化工装备安全概论典型事故案例及分析

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1、一、 压力容器事故技术分析压力容器事故的原因，一般来说往往是多方面的，因此，必须认真检查现场，细仔调查事故的经过和设备情况，认真进行技术检验和鉴定，作出综合分析，确定事故原因。1.事故现场检查(1) 容器本体的破裂情况检查容器本体的破裂情况是事故现场检查最主要的内容。(2) 安全装置的完好情况 容器发生事故后，在初步检查安全阀、压力表、温度测量仪表后，再拆卸下来进行详细检查，以确定是否超压或超温运行。对压力表的检查；对安全阀的检查；对温度测量仪表的检查；若有减压阀进行减压阀检查；装置爆破片检查。(3) 现场破坏及人员伤亡情况 2.事故过程的调查(1) 事故发生前的运行情况 (2) 事故发生经过

2、 3.对容器设计、制造情况的调查4.技术检验和鉴定工作1) 容器钢材的分析 化学成分检查 机械性能测定 金相检查 工艺性能试验2) 容器断口分析 断口的搜集及其保护、保存 断口宏观分析 金属的拉伸断口,一般有三个区域组成,即：纤维区、放射区和剪切唇。据观察这三个区域在整个断口所占有的断面积,大体上可确定其断裂类型。 断口的微观分析 3)事故分析中的计算在事故分析中往往要进行强度计算和液化气体过量充装可能性的计算等工作等。5.综合分析1) 爆炸事故性质及过程的判断 容器在工作压力下破裂 即容器在工作压力下的应力超过了材料的屈服极限、强度极限或工作应力低于屈服极限两种情况,后者称为低应力破环。 容

3、器超压发生破裂 容器超压爆炸往往是指容器内的压力或夹套压力较多的超过工作压力而发生的物理性爆炸。 容器内化学反应爆炸 容器内化学反应爆炸是指发生不正常的化学反应,使气体体积增加或温度剧烈增高致使压力急剧升高导致的容器破裂。 容器破裂后的二次空间爆炸 容器破裂后的二次空间爆炸,是指盛装易燃介质的容器在其破裂后,器内逸出的易燃介质与空气混合后,在爆炸极限范围内又发生的第二次爆炸。2) 破裂型式的鉴别及其事故预防 韧性破裂 a.破裂容器发生明显变形；b.断口呈暗灰色纤维状；C.容器一般不是碎裂 ；d. 容器实际爆破压力接近计算爆破压力。 要防止压力容器发生韧性破裂事故,关键在于保证容器在任何情况下受

4、压元件的应力要低于器壁材料的屈服极限。 脆性破裂 a. 容器没有明显的伸长变形；b.裂口齐平、断口呈金属光泽的结晶状；c.容器常破裂成碎块；d.破坏时的实际应力较低；e.破坏多数在温度较低的情况下发生。大量的压力容器脆性破裂事故的分析可以看出,造成脆断的主要因素是材料的韧性低。容器物件中焊缝残佘应力和工作应力的叠加,使实际应力超过材料的屈服极限；按断裂力学观点,在较大残余应力条件下,裂纹附近的应力强度因子大于材料的断裂韧性时,将导致容器的脆性破裂。因此,容器制造过程中,如冷加工变形、组装过程中,尤其是焊接中应尽力减少残佘应力和消除残余应力的热处理,都是防止脆性断裂的重要措施。这里要说明的是，必

5、须加强对容器制造过程中的检验,应按规定的探伤标准进行,探伤过程中应有足够的灵敏度,以发现和消除裂纹缺陷,防止先天不足;容器投产后,要加强定期检验工作,及时发现裂纹,防止裂纹扩展后的脆性断裂。 疲劳破裂 是在反复的交变载荷的作用下出现的金属疲劳破坏。一类是通常所说的疲劳,它是在应力较低,交变颜率较高的情况下发生的；另一类是低周疲劳,它是在应力较高(一般接近或高于材料的屈服极限)而应力交变频率较低(如10105次之间)的情况下发生。容器疲劳破裂的特征有：a.没有明显的塑性变形；b.破裂断口存在两个区域；c.容器常因开裂泄漏失效 ；d.疲劳裂纹的产生比脆性断裂要慢的多。 腐蚀破裂：压力容器腐蚀破裂形

