蒸压釜爆炸事故分析

摘 要：某厂一台蒸压釜发生爆炸事故。通过现场调查、安全联锁装置分析、有限元模拟等手段，确定其爆炸原因为安全联锁装置失效，釜盖在未完全关闭到位时即进行升压，导致啮合齿压溃， 釜盖滑脱飞出，釜体在气体反推力作用下向后平移40 米，整个爆炸过程类似―爆米花‖。

关键词：蒸压釜爆炸 有限元安全联锁装置

Analysis of the Explosion Accident for Aeroconcrete Steam Autoclave SHEN Jian-min, ZHU Guo-rong, Huang Hong-biao, ZHANG Hai-bo Ningbo Institute of Special Equipment Inspection, Ningbo, 315020, China Abstract: A case analysis for the explosion accident of an aeroconcrete steam autoclave was implemented by field survey, safety interlock test as well as FEA, etc. The results indicated that unusual safety interlock caused the vessel is not entirely shut. With the increase of pressure, the tooth metal yield made the explosion accident. Key words: aeroconcrete steam autoclave, explosion, FEA, safety interlock

一、前言

2007 年4 月，宁波某厂1#蒸压釜在升压过程中发生爆炸，蒸压釜的一个端盖向前飞出32.2 米， 沧州欧谱剩余部分由于气体轴向力的作用，整体向后移动约40 米。通过现场实地勘测、访问调查、有限元啮 合齿屈服分析等确定爆炸原因、爆炸压力，可为类似的压力容器爆炸事故提供一定的借鉴。

二、事故基本情况

2.1 蒸压釜基本参数 该蒸压釜于1995 年出厂，2003 年由外地转入该厂，有产品质量证明书、安装使用说明书。蒸 压釜由釜体、釜盖、摆动装置、手摇减速器、安全装置、支座等组成，其基本参数见表1，该蒸压 2011 年特种设备安全与节能学术交流会 532 釜安全阀设定的开启压力为1.0MPa。

表 1 蒸压釜基本参数 项目参数 项目 参数 设计压力1.157MPa 工作压力0.98MPa 耐压试验压力1.52MPa 设计温度190℃ 工作介质饱和蒸汽最高工作温度183.2℃ 主要受压元件材质20g/16Mn 锻腐蚀裕度2mm 几何尺寸θ2000×22676×3326mm 封头/筒体壁厚18/16mm 全容积 69.52m3 总重 26440kg 啮合齿数40 个支座数 7 个

2.2 事故现场宏观情况 事故现场如图1 所示，爆炸时一端釜盖飞出，首先撞到混凝土砖堆上，混凝土砖堆沿铁轨向前 运动10 米；釜盖斜向上撞碎一部分混凝土砖块后继续飞行，撞到距地面4.5 米处电动葫芦架的一个 支柱上，将支柱撞断后釜盖偏右飞行一段距离后落地，釜盖初始位置与最终落点距离为32.2 米，图 2 为釜盖上经过两次撞击后的痕迹。一端釜盖飞出后气体轴向力不能平衡，固定支座被拉脱，整个 筒体在蒸汽的反冲力作用下向后运动40 米才停止。

整个爆炸过程类似于―爆米花‖，釜盖飞出后，釜体内压力急剧降低，水蒸气体积膨胀，因为混 凝土砖块内存在小孔，这些小孔内的气体也急剧膨胀，将混凝土砌砖炸成碎块，在气流作用下，破 碎的混凝土砖块及支架被抛飞，现场可见大范围的碎砖及抛飞的支架。 倒塌的围墙 32.2m 2.5m 40m 另一工厂围墙 另一工厂围墙 围墙 围墙 围墙 空地 被釜盖撞击后混凝土砌块移动后位置 9.8m 4.7m 8.3m 电动葫芦支架 釜盖最终落点 4.5m 19.6m 10m 2m 事故后蒸压釜筒体位置 混凝土砌砖 成型区域 釜盖第二撞击点 釜盖第一撞击点 发生事故的 未发生事故的 蒸压釜初始位置 六台蒸压釜 蒸压后的混凝土 加气砌块堆 图 1 爆炸现场示意图 论文集 533 图2 釜盖落地后状况 图3 釜盖上啮合齿压溃状况

2.3 爆炸后啮合齿形貌

图 3 为釜盖法兰齿压溃痕迹，这个齿压溃部分长度为8mm，啮合痕迹为4mm，可推断出该齿实 际啮合尺寸为12mm。仔细勘查釜盖法兰上每一个齿，发现并非每个齿都有压溃痕迹，而且每个齿 压溃长度也不一样，压溃长度在2~10mm 之间， 40 个齿中的28 个具有压溃痕迹，另12 个齿无明 显压溃迹像，这说明此类快开门结构啮合齿受力并不均匀。压溃部位具有金属光泽，齿边缘呈现明 显切割痕迹。从釜体法兰啮合齿上也可发现相应压溃痕迹。

