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正压式空气呼吸器气瓶爆炸原因分析

某消防队车库晦随车教置的一套正压式消防空气呼吸器的气瓶,于1997年2月24日晚零时10分左右在车库内发生爆炸。气瓶瓶体爆裂成四块,爆炸造成车体及车内放置的一台抽烟机部分损坏,未造成人员伤亡。


正压式空气呼吸器气瓶爆炸原因分析:


一、根据爆炸能量进行估算,气瓶内发生的是物理性爆炸,由气瓶内外防腐漆颜色没有发生变化这一点,也可以证明气瓶内没有发生的是化学性爆炸,从爆破力分析,气瓶发生低应力破坏。


二、材料方面

该气瓶所用的材料为40SiMnNiCrMoV,根据化学分析结果,该气瓶的材质应写成30SiMnNiCrMoV。按GB5099—94《钢质无缝气瓶》中第5.3.7.7条C款规定“对淬火后回火热处理的瓶体,其组织应呈回火索氏体”,从组织分析知,该瓶体金相组织为经过高温淬火+300℃左右回火处理得到的回火马氏体,这种组织不符合以上条款的要求,这种组织从硬度测定值和近似换算成抗拉强度值看,此种钢的强度偏高,这种高温淬火一低温回火状态下使用的高强度钢,对缺口和氢致应力腐蚀敏感性比较大。


三、断裂机理

1、腐蚀坑形成

该气瓶是在1996年9月份由加气机直接加入未经过干燥处理的新鲜空气或气瓶在水压试验时瓶内有积水,在其放置过程中,在气瓶内表面会形成水滴。水是弱电解质,它能电离出少量的H-和OH,同时,由于空气里的CO2的溶解,使水里的H+增加。

H2O+CO2↔H3CO3↔H+-HCO3

结果在气瓶瓶体内表面局部位置形成了一层电解质溶液的薄膜,它跟瓶体里的铁和少量的碳构成了原电池,发生如下原电池反应:

Fe-2e=Fe+   H++e=H

气瓶瓶体内表面局部位置在潮湿的空气里通过原电池反应而发生电化学腐蚀,从而使气瓶内表面形成腐蚀坑。

2、应力条件

该气瓶经淬火处理后,存在着经低温回火难以消除的较大的残余应力。另外,该气瓶的工作压力为24MPa,也提供了比较大的拉应力,这给以后裂纹的形成和扩展提供了应力条件。

3、裂纹的形成和扩展

由于此种钢对缺口和氢致应力腐蚀较敏感,在腐蚀坑形成过程中产生的氢原子进入钢的金属点阵中成为间隙原子,在腐蚀坑处由于存在缺口和应力联合作用使氢原子不断地聚集,使腐蚀坑处氢浓度不断增高,高强度材料,腐蚀坑处的氢含量是很容易达到临界浓度,从而导致气瓶瓶体腐蚀坑处形成微裂纹,从宏观分析知,裂纹也是形成于瓶壁内表面的腐蚀坑处,在以上的应力条件下,氢致裂纹不断地扩展,当达到临界值时,裂纹便会失稳扩展,导致气瓶爆炸。

4、断口分析结果

从以上的分析可知,腐蚀坑处正断部位断口为沿晶断口,有二次裂纹,晶粒表面有鸡爪状撕裂花样,这是典型的氢致应力腐蚀特征。接近腐蚀坑的沿晶表面有腐蚀产物,表明该处裂纹形成较早,也反映了氢致应力腐蚀的延迟特性。


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