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探讨电阻炉爆炸事故的产生原因
摘要：设备类产品在已经损坏的情况下的质量司法鉴定,无法通过验证性实验还原使用过程,进而获得相关结论。本文所描述的案例,通过对事故设备的现场勘验、实验室检验结果、生产工艺、爆炸机理等各个方面以及产生爆炸的各相关性要素进行分析和研究,推理得出了爆炸事故的产生原因。该文对于鉴定已经不再具备生产运行条件的设备发生事故的原因,具有借鉴意义。
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井式电阻炉使用广泛,但由于人们对这种炉子的爆炸危险性认识不够,缺少相关安全操作规程,此类产品的爆炸事故也屡见报道,相关爆炸原因也有一些分析[1]。
本案是某热处理厂发生的一起井式电阻炉爆炸致使操作人员死亡的事件。因爆炸致使炉盖脱离炉体腾空而起,将人砸倒在炉体旁边的井坑里。
一、现场勘验
该电阻炉主要由炉盖、炉壳、炉衬、炉盖升降机构、炉用密封风机、马弗罐、加热元件、水冷却系统、电控系统及利用渗碳剂产生合成气氛的滴注系统等部分组成,现场所用渗碳剂为煤油和酒精。
该电阻炉按其实际用途,系用于钢制工件的渗碳,可称为渗碳炉;按加热方式,属于间接电阻炉,利用间接电阻加热;按结构,属于井式电阻炉;按对流方式,属于强迫对流式电阻炉。
1.电阻炉现状
(1)电控部分
电控柜上的电源指示灯、工作指示灯均处于熄灭状态,上区和下区温度显示仪表处于关闭状态,电压表和电流表均指示在“0”点,风机开关处于关闭状态。温度记录装置中温度曲线记录纸部分已被染成红色,目前温度记录纸上指针所指位置约为550℃。
(2)炉体部分
①炉盖
整体已脱离炉体掉落至电阻炉所在井坑的地面上,斜靠在炉体旁边。炉盖上有炉用密封风机(带循环水管)、渗碳剂滴注器、排气管、观察孔及炉盖的部分升降机构等部件。
②渗碳剂滴注器
因连接焊缝断裂,滴注器已从炉盖上脱开;滴注器上控制煤油和酒精滴入的阀门均处于关闭状态。
③排气管阀门
处于开启状态。
④观察孔
观察孔与孔盖之间采用螺纹结构型式进行密封,目前观察孔盖位于炉体顶部表面。
⑤螺栓
用于连接炉盖和罐体的螺栓共计有10套,目前有9套已发生断裂,断裂部位均位于螺栓与螺栓之间连接的焊接处,焊缝存在气孔、夹渣、焊缝不均匀等缺陷。未发生断裂的螺栓已经发生变形。
⑥炉盖密封及保温
炉盖与马弗罐之间用石棉材料进行密封,密封条已断裂;部分保温棉散落在炉体顶部表面。
⑦马弗罐
罐内料筐中装有渗碳工件,工件表面已有锈迹,无油污;罐内碳黑很少。对马弗罐进行观察,未发现马弗罐有泄漏之处,密封良好。
⑧热电偶
热电偶探头安装于马弗罐的外侧,未设置安装在马弗罐内。
二、取样及检验结果
将现场的渗碳剂滴注器带回实验室进行检验,其两个阀门均无渗漏现象。
表1外观及金相检验结果下载原表
表1外观及金相检验结果
从马弗罐中料筐的上、中、下三个部位各取2件工件带回实验室进行外观及金相检验,检验结果如表1所示。图1为渗碳层金相照片。
图1渗碳层金相检验照片
三、勘验及检验结果分析
1.渗碳工艺(生产工艺)的相关解释
(1)渗碳
为提高工件表层的含碳量并在其中形成一定的碳含量梯度,将工件在渗碳介质中加热、保温,使碳原子渗入的化学热处理工艺。滴注式渗碳工艺中,工件由于是在含碳气体中进行渗碳,故属于气体渗碳。
(2)气体渗碳
分解:利用渗碳剂在高温下裂解(通常是750℃开始滴入酒精,850℃开始滴入煤油)产生活性碳原子;吸附:活性碳原子被钢件表面吸收后即溶到表层奥氏体中,使奥氏体中含碳量增加;扩散:表面含碳量增加便与心部含碳量出现浓度差,表面的碳遂向内部扩散。
2.爆炸的相关解释
(1)物理爆炸
物质因状态或压力发生突变而形成的爆炸。物理爆炸是机械能或电能的释放和转化过程,参与爆炸的物质只是发生物理状态或压力的变化,其性质和化学成分不发生改变。
(2)化学爆炸
由于物质在瞬间的化学变化引起的爆炸。化学爆炸时,参与爆炸的物质在瞬间发生分解或化合,变成新的爆炸产物。
3.现场事故状况分析
(1)现场状况
从9套螺栓断裂部位的情况及未断裂螺栓的变形情况分析,螺栓在瞬间受到强烈的纵向力后从焊缝处断裂,导致重量较大的炉盖(包括炉盖上安装的设备)从炉体上脱离掉落至井坑底部,说明从炉罐里爆发出来的气流所产生的压力非常大。
