防噴器儲能瓶含氧爆炸事故原因分析

任璐 文永財 武永剛

（1.新疆油田公司重油開發公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.新疆油田公司百口泉采油廠，新疆 克拉瑪依 834000；3.新疆油田公司風城油田作業區，新疆 克拉瑪依 834000）

0 引言

氣瓶是現代工業領域的重要輔助設備，廣泛應用于石化化工、食品加工、消防、制冷、醫療、農業及石油開采等領域。氣瓶一般用于儲存和運輸有毒、易燃、易爆、有害等工業物質，如果使用管理不當或存在質量和使用缺陷，都有可能發生事故，造成人員財產的較大損失[1]。近年來，氣瓶破裂爆炸造成嚴重生命和財產損失的事故屢見報道。同時，學術界對氣瓶爆炸事故的研究也取得了一定的進展，以數理統計分析為基礎的失效分析逐步發展到全新的階段[2-3]，有學者通過理化實驗和力學模擬分析的方法，確定應力腐蝕開裂是導致氣瓶發生爆炸開裂的原因[1,4,5]。還有學者通過對同類事故的調查，發現高壓氧氣環境中產生的靜電點燃油脂是氧氣瓶發生化學爆炸的直接原因之一[6]。但是，國內外對氣瓶在壓縮作用下，含氧環境發生爆炸事故的研究鮮有報道。

近期，某中東沙漠陸地油田在鉆井過程中，防噴器儲能瓶發生爆炸事故，造成了2 名人員傷亡，表明防噴器儲能瓶存在爆炸風險。為明確爆炸事故原因，防止類似事故再次發生，本文通過故障樹分析、現場調查、材料試驗、充裝操作分析、爆炸和力學計算等綜合分析，明確并驗證了事故原因，希望能夠為相關事故調查與預防提供參考[7-9]。

1 背景介紹

1.1 介紹

某中東沙漠陸地油田在鉆井過程中，防噴器儲能瓶發生爆炸事故，造成了2 名人員傷亡。事故調查顯示：發生爆炸的儲能瓶是在開鉆前由其他閑置設備拆裝而來，且在事發前兩天，下部閥門進行過泄漏維修，維修工作結束充裝氣體完成后（壓力7 MPa），操作人員未能及時打開氣瓶下部隔離閥接通高壓液壓油總管（壓力21 MPa）。事發當天，工作人員進入儲能瓶所在的鉆井控制房進行處理（打開下部儲能瓶下部閥門），處理過程中發生了事故。

如圖1 所示，鋼瓶內部的儲氣囊完全破碎飛出，瓶體上部約1/3 瓶體大小的鋼板被完全撕裂，并在爆炸沖擊波的作用下飛出事故現場約20 m，造成了附近鋼結構物的穿透性破壞，同時鋼瓶上部及下部的閥門也都飛出事故現場超過10 m。根據現場調查顯示，儲能瓶下部閥門處于半開狀態，且工業氧氣瓶和氮氣瓶無明顯的區分標識，現場亦發現有氮氣瓶被充入了氧氣。

圖1 事故現場示意圖

1.2 防噴器工作原理

防噴器是油氣開采鉆井過程中重要的井控裝備，當油氣井發生井噴或其他緊急情況時，其可以切斷鉆井管柱，封死井口，防止地層帶壓油氣發生大量泄漏。儲能瓶是防噴器的重要設備，一般由多個成組并聯工作，應急情況下可用于快速驅動液壓油聯動井口剪切閘板，封死井口。

儲能瓶結構及工作原理如圖2 所示，外部為鋼質瓶體，內部為橡膠儲氣囊。蓄能器分為上下兩個介質進出口，上部進出口用于為內部氣囊充氣，下部進出口用于為鋼瓶充裝液壓油。下部進出口的平頭閥有分流作用，能緩解液壓油進入時的沖擊，但不會阻礙液壓油的排出。如圖2 中的a 和b，防噴器正常工作時，會先通過上部的充氣口為氣囊充裝工業氮氣，壓力達7 MPa 即停止充氣，關閉充氣閥；然后打開瓶體下部的液壓油進出口閥門，液壓油在高壓泵組的驅動下，通過下部的液壓油總管快速流入儲能瓶（省略未畫出），并逐步增加壓力到21 MPa，如圖2 中的c 和d。當高壓液壓油出現消耗，控制裝置能通過高壓泵組自動補充油量，使其始終保持在預設的壓力范圍內。事故發生時，儲能瓶正處于圖中“c”的階段，即液壓油充入瓶內的過程。