2.4 安全联锁装置状况 对蒸压釜上的安全联锁装置进行勘查，发现该蒸压釜上的安全联锁装置存在问题，图4 为爆炸 容器釜盖上的安全联锁装置挡板，有焊接改造痕迹。对操作人员进行询问，发现其在操作时依靠目 视判断釜盖是否旋转到位，而不是通过安全联锁装置来保证釜盖旋转到位。图5 为与爆炸釜同期购 入的蒸压釜，其安全联锁装置也存在焊接改造迹象，测试其功能时发现釜盖挡板与球阀挡板存在较 大间隙，在釜盖未旋转到位情况下即可关闭球阀。这与《固定式压力容器安全技术监察规程》中规 定的快开门式压力容器应具有的安全联锁功能不相符[1]。 图4 安全联锁装置之釜盖挡板 图5 同规格釜安全联锁装置

三、啮合齿失效的有限元模拟 正常情况下该蒸压釜啮合齿完全啮合时其啮合长度为70mm，而事故现场观察到啮合齿存在压 溃现象，而且齿的啮合压痕长度约为12mm，远小于70mm。采用有限元方法对蒸压釜的啮合齿进行 第一次撞击留下的凹坑： 700×360×80mm 第二次撞击留下的凹坑： 580×260×20mm 压溃痕迹：8mm 啮合压痕：4mm  2011 534 分析，计算齿完全啮合和齿仅啮合12mm 两种状况下齿的受力状况，最大内压1.0MPa。

选取一个齿进行计算，施加内压，模型切割边界施加相应的周向对称约束[2,3]。啮合齿部位材料 为16Mn 锻，沧州欧谱取杨氏弹性模量E=2.0×1011Pa，泊松比0.3，假定材料为理想弹塑性材料,材料屈服应力 取为285MPa。齿之间的啮合作用通过面-面接触单元进行模拟。图6 为啮合12mm 时的有限元网格 模型， 以整个齿面完全啮合建模计算，在1MPa 内压下，齿根部最大Mises 应力强度为176MPa，材料 未屈服，这表明正常情况下齿的强度足够，不会失效。

以齿仅啮合12mm 建模进行计算，当内压为0.9MPa 时啮合部位全屈服，见图7，这会引起齿的 压溃滑脱，因此可认为有限元计算的滑脱压力为0.9MPa。 当然计算时未考虑齿的不均匀性，实际勘查表明釜盖40 个齿中有28 个有压溃滑脱痕迹，粗略 估算齿的不均匀系数为k=40/28=1.43。

虽然说有限元计算中0.9MPa 内压时齿会出现压溃，但是考虑 到不均匀性，这个压力要除以不均匀系数k，即当内压为0.63MPa，齿就可能出现压溃滑脱。 图6 啮合12mm 时的有限元网格模型 图7 0.9MPa 下啮合齿啮合部位全屈服 该蒸压釜于当日凌晨1 点钟合上釜盖，3 点钟发生爆炸事故。按照正常操作工艺，合上釜盖后 应经20~30 分钟的抽真空，然后开始缓慢升温，经2~3 小时后达到最高工作温度183.2℃。从合上釜 盖到爆炸经历两个小时，升压时间为1.5 小时左右，此时釜内压力完全可能达到0.63MPa，因此根据 啮合齿啮合12mm 失效估算的爆炸压力具有较大的可信性。

四、结论 通过现场分析勘查、有限元分析可确认该事故的原因为：安全联锁装置失效，操作工在釜盖啮 合齿仅啮合约12mm 情况下即开始升压，在釜内压力升高到约0.63MPa 时啮合齿啮合部位出现压溃 屈服，使釜盖滑脱飞出，同时釜体在气体反推力的作用下向火箭一样被发射出去，整体往后平移40 米。 沧州欧谱《固定式压力容器安全技术监察规程》中对快开门式压力容器应当具有满足以下要求的安全联 锁功能：

（1）当快开门达到预定关闭部位，方能升压运行；

（2）当压力容器的内部压力完全释放， 方能打开快开门。爆炸的蒸压釜其安全联锁装置不能满足第（1）点功能。 该事故给了我们一个警示，对此类快开门式压力容器，设计、制造、安装、维修、改造、使用、检验单位一定要确保安全联锁装置的两点功能齐全。 参考文献：漆膜划格器http://www.qimohuageqi.com[1]TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》

[S].北京：国家质量监督检验检疫总局，2009. [2]苏文献，郑津洋，开方明，等

. 齿啮式快开压力容器整体有限元塑性载荷分析[J].压力容器，2006，23（2）： 33-37. [3]

陈志平，沈建民，王露芳. 基于接触的蒸汽定型锅应力分析与评定[J]. 纺织学报,2005,26（6）:65-67.