劉課秀１,王 戀１,盧忠銘１,黎 華１,馬小明２

(１．廣州特種承壓設備檢測研究院,廣州 ５１０６６３;２．華南理工大學 機械與汽車工程學院,廣州 ５１０６３０)

摘 要:某氣體公司發生一起充裝二氧化碳的３７Mn鋼無縫鋼瓶破裂爆炸事故.通過現場勘察與宏觀分析、壁厚測量、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗、斷口分析等方法,分析了鋼瓶破裂爆炸的原因.結果表明:該鋼瓶瓶體內壁發生了應力腐蝕開裂,在內部壓力和搬運過程中的碰撞及振動作用下,鋼瓶承壓能力不足,最終導致鋼瓶發生了物理破裂爆炸.最后,根據失效原因提出了相應的預防措施.

關鍵詞:３７Mn鋼;二氧化碳鋼瓶;破裂爆炸;應力腐蝕;失效分析

中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０５Ｇ０３４２Ｇ０７

瓶裝二氧化碳一般為高壓液化氣體,使用管理不當或者鋼瓶存在質量缺陷都可能導致鋼瓶失效甚至發生事故.充裝高壓二氧化碳的鋼瓶一旦發生事故具有嚴重的破壞性,存在隱患的鋼瓶就像炸彈一樣,對人們的生命和財產安全存在著巨大威脅.失效分析是一門新興的、發展中的學科,近些年

來開始從軍工普及到普通企業,在提高產品質量、技術開發和改進、產品修復及仲裁失效事故等方面具有很強的實際意義[１Ｇ２].廣州某氣體公司一個充裝二氧化碳的３７Mn鋼無縫鋼瓶在搬運過程發生破裂爆炸.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

防具有重要的實際價值.筆者通過現場勘察與宏觀分析、壁厚測定、化學成分分析、力學性能測試、金相檢驗、斷口分析等方法,研究了該二氧化碳鋼瓶破裂爆炸的原因,并提出了預防措施.

１ 現場勘查與宏觀分析

對二氧化碳鋼瓶的爆炸現場情況進行了勘查分析,并對鋼瓶的開裂特征、內部裂紋和內部殘留物等進行宏觀 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 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中區域 A 和區域 B處.裂口沿著軸向擴展,向兩側撕裂,上端至瓶口處完全裂開,下端撕裂至瓶底位置.鋼瓶內壁覆蓋一層灰褐色殘留物,下部有殘留液態物,初步判斷最大裂口區域 A 和區域 B處為起裂區.鋼瓶破裂形狀較規則,可初步判斷鋼瓶是由破裂導致物理爆炸.

２ 理化檢驗

２．１ 壁厚測量

對鋼瓶瓶體進行壁厚測量,結果顯示鋼瓶最小壁厚為５．０mm,滿足設計壁厚(５．０mm)的要求,可見鋼瓶未出現明顯腐蝕減薄.

２．２ 化學成分分析

對鋼瓶瓶體材料進行火花直讀光譜分析,結果顯示鋼 瓶 的 化 學 成 分 符 合 GB１８２４８－２００８

[３]對３７Mn鋼鋼瓶材料的化學成分要求,見表１.

試驗結束后,采用LEOＧ１４５０型掃描電鏡對試樣腐蝕形貌進行分析.

２．３ 力學性能測試

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

結果顯示,試樣的拉抗拉強度Rm 、規定非比例延伸強度Rp０．２和斷后伸長率A 均滿足 GB１８２４８－２００８對３７Mn鋼的技術要求,見表２.

２．４ 金相檢驗

對鋼瓶裂源區的材料進行金相檢驗,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,但靠近內壁有明顯的帶狀組織(帶狀級別為 C２~C３),如圖７所示.

對裂源區區域 A 內壁上的一條未穿透裂紋進行金相檢驗,觀察面平行于內壁表面.檢驗結果顯示,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 展,局 部 存 在 分 支,如圖８所示.對圖８中裂紋尖端區域進行金相檢驗,觀察面平行于內壁表面,可見顯微組織也為保持馬氏體位相的回火索氏體＋鐵素體,裂紋同樣穿晶擴展,如圖９所示.

