一起铝合金氧气瓶爆炸案例分析

王友红 黄 崧 李 斌 曹祖东 陈 杰

(1.重庆市特种设备检测研究院 重庆 401121)

(2.国家压缩天然气（CNG）气瓶质量检验检测中心 重庆 401120)

气瓶是用于盛装氧气、氢气、二氧化碳等压缩气体或液化气体的包装容器，已广泛地应用于机械、石油、化工、消防、医疗、清洁能源汽车等领域，为国民经济各行业的建设发挥着十分重要的作用。近年来，我国已发生多起气瓶爆炸事故［1－4］，造成重大经济损失，气瓶的安全问题至关重要。

截至2020年底，我国气瓶数量已达到1.79亿只，基数庞大，且常用来主装易燃、易爆、有毒的危险化学品，公称压力大，一旦发生事故，极易给人们生命财产安全造成损失。对现有事故进行分析，找到事故原因，对避免同类气瓶在使用过程中出现安全问题具有重要意义。

本文对一起铝合金氧气瓶爆炸案例进行分析，该事故具体情况为：在2019年某日凌晨，某住宅小区6楼一房间发生火灾事故，事故中2只医用铝合金氧气瓶先后发生爆炸（时间间隔约5 min），造成1名老人死亡。本文通过现场勘察与理论计算等方法，分析了事故原因。

1 现场调查情况

失火住宅为三室一厅，其起火房间为居住老人的卧室，示意图如图1所示。起火房间内墙体和天花板均有不同程度的破坏，2只爆炸的氧气瓶分别位于墙体1靠门处和墙体2靠窗处，见图2。

图1 住宅结构示意图

图2 事故发生后破坏的墙体及氧气瓶位置情况

现场的2只氧气瓶为老人生前用来吸氧的铝合金无缝氧气瓶，根据气瓶瓶肩处的钢印信息，可查得气瓶由国内某公司生产，产品制造标准为GB/T 11640—2001《铝合金无缝气瓶》，于2002年11月制造，材料为6061－T6铝合金（固溶＋时效处理），分别于2018年、2019年进行定期检验，气瓶详细信息见表1。

表1 气瓶详细信息

现场勘验显示，1#气瓶瓶体已严重破坏，断口呈剪切状，断口实测壁厚为9.1 mm，无明显减薄，未发现瓶体其他宏观可见缺陷。在室内床垫弹簧上发现瓶体另一块残片，该残片局部呈烧熔状态，见图3。2#气瓶瓶体已严重破坏，其上半部呈撕裂状，瓶体实测壁厚为9.2 mm，断口处实测壁厚为5.6 mm，有减薄现象，未发现瓶体其他宏观可见缺陷，见图4。气瓶内部均未发现有燃烧痕迹。

图3 破坏后的1#气瓶

图4 破坏后的2#气瓶

2只气瓶的阀门除塑料手柄损坏外，其余部分外观均无异常。拆下集成在瓶阀上的安全泄放装置，该气瓶设置的安全泄放装置为爆破片，爆破片未发生破裂，见图5。

图5 1#气瓶的瓶阀与爆破片

2 事故原因分析

事故现场发生严重火灾，救火人员进入房间灭火使用了大量消防水，现场凌乱，勘察较为困难。现结合勘察和调查情况分析如下：

1）气瓶是2天前送到老人家中，该气瓶经过主装、储存、运输和使用均未发生异常，现场勘察瓶内未发现燃烧痕迹，排除了瓶内有油脂的可能性。气瓶已使用近16年，进行了多次定期检验合格；1#气瓶最近一次检验是2019年3月，2#气瓶最近一次检验是2018年6月，均有检验合格的钢印，且在检验有效期内。

2）事故房间发现数条香烟和打火机、酒精灯等物品。调取该住宅1楼的视频监控发现，发生第1次爆炸后，楼道内的声控灯亮起，约5 s后，大量的火星从楼上落下；约5 min后，发生了第2次爆炸。如果是气瓶发生爆炸进而才导致火灾的话，1楼监控视频里首先出现的应该是被爆炸冲击波吹出的房内杂物而不是大量的火星。视频监控的事实主分说明，事故房间是有火灾在先，而后导致气瓶爆炸。

3）1#气瓶瓶体底部及下半部有明显火烧痕迹，瓶体有鼓胀现象，断口呈剪切状，壁厚无明显减薄，瓶体撕裂部分已飞出，爆炸能量相对较大。可推测该气瓶瓶内余压较高（送达后尚未使用或较少使用），气瓶底部受火后导致瓶内气体温度升高、压力增大；同时瓶体材料受火后温度升高导致瓶体材料强度下降；瓶内压力升高与瓶体强度下降到一定程度，导致气瓶发生爆炸；同时，可以推测是1#气瓶首先发生爆炸。查阅《中国材料工程大典（第4卷）：有色金属材料工程（上）》［5］中第 9章表 2.9－12的 6061－T6合金的强度随温度变化的性能，见表2。