(2)爆炸的属性分析
根据现场的情况看,炉盖上的排气管和观察孔都处于开启状态,因此罐内的气压不会是由于慢慢累积达到物理爆炸的极限,罐内压力应该是瞬间急剧变大,发生了化学爆炸。
(3)发生化学爆炸的条件[2]
①可燃气体与空气(或氧气)必须同时存在,缺一不可。
②当可燃气体与空气(或氧气)在低于其自燃点的条件下,相互混合并且其比例达到一定的范围内(爆炸极限以内)。
③以上气体混合物在具有足够温度或能量的着火源的作用下。
上述三个条件同时被满足,可燃气体才会发生爆炸。
以上中提及的火源,在本案中只涉及马弗炉内壁的炽热表面以及加热的工件。
4.爆炸发生时的温度分析
观察现场所取渗碳工件表面,氧化皮较少,表明工件没有经历太高温度的氧化。
根据对所取渗碳工件的金相检验结果,6件工件均没有渗碳层出现,表明发生事故时,还没有进行到渗碳阶段,或者刚开始进入到滴注阶段。6件工件均没有脱碳出现,表明发生事故时,炉内温度应该在700℃以下,或者刚开始进入到滴注阶段。
目前温度记录纸上指针所指位置约为550℃,也从侧面证明了目前没有进入到滴注阶段。
5.不同温度阶段发生化学爆炸的可能性分析
按照滴注式渗碳工艺的要求,正常情况下,在炉温低于750℃时,不得向炉内滴入任何有机溶液。下面以750℃为界,分别对低于750℃和高于750℃时的情况进行分析。
①炉温低于750℃的情况
正常情况下,在此温度阶段是不允许滴入渗碳剂的,炉内只有空气的存在,因此不具备发生化学爆炸的条件。
如果在此温度阶段加入滴注剂,或者由于其他因素导致炉内有滴注剂的存在,在温度升高至滴注剂的着火点之前,由于滴注剂达到了沸点(见表2),因而是以酒精蒸汽和煤油蒸汽的状态存在,在此期间,炉内空气与滴注剂蒸汽有一个明显混合的过程。当炉内温度达到或超过滴注剂着火点,且滴注剂蒸汽的体积分数达到爆炸极限时,则会发生爆炸。
表2渗碳剂性质[3]
另外,在炉温低于750℃时,如果炉内出现负压的情况(注:造成炉内出现负压的主要原因可能有:电阻炉炉盖密封不好;装、卸料作业引起炉内气体体积和炉温的剧烈改变;电阻炉出现故障或突然断电等不正常工作状况等),空气则被吸入炉内,与炉内的可燃性气体混合并达到爆炸极限,从而发生爆炸。
②炉温高于750℃的情况
在此温度阶段滴入渗碳剂后,渗碳剂会立刻成为渗碳剂蒸汽或者是部分热裂解的产物(通常有CH4、CO、[C]、H2等)。由于750℃已经超过渗碳剂蒸汽和热裂解产物的着火点,所以不具备和空气充分混合的机会,渗碳剂滴入后便燃烧掉了,直到将炉内的氧气消耗完毕。因此,炉温在高于750℃时发生爆炸的可能性是非常小的。
四、结论
1.在炉温低于750℃时,向炉内滴入渗碳剂或者由于其他因素导致炉内有滴注剂的存在,当炉内温度达到或超过滴注剂的着火点,且滴注剂蒸汽的体积分数达到爆炸极限时,发生爆炸事故。
2.在炉温低于750℃时,炉内出现负压的情况,空气被吸入炉内,与炉内的可燃性气体混合并达到爆炸极限,从而发生爆炸事故。
参考文献：
[1]王敏贤.气体渗碳炉爆炸事故分析及预防[J].金属热处理,1984,(4):60-61.
[2]杨忠丹.大型井式气体渗碳炉爆炸和燃烧原因分析与防范[J].金属加工(热加工),2009,(19):46-47.
[3]陈俊文.气体渗碳炉的爆炸原因及预防[J].金属热处理,1986,(8):28-31.
胡家琨,曾现琛,付春霞.基于推理分析和检验手段的电阻炉爆炸原因鉴定[J].质量与认证,2020(06):81-83.
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期刊名称：力学学报
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主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学院力学研究所
出版地方：北京
专业分类：科学
国际刊号：0459-1879
国内刊号：11-2062/O3
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创刊时间：1957年
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