圖2 儲能瓶工作原理示意圖

圖3 儲能瓶爆炸事故故障樹模型

筆者通過查閱設備的出廠技術資料、出廠壓力試驗記錄、檢驗報告等，排除了設計建造原因，同時通過現場勘查和訪談，排除了瓶體腐蝕、壓力過大、外力碰撞的原因，進而確定了采用材料試驗、充裝流體分析、爆炸分析、瓶體力學分析的方法，來調查和驗證事故發生的原因。

2 事故原因排除與驗證

2.1 材料試驗

本研究將本次事故鋼瓶殘片，和同批次氣囊材料送到了專業試驗機構進行了檢測。檢測結果為：材料符合相關規范的要求。因此排除了瓶體材質缺陷、瓶體腐蝕、瓶體裂紋及氣囊材質缺陷的原因。

如圖4 所示，通過對鋼瓶金屬殘片斷裂部位的分析可以看出，斷裂部位呈45°方向發生撕裂破壞，并存在明顯的塑性變形，因此判斷為外力作用下較薄部位一次性韌性斷裂。

圖4 斷裂部位宏觀形貌

2.2 充裝操作分析

充裝操作分析是對儲能瓶在7 MPa 內壓的情況下，充入液壓油到21 MPa 的充裝過程進行模擬。由于現場充裝過程已無法調查，故本研究分別進行了快速充裝（瞬間完成充裝過程）和緩慢充裝（進行緩慢的充裝）兩種工況的模擬。本研究分析過程主要采用商用流體分析軟件進行[10]，根據瓶體的中心對稱性，將分析模型簡化為平面二維模型，內部氣囊邊界進行虛擬化處理。瓶體的簡化模型如圖5 所示，氣瓶高H=1 690 mm，寬W=220 mm，液壓油入口口徑D=60 mm，同時在離瓶口200 mm 處設置監測面ab，下部易破壞承壓轉角罐壁設置監測點1，中間罐體側壁設置監測點2，頂壁設置監測點3。

圖5 蓄能器簡化模型

快速充裝時，本研究將下部進出口設置為壓力邊界條件（21 MPa），瓶體內氣體初始壓力設置為7 MPa，溫度設置為310 K（約37 ℃）。經過模擬計算，t=0.005 s、t=0.015 s、t=0.03 s、t=0.08 s 四種不同時刻的流場壓力云圖、液壓油體積分數云圖、流體速度云圖和儲能瓶內溫度場分布分別如圖6—9 所示。

圖6 快速充裝工況下流場壓力云圖

圖7 快速充裝工況下液壓油體積分數云圖

圖8 快速充裝工況下流體速度云圖

圖9 快速充裝工況下溫度場分布

從分析結果來看，快速充裝過程中，瓶體內的壓力不會太大，最大壓力在21 MPa 左右；液壓油在瓶底平頭閥的分流作用下，沿瓶體內壁向上沖擊，出現高壓射流現象。值得注意的是：液壓油沖擊的最大速度達到了200 m/s 以上，且如圖10 中“a”所示，鋼瓶內的壓力值發生了多次峰值震蕩，對瓶體氣囊具有一定的沖擊作用；同時，鋼瓶內溫度在液壓油高壓沖擊壓縮下升高達到了430 K（約157 ℃），超過氣囊的最高工作溫度70 ℃，氣囊在高溫及高壓沖擊的作用下，易于發生破裂；而且，高溫高壓條件易創造足夠的反應熱能，因此，含氧情形十分危險，可能發生爆炸。

圖10 不同充裝工況下鋼瓶內壓力變化曲線

緩慢充裝模擬為正常工況下液壓油充裝過程，假設30 min 成充裝，如圖10 中“b”所示，瓶內不同監測點壓力上升趨勢基本一致，說明液壓油充入過程較為均勻平緩，壓力變化較為平穩，氣囊各處受壓均勻，無強擠壓拉伸作用。

2.3 爆炸分析

本研究中的爆炸分析假設氣囊內誤充入了氧氣，并且氣囊發生破裂，導致氧氣與液壓油混合，在充裝過程中發生化學爆炸，同時本研究通過商用爆炸分析軟件模擬了爆炸過程和爆炸后果[11]。圖11“a”所示為簡化爆炸分析模型，假設液壓油與氧氣完全混合，并充滿整個鋼瓶，初始壓力取7 MPa 和21 MPa 的中間值14 MPa。模型分別在鋼瓶兩端及瓶體設置觀測點，記錄爆炸發生過程中各點的壓力變化。計算過程中，模型采用空間步長為750 μm 的均勻網格，網格數量約為5 000 萬個，計算時間步長為0.1 ns。本研究假設起爆點發生在儲氣瓶的左側，也就是“Point 1”處起爆，對整個爆炸過程進行模擬，中間時刻（t=52 μs）溫度和壓力的分布如圖11 中b 和c 部分所示。