表2 6061-T6合金在不同温度下的典型抗拉性能

由表2可看出，随着温度的上升，6061－T6铝合金材料的抗拉强度急剧下降。24 ℃时为310 MPa，149 ℃时为 234 MPa，下降 24.5%；204 ℃时为131 MPa，下降57.7%；260 ℃时为51 MPa，下降83.5%。材料抗拉强度的下降直接导致气瓶爆破压力降低，根据GB/T 11640—2001［6］可按式（1）计算气瓶在不同温度下的爆破压力。

式中：

Pb——气瓶爆破压力；

σb——铝合金材料抗拉强度；

Do——气瓶外径；

S——瓶体壁厚。

计算结果如图6所示，由图6可看出，随着瓶体温度逐渐升高，气瓶的计算爆破压力迅速下降；瓶体材料温度在24 ℃时气瓶的计算爆破压力约为37.6 MPa，而在260 ℃时计算爆破压力约为6.2 MPa。1#气瓶瓶体底部及下半部受火，造成瓶体局部温度升高，金属材料强度下降，而瓶内氧气压力逐渐上升。当瓶内压力上升达到此状态下气瓶爆破压力时，气瓶发生爆炸。

图6 1#气瓶爆破压力与温度曲线图

4）2#气瓶瓶体表面有大面积火烧痕迹，瓶体有鼓胀现象，断口壁厚为5.6 mm，有减薄现象。瓶体上部撕裂（未脱离瓶体），说明爆炸能量相对较小，爆炸时瓶内压力应相对较低。可推测该气瓶着火前瓶内余压相对较低（送达后应是首先使用2天），房间着火后瓶体受火时间更长，造成瓶体表面有大面积火烧痕迹，瓶体材料强度下降更为明显，瓶体有鼓胀现象，瓶体壁厚减薄。着火后瓶内氧气压力逐渐升高，瓶内压力升高与瓶体强度下降到一定程度（瓶体壁厚5.6 mm）时，气瓶发生爆炸。2#气瓶爆破压力计算结果如图7所示，由图7可看出，壁厚为5.6 mm的气瓶，瓶体温度在24 ℃时气瓶的计算爆破压力约为22.6 MPa，在204 ℃时计算爆破压力约为9.6 MPa，而在260 ℃时计算爆破压力约为3.7 MPa。当瓶内压力上升达到此状态下气瓶爆破压力时，气瓶发生爆炸。

图7 2#气瓶爆破压力与温度曲线图

3 讨论

综合以上分析，事故房间内因其他原因发生火灾，火灾导致房内的氧气瓶受火，瓶体强度降低而瓶内压力升高，当瓶内压力上升达到此状态下气瓶爆破压力时，气瓶发生爆炸。1#气瓶瓶内氧气余压较高，受火后先发生爆炸，瓶内氧气外泄加剧了火势，约5 min后2#气瓶发生爆炸。

TSG 23—2021《气瓶安全技术规程》［7］中7.2.2条关于安全泄压装置安全要求，仅规定了安全泄压装置的装设和选用的基本原则，对铝合金氧气瓶是否装设安全泄压装置未做出明确的规定，仅在7.2.2.2条9）中说明“依据相关标准以及设计文件要求装设安全泄压装置”。在《气瓶安全技术规程》释义［8］中也对该条进行了进一步说明，明确从最恶劣的后果考虑，为了防止气瓶在火灾现场内发生爆炸，避免灾情的扩大、恶化，大多数气瓶还是以装设安全泄压装置为宜。

国家标准委于2016年12月13日发布了国家标准 GB/T 33215—2016《气瓶安全泄压装置》［9］，规定了气瓶安全泄放装置的类型、结构型式、设置原则、选用原则、基本要求等，以保证气瓶在意外高温的环境状态下能自动迅速排气泄压，保护瓶体不致爆破。但GB/T 33215—2016的设置原则和选用原则也没有对铝合金气瓶的安全泄放装置做出明确的规定，同时GB/T 11640—2001中也未对安全泄放装置做出明确的规定。为防止类似事故的再次发生，保障人民群众的生命财产安全，建议在GB/T 33215—2016或GB/T 11640—2001中，明确规定铝合金气瓶的安全泄放装置应为温度型与压力型（易熔合金塞与爆破片）的并联复合装置，以保证气瓶在意外高温或超压的状态下能自动排气泄压，保护瓶体不致爆破。同时，作为医护用品的氧气瓶已走进千家万户，加强氧气瓶安全使用知识的专业培训尤为重要。

4 结论

本文通过对一起铝合金氧气瓶爆炸案例进行分析，得出了事故原因，并提出相应预防措施：

1）火灾是导致气瓶发生爆炸的最直接原因。因其他原因事故房间内发生火灾，火灾导致房内的氧气瓶受火，瓶体强度降低而瓶内压力升高，当瓶内压力上升达到此状态下气瓶爆破压力时，气瓶发生爆炸。1#气瓶瓶内氧气余压较高，受火后先发生爆炸，瓶内氧气外泄加剧了火势，约5 min后2#气瓶发生爆炸。

2）建议在法规中明确规定铝合金气瓶的安全泄放装置应为温度型与压力型（易熔合金塞与爆破片）的并联复合装置，以保证气瓶在意外高温或超压的状态下能自动排气泄压，保护瓶体不致爆破。