溶解乙炔氣瓶(以下簡稱乙炔瓶),由于具有節(jié)省能源、安全可靠、減少公害及使用方便等優(yōu)越性,故目前已在全國范圍內(nèi)推廣使用;乙炔瓶的制造、充裝、檢驗(yàn)和使用單位,也都有了很大的發(fā)展。但由于乙炔瓶內(nèi)充裝乙炔,是穩(wěn)定性較差、反應(yīng)性很強(qiáng)的易燃?xì)怏w,所以在一定的條件下,極易發(fā)生燃燒、分解和爆炸事故,而且破壞力也較大。在實(shí)際的充裝和使用中,如果操作管理不當(dāng),乙炔瓶的燃燒爆炸事故還是難以完全避免的。迄今為止,我國已發(fā)生過多起乙炔瓶的燃燒爆炸事故。因此,如何從這些事故中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),加強(qiáng)對乙炔瓶安全技術(shù)的分析研究,制訂預(yù)事故發(fā)生的對策和措施,是確保乙炔瓶安全的一項(xiàng)重要課題。本文就是從這一點(diǎn)出發(fā),從國內(nèi)已發(fā)生的乙炔瓶燃燒爆炸事故入手,從安全技術(shù)角度對乙炔瓶的安全性能進(jìn)行了初步分析,希望能夠“對癥下藥”,促進(jìn)乙炔瓶的安全管理。
我國自1982年有組織、有計(jì)劃地推廣使用乙炔瓶以來,曾發(fā)生了多起乙炔瓶燃燒爆炸事故。由于有關(guān)乙炔瓶事故的報(bào)告統(tǒng)計(jì)工作不夠健全,故目前尚缺乏完整的統(tǒng)計(jì)資料,現(xiàn)僅將通過各種渠道搜集到的有關(guān)乙炔瓶燃燒爆炸事故的資料,作一個(gè)不完全統(tǒng)計(jì),我國自1993——2002年的8年間,共發(fā)生乙炔瓶燃燒爆炸事故21起,造成1人死亡、8人受傷,燒毀乙炔瓶約2300只。通過對這些事故進(jìn)行調(diào)查分析,可以發(fā)現(xiàn)乙炔瓶本身的問題是導(dǎo)致燃燒爆炸事故頻發(fā)的主要原因。因此,要想減少事故的發(fā)生就必須從乙炔瓶本身的安全技術(shù)角度入手進(jìn)行深入細(xì)致地分析研究,才能進(jìn)行有效地預(yù)防。
一、 乙炔瓶填料的質(zhì)量,是影響乙炔瓶安全性能的首要因素,也是造成乙炔瓶爆炸事故的主要原因。
溶解乙炔所以較氣態(tài)乙炔安全,不僅是因?yàn)樗芙庥谌軇┲?,而且還在于溶劑及其溶解的乙炔氣體,被均勻地分布在多孔填料的毛細(xì)孔中,填料毛細(xì)孔的阻火能力是非常有效的。目前國內(nèi)制造和大量使用的乙炔瓶,基本都是整體硅酸鈣填料,但仍有少部分活性炭和澆注混合物填料的乙炔瓶在使用。在以上幾種填料中,活性炭填料的安全性能較差,而整體硅酸鈣填料的安全性能較好。我國近八年間發(fā)生的21起乙炔瓶爆炸事故中有十起,其乙炔瓶的填料全都是自己充裝的活性炭,這除了說明活性炭填料的安全性能交差外,還說明了活動(dòng)炭填料的乙炔瓶安全性能和活性炭本身的質(zhì)量及其充裝工藝有著密切關(guān)系。這是因?yàn)?,在我國尚有一部分從國外進(jìn)口的活性炭填料乙炔瓶,已使用了很長時(shí)間,有的已經(jīng)幾十年了,都沒有發(fā)生事故;而自己改制的活性炭填料乙炔瓶,有的僅使用了10個(gè)月,只充了10次氣,就發(fā)生了爆炸事故。因此,對活性炭填料乙炔瓶,采取“一刀切”而一概否定,是不符合實(shí)際的。同樣,對整體硅酸鈣填料乙炔瓶,認(rèn)為在安全性能上已“萬無一失”,也是很不全面的。國內(nèi)近八年來發(fā)生的多起乙炔瓶燃燒爆炸事故中也有11起是整體硅酸鈣填料乙炔瓶。因此,乙炔瓶填料質(zhì)量對安全性能的影響,不僅取決于填料的種類,也取決于填料本身的質(zhì)量,及其充裝、反應(yīng)、成型等工藝的好壞。
二、 乙炔瓶內(nèi)存在空隙,是影響乙炔瓶安全性能的一個(gè)重要因素。
