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可控氣氛滲碳多用爐油槽爆炸實例分析

2019-02-15

錢茂洪
（愛協(xié)林熱處理系統(tǒng)(唐山)有限公司）

　　1.事故描述
　　某專業(yè)熱處理廠為擴大產(chǎn)能，購進一臺滲碳多用爐生產(chǎn)線，該生產(chǎn)線包括前清洗機、滲碳淬火主爐設(shè)備、后清洗機、回火爐以及料車和備料臺。設(shè)備保護氣氛載氣為純甲醇氣氛，富化氣為丙烷。

　　某日上午8點滲碳主爐升到900℃后，開始進行送氣操作，8點30分左右，廢氣排放管排出的廢氣被點燃，爐膛壓力為200Pa。中午11點30分左右發(fā)現(xiàn)甲醇沒有流量，油槽廢氣火焰已經(jīng)很小，爐壓表示值幾乎為零。操作工準(zhǔn)備去打開爐膛保護氮氣時才發(fā)現(xiàn)儲備的4瓶瓶裝氮氣儲罐是空罐，準(zhǔn)備加注甲醇以便讓爐膛盡快恢復(fù)正壓時，才意識到用天車運輸甲醇到甲醇儲罐需要走過漫長的近100m的距。11點38分左右爐壓為零，油槽廢氣燃燒火焰完全熄滅。約11點40分甲醇開始加入主爐，加注甲醇約1min后油槽發(fā)生爆炸。

　　爆炸造成滲碳爐中門被炸壞，中門上的爐磚被炸飛，只剩下兩條固定鋼板，油槽防爆蓋被炸變形，淬火油從防爆蓋飛濺而出，飛出的高溫油滴落到油槽旁邊操作工的頭上和臉上，造成輕微燒傷。爆炸情況見圖1被炸壞的中門、圖2飛濺的淬火油。

　　2.爆炸三要素
　　眾所周知，往一個幾乎密閉的玻璃管內(nèi)通入氫氣，然后用酒精燈加熱玻璃管，當(dāng)加熱到一定程度時，玻璃管口就會噴出火焰同時發(fā)出爆鳴聲。劇烈的燃燒反應(yīng)或者說爆炸具有下列特征：
　?、俦ㄋ矔r完成。
　?、诒ㄆ瘘c附近壓力急劇升高并伴有溫度升高。
　?、郾ㄖ車橘|(zhì)在高壓沖擊波作用下產(chǎn)生振動或受到機械破壞。
　?、苡捎诮橘|(zhì)振動而產(chǎn)生巨大聲響。

　　爆炸三要素或者說三個條件是：
　?、倜荛]空間。
　　②爆炸混合比。
　?、勖骰鹪椿蜻_到著火溫度。

　　上述三個條件是爆炸的必要條件，只有當(dāng)條件②爆炸混合比形成后，條件③明火源或達到著火點再被滿足，氣體的爆燃才會發(fā)生，而條件①密閉空間只是加大了爆炸的破壞性。如果條件③明火源或達到著火溫度在可燃氣氛與空氣達到爆炸混合比之前就存在，也不會發(fā)生爆炸，例如加熱用的點火燒嘴，電氣控制上就是先點火，然后開空氣電磁閥，緊接著再開燃氣電磁閥，Z終形成穩(wěn)定燃燒的火焰；可控氣氛爐主爐送氣操作，也是先將主爐溫度升高到750℃以上，再向充滿空氣的高溫爐內(nèi)通入可燃氣氛，Z終達到整個爐膛全部充滿可燃氣氛。實踐證明，對可控氣氛熱處理爐來說先升到750℃以上之上再送氣的操作是安全的，并已被廣泛應(yīng)用于熱處理生產(chǎn)實際。

　　1）密閉空間
　　爆炸是可燃氣體的爆燃，同時伴隨著氣體體積的膨脹，只要阻礙了爆燃氣體膨脹的空間均可稱為密閉空間。一個小小的玻璃管可以稱為密閉空間，例如氫氣爆鳴試驗；相對封閉、獨立的車間也可稱為密閉空間，例如昆山某廠鋁粉塵爆炸的車間就是一個密閉空間。對于可控氣氛熱處理設(shè)備來說，存在密閉空間是必然的，因為只有在近乎封閉的主爐內(nèi)才能升高溫度、建立保護氣氛、升高碳勢，完成需要的保護氣氛加熱及滲碳等工藝?？煽貧夥諣t的油槽就是一個典型的且處于安全溫度之下的封閉空間，在該空間發(fā)生爆炸的可能性遠遠高于使用溫度在安全溫度之上的滲碳主爐。