6、式有均匀腐蚀和点腐蚀、应力腐蚀和疲劳腐蚀等。其中最危险的是应力腐蚀破裂。应力腐蚀的破裂是由于腐蚀介质和拉伸应力及其造成应力腐蚀环境,导致应力腐蚀裂纹及其扩展破裂。应力腐蚀裂纹可以是沿晶界分布的,也可是穿晶分布的，或兼有沿晶界开裂,穿晶开裂两种特征的混合型裂纹。应力腐蚀破裂的容器应力往往低于材料强度极限下发生。应力腐蚀的断裂面一般是与主应力相垂直。常见的应力腐蚀形式及其特征有：a.钢制容器的氢脆 ；b.钢制容器的碱脆 ；c.氯离子引起的奥氏体不绣钢制容器的应力腐蚀断裂；d.疲劳腐蚀 。 蠕变破裂 在高温下工作的压力容器，若金属发生蠕变，在应力的作用下，严重时导致蠕变破裂。压力容器的蠕变破裂原因：

7、错用碳钢来代替抗蠕变性能好的合金钢，某些钢材长期在高温作用下发生金相组织变化，如晶粒长大、再结晶、碳化物和氮化物以及合金组成的沉淀，钢的石墨化等；结构不合理，使容器的部分区域产生过热；操作不正常，维护不当，致使容器局部过热等。6.上报和处理事故的一般要求1) 容器发生爆炸或重大事故造成人员伤亡时,单位领导要参加事故调查,按锅炉压力容器事故报告办法及“三不放过”的原则,应立即(用电报和电话等方式)上报企业主管部门,将事故情况、原因及改进措施书面报告当地劳动部门,对一般事故则应组织有关人员进行分析,采取适当的改进措施。2) 填报事故原因时按以下原则分类：设计制造类事故；使用管理类事故；安全附件不全

8、、不灵造成的事故；安装、改造、检修质量不好以及其他方面引起的事故。3) 凡发生爆炸事故或重大事故的单位,在事故调查处理结案后一周之内,向地(州)、市劳动管理部门报送锅炉压力容器事故报告书一式四份,同时应附事故照片。4) 凡涉及追究行政、经济、或刑事责任的事故,还应将事故报告书分别报送有关部门。5) 从事故发生之日算起,一个月之内应调查处理结案。由于情况特殊,在一个月之内不能结案的,由发生事故的单位向当地劳动部门申述延报原因。二、事故案例分析例1 制造质量不良引起的氨冷凝器爆炸事故近年3000吨/年氮肥厂合成工段氨冷凝器(固号VSH3704)连续发生爆炸事故。1.事故情况：3000吨年化肥厂氨冷

9、凝器是列管式高压冷凝设备，管程设计压力为200Kgf/cm2，壳程设计压力为16kgcm2，工作温度为25十25。管程介质为氨，氮气，壳程介质为液氨，壳体内径420mm，壁厚8mm，封头内径350mm，壁厚32mm，管板厚45mm，管板和封头材质为20g。氨冷凝器的封头与管板联接采用平面焊结构。几起事故的爆破断口都发生在管板与封头联接处的环焊缝上。从断口上可清楚地看到：焊缝根部未焊透，长度占80，深度一般24mm，最深达6mm。断口检查：这种氨冷凝器的爆炸断口中部表面平滑平坦，经电镜观察有明显的疲劳断裂特征，断口外部表面租糙，则属强度不足而塑性撕裂。2.爆炸事故原因分析：氨冷凝器的爆炸原因，主

10、要是设计不当，制造时焊接工艺不当产生的根部未焊透等缺陷，在实际运行中存在的疲劳循环载荷(压力、温度波动、频繁启停等)的作用下，导致疲劳裂纹萌生和扩展，以致引起设备疲劳断裂，即低周循环应力下的疲劳断裂。(1)设计时技术要求不严：氨冷凝器管板与封头焊接连接属角焊缝结构，这种结构上的不连续性使环缝根部表面应力很高，所以在设计此种结构时必须慎重对待。我国设计规定管板与壳体、封头的连接应采用全焊透结构。美国ASME锅炉及压力容器规范D4焊接接头章节中规定了全焊透的角焊缝接头；英国BS55001978非直接大压力容器附录E“推荐用于压力容器的焊接连接”其中管板与壳体、封头的角焊缝推荐双面焊结构，当壳体、封

11、头壁厚超过16mm时必须采用全焊的焊缝；联邦德国AD压力容器规范也规定，当采用平面焊根部有未焊透结构时，能够承受的疲劳循环次数只有全焊透结构的五分之一的次数，考虑变动载荷时焊缝结构则必须是全焊透的。然而该氨冷凝器中的管板与封头的焊接连接采用的单面焊结构型式，未明确提出必须全焊透的技术要求。这种易于发生根部未焊透的角焊透，在我国标准和美国ASME等规范中，都明确不允许。该环形角焊缝位于高应力区域，计算表明其内表面弯曲轴间应力已超过材料屈服极限，如果在该区域内又产生未焊透引起的应力集中，其根部裂纹的产生和扩展是很难避免的。同时在结构设计时焊缝根部管板采用有半径R为5mm的环形槽，使采用超声波深伤方