活性炭填料乙炔瓶安全性能差的一個(gè)主要原因,就是因?yàn)轭w粒狀活性炭易下沉而形成空隙。在對我國發(fā)生的活性碳填料乙炔瓶爆炸事故分析中,大部分都提到了活性炭下沉面形成空隙的原因。在1980年上海發(fā)生的活性炭填料乙炔瓶爆炸事故后,曾抽查了與該爆炸瓶同批改制瓶的活性炭填料,發(fā)現(xiàn)所有被抽查的瓶,都存在程度不同的活性炭下沉現(xiàn)象。因此,活性炭填料下沉、整體硅酸鈣填料肩部軸向間隙過大、填料內(nèi)部及表面的孔洞容積過大等,都是造成乙炔瓶內(nèi)空隙的直接原因。
乙炔瓶內(nèi)空隙對安全性能的影響是很明顯的,因?yàn)樵谄恐锌障秲?nèi)的乙炔均為氣態(tài),從而失去了溶解乙炔的安全性能。當(dāng)瓶中有大量高壓氣態(tài)乙炔積聚時(shí),易分解而引起爆炸,并且其分解爆炸時(shí)動(dòng)壓高、能量大又易擴(kuò)散,這已被國內(nèi)的多次安全性能試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí)。如在一次作驗(yàn)證性回火試驗(yàn)時(shí),當(dāng)乙炔瓶的肩部軸向間隙為3mm,測得回火試驗(yàn)用引爆管內(nèi)乙炔分解時(shí)的入射波壓力為8MPa,反射波壓力為33.6MPa;而乙炔瓶的肩部軸向間隙為5-6MM時(shí),測得入射波壓力為19.1MPa。反射波壓力為48.2MPa,乙炔分解時(shí)放出的熱量為2.26×105J/M01。因此,乙炔分解爆炸時(shí)釋放的能量,隨著瓶內(nèi)氣態(tài)乙炔量的增加而增加。
乙炔瓶內(nèi)因填料與瓶壁的間隙而形成的空隙,從目前我國實(shí)際生產(chǎn)水平看,還很難完全消除,而且也沒有必要這樣要求。至于認(rèn)為瓶內(nèi)存在空隙可以減少充填丙酮和充放氣體時(shí)的阻力的說法也不夠全面。當(dāng)前的主要問題是如何在安全可靠的基礎(chǔ)上,從生產(chǎn)實(shí)際出發(fā),制訂一個(gè)乙炔瓶內(nèi)空隙容積的極限值。在確定這一數(shù)值時(shí),還應(yīng)考慮檢測方便和留有余地,對此目前還缺少理論研究和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對活性炭乙炔瓶,國外曾有肩部空隙容積不超過150cm3的數(shù)據(jù)報(bào)導(dǎo),而對整體硅酸鈣填料乙炔瓶,按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn),填料與瓶壁的總間隙為:徑向不超過1mm,軸向不應(yīng)超過3mm,表面孔洞總?cè)莘e不應(yīng)超過20cm3。按公稱容積40L的瓶計(jì)算,當(dāng)徑向總間隙為1mm時(shí),空隙容積約為300cm3;而軸向總間隙為3mm時(shí),空隙容積也約為300cm3(包括肩部和底部),再加上表面孔洞總?cè)莘e為20cm3,則40L瓶的總空隙容積不應(yīng)超過620cm3,而安全性能回火試驗(yàn)用引爆管空隙容積僅為150cm3。顯然,這個(gè)620cm3的允許極限空隙容積是較大的,而在實(shí)際回火試驗(yàn)中,卻又往往被通過。這是和試驗(yàn)用瓶的實(shí)際間隙,特別是和允許間隙造成的空隙容積是否貫通有關(guān)。如果間隙造成的間隙容積全部貫通,則安全性能的回火試驗(yàn)是很難通過的,這在驗(yàn)證性試驗(yàn)中已被證實(shí)。從國內(nèi)某廠做的547只乙炔瓶回火局部加熱試驗(yàn)結(jié)果來看,其中15只不合格瓶內(nèi)有14只肩部間隙大于等于2mm,占93.3%;而在合格的39只中,只有25只肩部間隙大于等于2mm,占64.1%。