圖11 爆炸分析模型（注：a 為各監測點測得的最大壓力b 為溫度分布；c 為壓力分布）

如圖12 所示，隨著爆炸的發展，當t 小于50 μs 時，壁面上的壓力不超過100 MPa；當t=50 μs時，發生局部爆炸，壓力瞬間提高到800 MPa，產生過驅爆轟；隨后壓力穩定在爆轟壓力，形成穩定爆轟波；最后由于壁面反射作用，右端壓力升高到1 200 MPa。爆炸過程中各監測點的最大爆炸壓力值見表1。

表1 各監測點測得的最大壓力（MPa）

圖12 爆炸過程不同監測點的爆炸壓力曲線

爆炸分析顯示：雖然火焰發展初期儲能瓶內壓力并沒有超過規定操作壓力35 MPa，但是由于火焰與前導沖擊波的正反饋機制的作用，發生了局部爆炸，壓力瞬間提高到800 MPa，已經達到了儲能瓶的臨界破壞壓力（儲能瓶水壓試驗爆破壓力為120 MPa）。所以，經過前文分析和排除，充入氧氣后發生化學爆炸是儲能瓶破壞的事故原因。爆炸發生機理應為：氣囊破裂后使得氧氣與液壓油混合，富氧環境使液壓油的閃點降低，快速充裝溫度升高后發生爆炸，與柴油機壓燃原理相同。

2.4 力學分析驗證

作為本案例的輔助調查手段，本研究的力學分析采用結構有限元分析軟件，利用充裝分析和爆炸分析得到的載荷數據，在結構有限元模型中加載計算，并進行相應的靜力分析和動力學分析[12-13]，驗證鋼瓶的耐受性和破壞情況。本研究經過查閱儲氣瓶產品資料得知，案例中所涉及的鋼瓶材質為碳鋼，楊氏模量為2×105MPa，屈服強度為485 MPa，拉伸強度為825 MPa。在儲能瓶爆炸時，由于材料已經屈服進入塑性，故采用雙線性隨動硬化材料模型，切線模量取10%屈服強度，即48.5 MPa。

在靜力分析中，本研究將最大工作壓力21 MPa作為靜荷載加載到鋼瓶的內壁進行計算。計算結果顯示瓶體的最大第一主應力及等效應力分別為207.7 MPa和198.0 MPa，低于材料的屈服強度485 MPa，鋼瓶不會發生破壞，排除靜力造成瓶體破裂的可能性。

在動力分析中，本研究根據圖10 所示的兩種充裝工況下瓶內各點壓力變化曲線，分段作用到瓶體內壁作為加載曲線。通過軟件分析，瓶體的最大第一主應力及等效應力分別為208.9 MPa 和201.5 MPa，驗證充裝亦不會造成瓶體的破壞。

根據爆炸分析結果，本研究以圖12 所示的不同監測點壓力載荷曲線進行加載，且在加載過程中根據不同時刻、不同監測點的爆炸壓力進行分段均勻加載。計算結果顯示，爆炸超壓超過了儲能瓶的承壓能力，且爆炸超壓加載尚未達到峰值，儲能瓶已經發生破壞。

作為調查和分析儲能瓶發生爆炸原因的補充驗證，力學分析表明液壓油充裝不會造成儲能瓶的破壞，同時驗證了化學爆炸造成儲能瓶發生破壞的論斷。

3 結論與建議

本文借鑒故障樹的分析形式，對儲能瓶爆炸事故發生原因進行調查和分析，采用層次分析的方法，由簡單到復雜逐步排除和驗證事故發生的原因，同時通過現場調查、材料試驗、充裝操作分析、爆炸分析、力學分析驗證，最終確定了鋼瓶內充入氧氣、快速充入液壓油是造成事故的技術原因。為避免類似事故的再次發生，本文建議責任單位在對于儲能瓶的使用過程中應加強以下方面的管理。

1）加強工業氧氣瓶和氮氣瓶的管理，設置明顯的區分標識，并應考慮采用不同型號的充氣接頭，防止誤充、混充的發生，提高本質安全管理水平。

2）定期檢查和檢測氣囊的技術狀況，特別是投用前的檢查和檢測，以防氣囊發生老化和破裂，造成液壓油和氣體的混合，進而引發氣瓶爆炸。

3）規范并嚴格執行液壓油的充裝操作規程，避免快速充裝造成的鋼瓶內部升溫和沖擊氣囊。