２．５ 斷口分析

２．５．１ 掃描電鏡觀察

在區域 B截取斷口試樣進行掃描電鏡觀察,發現鋼瓶裂 源 區 斷 口 沿 壁 厚 方 向 有 明 顯 的 分 界,如

圖１０所示.靠近內壁的絕大部分斷口為陳舊斷口,表面有一層覆蓋物,掩蓋了斷裂特征,但仍然可見起源于內壁表面的放射狀條紋;靠近外壁的小部分斷口較干凈,為新鮮斷口,與主斷裂面約成４５°.對圖１０中的區域１和區域２進行局部形貌觀察,見圖１１~１２,發現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.區域２為區域１和區域３的交界處,對比可見區域１的腐蝕情況相對區域３的輕微一些,見圖１２.對區域３進行局部形貌觀察,發現斷口腐蝕嚴重,表面有一層腐蝕產物覆蓋,也無法看清楚斷口的原始顯微形貌特征,見圖１３.

在圖２中區域 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.

圖１６ 未穿透裂紋形貌

Fig.１６ Morphologyofthepartiallypenetratingcrack

２．５．２ 能譜分析

從鋼瓶內壁提取表面覆蓋物進行能譜分析,并對鋼瓶的陳舊斷口和新鮮斷口也進行了能譜分析,分析位置見圖１７.能譜分析結果顯示:內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,與陳舊斷口和內壁覆蓋物的化學成分存在明顯差別,見圖２０.

分別進行了 X 射線衍射分析(XRD).分析結果顯示:內壁上的粉末狀覆蓋物主要為碳酸亞鐵和二氧化硅,如圖２１所示,由此可見,在鋼瓶制造或使用過程中,有二氧化硅等進入了鋼瓶內部;陳舊斷口上顆粒狀覆蓋物的主要成分為碳酸亞鐵和鐵,如圖２２所示;靠近瓶底的新鮮斷口表面的主要成分是鐵,如圖２３所示.

較為輕微,鋼瓶破口呈規則狀態.一般來說,鋼瓶化學爆炸的能量比物理爆炸的要大得多,發生化學爆炸時現場會受到較大影響,鋼瓶也會受到較嚴重的

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

特征,鋼瓶剩余壁厚約為１mm,同時裂源區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,發生了物理破裂爆炸.

３．２ 鋼瓶應力腐蝕原因

分析金屬構件發生應力腐蝕必須滿足一定的拉應力、特定的腐蝕介質環境和材料的應力腐蝕敏感性３個要素.

(１)應力條件

應力腐蝕的出現一般僅需要較小的應力即可,充裝二氧化碳產生的內部壓力為鋼瓶的應力腐蝕提供了應力條件.鋼瓶充裝二氧化碳后,鋼瓶便承受了較大的拉應力,此應力條件可促進應力腐蝕的發生并以較快的速率進行.

(２)材料敏感性和介質環境條件

通過現場勘察和宏觀分析發現,失效鋼瓶內部存在水分.由能譜分析結果可知,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氣瓶,在充裝二氧化碳后一般長期存放.在鋼瓶內部,二氧化碳、水、氯離子等會形成復雜的介質環境,二氧化碳可以溶于水并與水發生反應生成碳酸,形成碳酸鹽溶液環境或 CO２ＧHCO－３ＧCO２－３ 的介質環境.相關文獻表明,碳錳鋼在 CO２ＧHCO－３ＧCO２－３ 介質環境中可發生應力腐蝕[４].相關文獻也表明,碳酸鹽溶液是低碳鋼和低合金鋼的應力腐蝕敏感介質[５].由物相分析結果分知,陳舊斷口表面和粉末狀物質的主要成分均為 FeCO３,內 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,鋼瓶內部發生了應力腐蝕,主要產物為 FeCO３.