在驗(yàn)證性試驗(yàn)中曾發(fā)生有一只瓶(日本產(chǎn)),實(shí)測肩部有徑向間隙為1mm,底部間隙為10mm,在裝立式回火管做回火試驗(yàn)時(shí)不合格,而實(shí)測徑向間隙為零。肩部間隙小于等于0.5mm的瓶(國產(chǎn)),做同樣的立式回火管回火試驗(yàn)時(shí)通過了。以上的這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),都充分說明了乙炔瓶內(nèi)由于間隙造成的空隙容積,與其安全性能有著非常密切的關(guān)系,是引起乙炔瓶發(fā)生燃燒爆炸的一個(gè)重要原因。
三、 乙炔瓶的環(huán)境溫度和靜置壓力,也是影響其安全性能的主要外界因素。
因?yàn)闇囟雀邥r(shí),不僅能使乙炔瓶的靜置壓力升高,而同時(shí)又降低了乙炔分解爆炸的初始?jí)毫?,從而使乙炔易發(fā)生分解和爆炸。某廠試驗(yàn)的54只瓶,在15只不合格瓶中,除有3只是經(jīng)35±2℃水浴加熱外,有11只試驗(yàn)時(shí)氣溫在20℃以上,其中有7只是在25℃以上,靜置壓力均在1.5MPa以上,其中在20MPa以上的有4只;而在試驗(yàn)合格的39只瓶內(nèi),除有8只是經(jīng)水浴加熱外,有13只氣溫在20℃以上,其中有2只是在25℃以上,靜置壓力在1.5MPa以上的有13只,其中最高的一只壓力為1.75MPa。從以上的數(shù)據(jù)不難看出,在不同的溫度和壓力下,經(jīng)回火試驗(yàn)合格和不合格的比率,顯然有著很大的差異。國內(nèi)自1991——1993年上半年,曾對3家乙炔瓶制造廠進(jìn)行了技術(shù)鑒定,其中有2家首次鑒定均未通過,而這兩家的鑒定時(shí)間都選在6——8月份,做安全性能試驗(yàn)時(shí)的氣溫都較高。因此時(shí)的試行規(guī)程,對鑒定的環(huán)境溫度未作規(guī)定,故1993年下半年7家乙炔瓶制造廠的技術(shù)鑒定都安排在11~12月份,因?yàn)榇藭r(shí)的環(huán)境溫度較低,故此7家都是一次鑒定通過。當(dāng)然按現(xiàn)行國標(biāo)就不存在這個(gè)問題了,因?yàn)閲鴺?biāo)規(guī)定在回火試驗(yàn)前,需經(jīng)35±2℃水浴3小時(shí),不論環(huán)境溫度如何,都將在相同的條件下進(jìn)行試驗(yàn)。
因此,在乙炔瓶的實(shí)際工作中,應(yīng)嚴(yán)格控制環(huán)境溫度,特別是要嚴(yán)格控制乙炔瓶的靜置壓力。那些認(rèn)為提高靜置壓力,可以增加乙炔瓶的氣體充裝量,從而提高乙炔瓶的經(jīng)濟(jì)性的認(rèn)識(shí)是不全面的,因?yàn)樗∏『雎粤艘胰财康陌踩?,而乙炔瓶的安全性與經(jīng)濟(jì)性是不能相提并論的。
四、 乙炔瓶中的丙酮和乙炔氣體的充裝量,以及瓶內(nèi)留有的“安全空間”容積,對乙炔瓶的安全性能也有很大的影響,特別是丙酮和乙炔氣體充裝量決定的乙炔濃度(炔酮比),對乙炔瓶安全性能的影響是很明顯的。
我國多次安全性能試驗(yàn)的結(jié)果,也都證實(shí)了這一點(diǎn)。如某廠試驗(yàn)的54只乙炔瓶,在試驗(yàn)不合格的15只瓶中,有13只炔酮比在0.5以上:而在試驗(yàn)合格的39只瓶中,僅有21只炔酮比在0.5以上。1996年3月發(fā)生的一起活性炭乙炔瓶爆炸事故,其炔酮比為0.55(資料記載的數(shù)據(jù))。此外,乙炔瓶充裝氣體后的靜置時(shí)間不足,也會(huì)造成瓶內(nèi)的乙炔濃度不均勻,即在瓶內(nèi)存在局部濃度較高,也會(huì)發(fā)生與乙炔濃度高時(shí)的相同結(jié)果。在國外,也有這方面的數(shù)據(jù)報(bào)導(dǎo)。因此,在溶解乙炔的充裝操作中,應(yīng)特別注意加強(qiáng)對丙酮和乙炔氣體充裝量的嚴(yán)格控制。