12、法难以确切判断缺陷性质和尺寸，从而使焊缝质量也不能通过探伤得到正确检验。一个合理的设计必须具备良好的制造工艺和提供可靠的探伤条件。(2)焊接工艺不当：在制造该氨冷凝器时，管板与球形封头的环形角焊缝的焊接工艺，系采用手工电弧焊封底，即以结50745mm焊条，焊三层单道焊，然后采用自动捍盖面，采用H08MnA焊丝和431焊剂，焊前不予热，焊后未作消除应力的热处理。通过爆破断口解剖观察到：(1)根部未焊透严重，占周长的80，最深达6mm；(2)有24mm大气孔一处和三处夹渣，最大尺寸为810mm；(3)焊缝中发现超出常规的硅酸盐夹渣，局部有增碳引起的小裂纹。(4)埋弧自动焊缝的裂口靠管板一侧，断裂起

13、源于焊缝根部未焊透处，并靠管板一侧沿着与轴成为60方向在焊缝中扩展，直至失效破环。从氨冷凝器的制造工艺和解剖发现的问题，可以看出其焊接工艺是不合理的，在施工中没有采用单面焊双面成型的特殊焊接工艺和焊接方法，如氩弧焊封底等工艺方法来防止末焊透，而采用了一般的焊接方法，并用45mm焊条进行封底，如此粗的焊条作封底施焊必将发生未焊透。对于高压容器封头一侧的环焊缝焊前应采取预热，高压换热器的管箱焊后需要进行消除应力的热处理。该设备在施工时，没有进行焊前预热、焊后热处理的工艺措施。这样，焊缝一侧为32mm的封头，另一侧为45mm厚的管板，刚性大，散热快，焊接时焊接残余应力较大，且容易在管板一侧出现未焊透

14、、未熔合乃至微裂纹等缺陷。此外，焊接工艺管理也是不健全的。如没有焊接工艺评定，焊条管理也是欠妥的，以至采用了45mm的封底焊条，出现了超出常规的硅酸盐夹渣等现象。3制造质量检验不严：该氨冷凝器的制造单位擅自将超声波探伤灵敏度从2mm平底孔降低到3mm平底孔，以致未能有效地查出焊缝中存在的缺陷。综上所述，该氨冷凝器在设计上有缺陷，在制造上没有可靠的焊接工艺，加之使用压力、温度波动频繁，因此氨冷凝器的爆炸事故是不可避免的。例2 美国联合碳化物公司氮气窒息事故分析1998年3月,联合碳化物公司在美国的一间工厂发生一起氮气窒息事故,造成1人死亡,1人严重中毒。以下为事故经过和原因分析:1、事故经过事故

15、发生在美国联合碳化物公司设在路易斯安娜州汉维尔的Taft/Star装置的 Taft氧化单元,此单元主要生产环氧乙烷、乙二醇及乙二醇醚。环氧乙烷生产使用乙烯和甲烷,两者同氧气混合后要与反应器中的催化剂接触发生反应。为了防止新更换的催化剂受潮,要向装置中输送氮气。1998年3月27日中午时分,在设备停车大修期间,两名工人对一卸开的48英寸水平管进行黑光检查、清污,当时正有氮气从此管排出。时值午间,阳光强烈,用黑光很难看清油污。他们就用一张黑塑料膜遮住管口,使光暗一些。两人坐在塑料膜一端将其压住,另一端由别人拉住,把两人罩了起来。结果这个临时塑料遮挡物捕集了高浓度氮气,致使两人窒息,造成1人死亡, 1人严重中毒。2、原因分析1）规章制度不健全,没有执行美国职业安全卫生局 (OSHA)规定。 OSHA规定进入限制性空间进行检测,应发放书面许可证,确认存在的危险和必需采取的防范措施。事故中的开口管和临时遮挡物可被认定为已构成一限制性空间。2）安全防范措施不力。事故中,管口处没有张贴任何标志,警告其是一个限制性空间并有氮气。3）安全教育培训力度不够。受害人员虽然都是有经验的老工人,但没有意识到氮气的潜在危险。3、应采取的危险控制措施1）安全部门应做好安全评价工作,揭示限制性空间和氮气的潜在危险,提出防范措施,张贴警示性标志。2）加强宣传教育,使职工了解氮气的危险性及控制措施。