度上升，塑性和韧性下降。由此我们可以认定钢瓶爆破前的(b=861MPa。这个数值也符合20MuV的(b>800MPa的要求。(4)盛装的液氨纯度达99。96%，为一级品，排除了由于氨气质量问题引起化学爆炸的可能。

    (5)氨瓶爆破压力的计算：

    ①氨瓶壁厚：由于钢瓶爆破后的壁厚发生减薄，再选 用爆破后的实测最小壁厚3.8mm就不合适。而原检验资料S＇min=4.6mm一个数值。因此，我们根据作拉伸试件试验前后壁厚实际减薄率14.94%，结合钢瓶爆破口处Smin=3.8mm进行还原计算，原最小壁厚：Smin=S＇min/1-14.94%=3.8/1-14.94%=4.47mm

    ②计算Pb值

    选用(b=861MPa、Smin=4.47mm，D0=219mm(检验记录中查取)则Pb=2(b·Smin/D0-Smin=2×4.47×861/219-4.47=35.8MPa

    (6)如果液氨钢瓶装满液氨，则随实际可能达到的温差变化形成的膨胀压力值可按下列确定：

    温差的确定：由于采用了减量自流法充装工艺使得实际氨液温差值并非大气温差。

    根据现场检查，采用减量自流法充灌液氨的管道长，流动的液体在管道中吸热蒸发，即在有液态氨灌进小氨瓶的同时，也灌入一定的气态氨，使小氨瓶内压力快速增高，这样，要满足氨液顺利地灌入小氨瓶中，必须间断性人为地制造一个压力差，即将小氨瓶的气压快速排放，使得氨瓶内氨液在来不及吸收大气传导的热量用于蒸发的情况下，以释放气化潜热的方式，达到维持排气量，从而导致气压快速下降，同时氨液温度也对应地下降。为了达到快速自流灌装目的，其小氨瓶入口处内外压差要求达0.3MPa以上。

    综上分析，要使氨液从大氨瓶流入小氨瓶中，其大氨瓶的压力至少要比小氨瓶内的压力高0.2+0.3=0.5MPa以上。而这压差主要依赖小氨瓶快速排氨后氨液释放汽化潜热来实现，从而造成小氨瓶中的氨液温度相应地下降。有资料显示，液氨的温度每升高1℃，则饱和压力升高0.03MPa，因此，在整个充装氨液的过程中，由于小氨瓶人为制造的压力降形成的温度降约为1/0.03×0.5=16.7℃。

    由于当天的所温为26~36℃，而下午3点通常为最高气温时间，所以大气温差取10℃，加上氨液充灌人为形成的温度降16.7℃，故实际氨液从充灌完毕至氨瓶爆炸时的温差为26.7℃。

    ②氨液最大膨胀压力计算：

    氨液温度在20~40℃时，氨体积膨胀系数p=2.57×10-3，压缩系数Z=1.58×10-4，(t取26.7℃。

    由公式计算氨瓶满液后压力增量(p：

    (p=(-3(/Z+Fv·(t

     =2.57×10-3-3×1.2×10-5/1.58×10-4+1.94×10-5×26.7

     =366kgf/cm2=35.9MPa。

    通过上述分析，这起液氨钢瓶爆炸的根本原因，即违章充装，导致氨液满后膨胀，而发生超压爆炸。从剩余钢瓶秤重过程中，也确实发现超装现象。