３．３ 應力腐蝕機理分析

在復雜 的 介 質 環 境 下,鋼 瓶 內 部 初 期 會 產 生Fe３O４ 鈍化膜,直到表面鈍化膜達到一定厚度并含有一 定 量 的 Fe２＋ . 在 含 有 CO２ＧHCO－３ＧCO２－３ 和Cl－ 等的復雜介質環境下以及拉應力的作用下,鋼瓶內壁具有微觀孔洞等缺陷的部位由于應力集中的影響,表面的氧化膜被腐蝕而受到破壞.鋼瓶內壁破壞的表面和未破壞的內壁表面分別形成陽極和陰極,內壁陽極處的金屬成為離子而被溶解,并產生電流流向陰極.由于內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,并進一步腐蝕內壁上已破壞的表面,再加上鋼瓶受壓產生的拉應力作用,破壞處逐漸形成裂紋,裂紋逐漸擴展直至斷裂.在鈍化膜的破裂過程中,Fe２＋ 與 HCO－３ ,CO２－３ 反應主要生成 FeCO３,并成為最終的主要腐蝕產物[４].此應力腐蝕也可能由于一種反應而發展,即由陰極反應產生的氫離子 H＋ 和 CO２ＧHCO－３ＧCO２－３ 之間的相互作用,共同促進應力腐蝕的發展.另外,氯離子等雜質的存在也可能對應力腐蝕產生促進作用.

３．４ 鋼瓶使用管理因素分析

由檢驗結果可知,鋼瓶內壁存在多條陳舊裂紋,且鋼瓶沒有進行定期檢驗,未及時發現鋼瓶內部裂紋缺陷.從現場勘察和宏觀分析可知,鋼瓶外壁有明顯的碰撞痕跡,鋼瓶在運輸過程中可能存在振動或碰撞.在振動和碰撞產生的沖擊力作用下,鋼瓶內部的裂紋逐步擴展,最終瞬間發生破裂爆炸.

４ 預防措施

為預防鋼瓶發生應力腐蝕開裂,可以通過采取預防措施控制應力腐蝕發生的條件.通過控制二氧化碳氣體和鋼瓶質量可以避免應力腐蝕介質和降低材料的腐蝕敏感性.加強氣瓶的使用管理可以及時發現鋼瓶的異常情況并及時處理,減少事故發生的可能性.

４．１ 二氧化碳氣體質量控制措施

二氧化碳氣體質量控制包括生產環節和充裝環節的質量控制,應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境中一般不會發生應力腐蝕開裂,但該鋼瓶的應力腐蝕過程存在電化學腐蝕,因此應特別嚴格控制二氧化碳氣體中的水含量,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氣體中的水含量.

４．２ 鋼瓶制造質量控制措施

鋼瓶制造材料、工藝等都可能導致鋼瓶材質存在問題,不僅會影響鋼瓶的力學性能,同時也會影響鋼瓶的應力腐蝕敏感性.無縫鋼瓶的制造過程可能會導致瓶體存在殘余應力,并可能導致鋼瓶發生應力腐蝕,可采取熱處理措施,減小鋼瓶瓶體的殘余應力.在鋼瓶制造完成后,應對鋼瓶內部進行清洗和干燥,減少鋼瓶內部水分和其他雜質的殘留.在進行水壓或氣密性試驗后,應采取內表面干燥處理,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做好鋼瓶的管理工作,并按照相關規定對鋼瓶進行定期檢驗,及時發現鋼瓶缺陷.應控制水壓試驗使用水中氯離子的含量,

減少氯離子在氣瓶內的殘留.在水壓或氣密性試驗后,應對內表面進行干燥處理,并予以密封[６Ｇ７].鋼瓶儲存和運輸過程應避免碰撞和跌落,并按要求做好定期檢驗工作.

５ 結論及建議

綜合分析認為,該失效鋼瓶具備應力腐蝕開裂的特征和條件,瓶體內壁發生了應力腐蝕開裂.在內部壓力和搬運過程的碰撞及振動作用下,鋼瓶承壓能力不足,最終導致鋼瓶發生了物理破裂爆炸.

建議加強對二氧化碳鋼瓶的生產、儲存運輸、充裝和使用的監管,確保各環節的規范管理,減少類似事故的發生.

文章來源：材料與測試網