　　2）爆炸極限
　　可燃氣體與空氣混合達到一定比例，遇明火或達到著火點就會發(fā)生爆炸，這個比例范圍的上限、下限分別被稱為爆炸極限的上限和下限，在此比例范圍之外就不會發(fā)生爆炸。爆炸極限濃度范圍越寬，該種可燃氣體的爆炸危險性越大。對可控氣氛熱處理爐來說，當(dāng)爐內(nèi)充滿可燃氣氛時，當(dāng)爐內(nèi)的含氧量≤1%時，被認為是安全的。一個正在生產(chǎn)的相對來說是安全的也即可燃氣氛與空氣的混合比在爆炸極限范圍之外的可控氣氛熱處理爐，當(dāng)爐內(nèi)壓力變化甚至產(chǎn)生負壓時，空氣就可能倒吸進爐內(nèi)，使?fàn)t內(nèi)已建立的可燃氣氛與空氣的安全混合比進入到爆炸極限范圍之內(nèi)。表為可控氣氛爐易燃氣體或有機液體裂解氣與空氣混合的爆炸極限。

　　3）明火源或著火點
　　引燃可燃氣氛的Z低溫度，稱為著火點，對于已充滿可燃氣體的封閉空間而言，只要很小的范圍或局部區(qū)域內(nèi)存在著火點或者說達到可燃溫度，哪怕是靜電火花，都可能引起可怕的爆炸，比如在加油站，吸煙是被禁止的。對可控氣氛熱處理爐來說，存在以下幾種著火源：①熱工件。②爐內(nèi)高溫鋼制零件。③高溫輻射管。④爐內(nèi)運動部件摩擦或撞擊產(chǎn)生的火花。

　　3.可控氣氛爐安全送氣、停氣操作規(guī)程
　　幾乎所有的可控氣氛爐都有著近乎相同的使用流程，將爐子溫度升高，然后進行送氣操作，并通過對碳勢、氮勢的控制來調(diào)節(jié)可燃氣體通入量，表2為常見可控氣氛的種類及基本組分含量。無論是750℃以上進行的滲碳、碳氮共滲抑或保護氣氛加熱，還是750℃以下進行的氮化、氮碳共滲等工藝，通入爐內(nèi)的可燃氣體無一例外都含有CO、H2等非常危險的爆炸氣體，稍有不慎就有爆炸的危險。

　　從可控氣氛爐使用來看，整個爐膛就是一個密閉空間，因此可控氣氛爐的所有安全操作規(guī)程，都是圍繞著火溫度和爆炸極限兩要素展開的，要么保證爐膛所有區(qū)域在送氣之前升溫到著火溫度之上，要么避免爆炸混合比形成。在750℃安全溫度之上可燃氣體與空氣以任何比例混合都不會爆炸，而安全溫度之下使用的爐子或者存在局部低溫區(qū)域如油槽的爐子相對來說是危險的，因為一旦爆炸混合比形成，要完全防止可控氣氛爐內(nèi)不出現(xiàn)著火點幾乎是不可能的。

　　用來防止可燃氣體與空氣混合形成爆炸混合比的方法有氮氣置換法和燃燒法換氣兩種，而預(yù)抽真空的方法可歸結(jié)到氮氣置換的范疇，抽真空只是加快了氮氣置換速度、節(jié)約了氮氣。氮氣置換法就是用氮氣置換爐內(nèi)空氣，或者用氮氣置換爐內(nèi)可燃氣體，從而有效防止可燃氣體與空氣形成爆炸混合比，有資料顯示當(dāng)置換氮氣通入量達到爐膛體積的5倍時，被認為是安全的。燃燒換氣法就是用燃燒的方法將爐內(nèi)原有空氣消耗掉，使?fàn)t膛完全充滿可燃氣體，比如多用爐的送氣操作；或者是用燃燒的方法將爐內(nèi)原有可燃氣體燒掉，使?fàn)t膛完全充滿空氣如多用爐開門操作、多用爐燒炭黑操作。表3為可控氣氛爐送氣操作規(guī)程，表4為可控氣氛爐停氣操作規(guī)程。