當(dāng)前,在乙炔瓶充裝中存在的問題,還是比較嚴(yán)重的,主要表現(xiàn)為充裝前不按規(guī)定補(bǔ)加丙酮,嚴(yán)重的瓶內(nèi)丙酮不足量意達(dá)5kg,那充裝的還是什么“溶解乙炔”?甚至更有嚴(yán)重的,據(jù)說有個(gè)別生產(chǎn)廠,為了瓶子夠重量,向瓶中補(bǔ)加水作溶劑,簡直是到了不擇手段的地步,其危險(xiǎn)性是十分明顯的,主要表現(xiàn)為:
1. 由于丙酮補(bǔ)加量不足,如仍按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的靜置壓力充裝,瓶內(nèi)的乙炔氣充裝量就不足,很難符合GB 6819的溶解乙炔凈重應(yīng)在5——7kg,以及GB13591規(guī)定的乙炔瓶單位容積充裝量若低于0.12kg/L,不準(zhǔn)出廠。
2. 丙酮補(bǔ)加量不足,不僅使乙炔充裝量減少,而且還會(huì)使乙炔瓶內(nèi)“安全空間”容積(自由容積)增大,從而會(huì)使瓶內(nèi)的氣態(tài)乙炔量過大。由于氣態(tài)乙炔的穩(wěn)定性差,易分解擴(kuò)散,這對乙炔瓶的安全性能影響是很大的。
3. 丙酮補(bǔ)充量不足,而又以提高充裝壓力來達(dá)到規(guī)定的乙炔充裝量,這不僅會(huì)使靜置壓力超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,而且將會(huì)使瓶內(nèi)的乙炔濃度(炔酮比)大大提高,降低乙炔瓶的阻火能力,從而影響乙炔瓶的安全性能。按現(xiàn)行國標(biāo)的規(guī)定,目前乙炔瓶的最大炔酮比為0.526(0.2δV/0.38δV)當(dāng)40瓶少補(bǔ)加丙酮1Kg時(shí)(這在目前的生產(chǎn)實(shí)際中是較普遍存在的),相當(dāng)于少加0.028δV的丙酮,則此時(shí)瓶內(nèi)的炔酮比為0.568(0.2δV/(0.38δV-0.028δV)。如此高的炔酮比,就目前國產(chǎn)乙炔瓶的現(xiàn)狀,是很難阻止瓶內(nèi)乙炔分解的,這已被國內(nèi)多次安全性能試驗(yàn)所證實(shí)。
五、 乙炔瓶內(nèi)氣體純度及其雜質(zhì)含量也影響乙炔瓶的安全性能。
當(dāng)乙炔瓶內(nèi)充裝的氣體純度不高時(shí),不是乙炔充裝量不足,就是靜置壓力過高,因?yàn)榇藭r(shí)的乙炔瓶靜置壓力,除乙炔氣體本身的壓力外,還要加上雜質(zhì)氣體的分壓力。國外資料中曾有報(bào)導(dǎo),當(dāng)乙炔氣體中空氣成份增加0.1%,即會(huì)使充裝后瓶內(nèi)壓力增加0.05MPa。此外,當(dāng)雜質(zhì)氣體中的空氣含量高,即含氧量高時(shí),則在乙炔瓶內(nèi)有可能發(fā)生氧化爆炸,或由局部氧化爆炸釋放的能量,作為引爆源而引起的分解爆炸,即“階梯爆炸”。因此,乙炔――空氣混合氣體引起乙炔瓶爆炸的危險(xiǎn)性是很大的,國內(nèi)的多次試驗(yàn)都證實(shí)了這一點(diǎn)。在國外,也同樣有這方面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)導(dǎo)。此外乙炔氣體中的主要雜質(zhì)磷化氫、硫化氫含量過高,也會(huì)影響乙炔瓶的安全性能。因?yàn)檫@些雜質(zhì)氣體的自燃溫度低,在瓶內(nèi)受外界影響容易自燃,從而引起乙炔的分解爆炸。因此,溶解乙炔的質(zhì)量必須符合GB6819的技術(shù)要求。
六、 乙炔瓶的安全性能,除了受瓶的本身質(zhì)量等內(nèi)因、以及充裝及管理等外因的影響外,還與引爆源有著密切的關(guān)系。