　　4.事故原因分析及預(yù)防措施
　?。?）原因分析
　　油槽廢氣正常燃燒，說明油槽被可燃氣氛完全充滿，雖然油槽滿足了密閉空間的條件，但爆炸混合比沒有形成，油槽內(nèi)氣氛是安全的爆炸不會發(fā)生。當(dāng)甲醇停止供應(yīng)后，爐膛只有排氣，沒有進氣，爐壓開始降低。雖然油槽溫度低于著火溫度，但相比于爐外環(huán)境溫度仍然是較高溫度空間，根據(jù)熱氣球原理，當(dāng)爐壓降到零壓以后爐膛開始逐步進入負壓狀態(tài)，不可避免的會有一定量的空氣會被倒吸進油槽。當(dāng)油槽廢氣火焰逐漸變小并Z終熄滅時，油槽內(nèi)可燃氣氛與空氣混合比也正在向爆炸極限逐步靠近，當(dāng)甲醇再次加入后產(chǎn)生的大量高溫甲醇裂解氣從中門下方向油槽流出時，正好油槽內(nèi)爆炸混合比形成，爆炸隨即發(fā)生，火焰從中門附近迅疾向整個油槽擴展，爆炸產(chǎn)生的沖擊波將中門磚炸塌，Z終從油槽上方的防爆蓋得到釋放，防爆蓋被炸開的同時大量的淬火油霧噴射而出。如果在爐膛壓力幾乎為零時，無論是執(zhí)行開前門操作將爐內(nèi)可燃氣氛燃燒掉，還是通入5倍于爐膛體積的氮氣將爐內(nèi)可燃氣氛完全置換成氮氣，爆炸事故都不會發(fā)生。

　?。?）事故總結(jié)
　　任何事故的發(fā)生，都是由多個小的錯誤或疏忽積累到一起，在一定條件下的集中爆發(fā)并釀成慘劇。關(guān)于此次事故，經(jīng)驗教訓(xùn)總結(jié)如下：①安全管理沒有到位，沒有對相關(guān)操作工進行培訓(xùn)，更沒有相應(yīng)安全管理文件及應(yīng)急處置措施。②甲醇沒有及時儲備，氮氣沒有及時儲備。③操作者安全意識淡薄，存在僥幸心理，沒有執(zhí)行相應(yīng)的安全操作規(guī)程。

　?。?）預(yù)防措施
　　亡羊補牢，為時未晚，針對此次事故，制定下列安全預(yù)防措施：①成立安全管理小組，并制定相依規(guī)章管理制度，并落實到專人負責(zé)，編制安全操作說明書，對操作工進行培訓(xùn)，提高操作者的安全意識及操作技能。②編制設(shè)備點檢表，對設(shè)備進行定時點檢，及時發(fā)現(xiàn)安全隱患，實現(xiàn)人對設(shè)備的監(jiān)控。③在安全氮氣備足之前，嚴禁啟爐。④對涉及到爐子密封的各部位，各部件定期進行檢查，諸如前門、中門、加熱元件、風(fēng)扇包、熱電偶、氧探頭、觀察窗、防爆蓋及各限位桿的密封性檢查。⑤甲醇儲罐上增加液位報警聲光提示，當(dāng)甲醇儲備不足時及時提醒；增加液位顯示玻璃管，當(dāng)電信號提示出現(xiàn)故障時，操作工用肉眼也能觀察甲醇液位，在液位降低時及時加注甲醇。⑥甲醇供給管路上安裝壓力表及相應(yīng)的壓力傳感器，當(dāng)甲醇壓力降低時，操作者可以肉眼發(fā)現(xiàn)壓力的變化，當(dāng)操作者不在設(shè)備附近時能聽到設(shè)備發(fā)出的甲醇壓力報警信號。⑦在油槽增加安全保護氮氣，該保護氮氣的開啟與爐膛壓力連鎖，當(dāng)爐膛壓力低于某一數(shù)值時，自動沖入油槽，防止低溫油槽出現(xiàn)負壓。

　　5.結(jié)語
　　在深入理解爆炸三要素及嚴格執(zhí)行可控氣氛熱處理爐安全操作規(guī)程的基礎(chǔ)上，完全可以避免可燃氣氛爆炸極限在爐內(nèi)形成，或者在設(shè)備故障隱患已出現(xiàn)的情況下，通過正確操作仍可化險為夷；相反錯誤的操作或安保措施不到位，不僅造成設(shè)備的損害，甚至引發(fā)人身傷害事故。

來源：《金屬加工：熱加工》2016年第9期