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可控气氛渗碳多用炉油槽爆炸实例分析

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钱茂洪

(爱协林热处理系统(唐山)有限公司)

  1.事故描述

  某专业热处理厂为扩大产能,购进一台渗碳多用炉生产线,该生产线包括前清洗机、渗碳淬火主炉设备、后清洗机、回火炉以及料车和备料台。设备保护气氛载气为纯甲醇气氛,富化气为丙烷。

  某日上午8点渗碳主炉升到900℃后,开始进行送气操作,8点30分左右,废气排放管排出的废气被点燃,炉膛压力为200Pa。中午11点30分左右发现甲醇没有流量,油槽废气火焰已经很小,炉压表示值几乎为零。操作工准备去打开炉膛保护氮气时才发现储备的4瓶瓶装氮气储罐是空罐,准备加注甲醇以便让炉膛尽快恢复正压时,才意识到用天车运输甲醇到甲醇储罐需要走过漫长的近100m的距。11点38分左右炉压为零,油槽废气燃烧火焰完全熄灭。约11点40分甲醇开始加入主炉,加注甲醇约1min后油槽发生爆炸。

  爆炸造成渗碳炉中门被炸坏,中门上的炉砖被炸飞,只剩下两条固定钢板,油槽防爆盖被炸变形,淬火油从防爆盖飞溅而出,飞出的高温油滴落到油槽旁边操作工的头上和脸上,造成轻微烧伤。爆炸情况见图1被炸坏的中门、图2飞溅的淬火油。


  2.爆炸三要素

  众所周知,往一个几乎密闭的玻璃管内通入氢气,然后用酒精灯加热玻璃管,当加热到一定程度时,玻璃管口就会喷出火焰同时发出爆鸣声。剧烈的燃烧反应或者说爆炸具有下列特征:

  ①爆炸瞬时完成。

  ②爆炸起点附近压力急剧升高并伴有温度升高。

  ③爆炸周围介质在高压冲击波作用下产生振动或受到机械破坏。

  ④由于介质振动而产生巨大声响。

  爆炸三要素或者说三个条件是:

  ①密闭空间。

  ②爆炸混合比。

  ③明火源或达到着火温度。

  上述三个条件是爆炸的必要条件,只有当条件②爆炸混合比形成后,条件③明火源或达到着火点再被满足,气体的爆燃才会发生,而条件①密闭空间只是加大了爆炸的破坏性。如果条件③明火源或达到着火温度在可燃气氛与空气达到爆炸混合比之前就存在,也不会发生爆炸,例如加热用的点火烧嘴,电气控制上就是先点火,然后开空气电磁阀,紧接着再开燃气电磁阀,最终形成稳定燃烧的火焰;可控气氛炉主炉送气操作,也是先将主炉温度升高到750℃以上,再向充满空气的高温炉内通入可燃气氛,最终达到整个炉膛全部充满可燃气氛。实践证明,对可控气氛热处理炉来说先升到750℃以上之上再送气的操作是安全的,并已被广泛应用于热处理生产实际。

  1)密闭空间

  爆炸是可燃气体的爆燃,同时伴随着气体体积的膨胀,只要阻碍了爆燃气体膨胀的空间均可称为密闭空间。一个小小的玻璃管可以称为密闭空间,例如氢气爆鸣试验;相对封闭、独立的车间也可称为密闭空间,例如昆山某厂铝粉尘爆炸的车间就是一个密闭空间。对于可控气氛热处理设备来说,存在密闭空间是必然的,因为只有在近乎封闭的主炉内才能升高温度、建立保护气氛、升高碳势,完成需要的保护气氛加热及渗碳等工艺。可控气氛炉的油槽就是一个典型的且处于安全温度之下的封闭空间,在该空间发生爆炸的可能性远远高于使用温度在安全温度之上的渗碳主炉。

  2)爆炸极限

  可燃气体与空气混合达到一定比例,遇明火或达到着火点就会发生爆炸,这个比例范围的上限、下限分别被称为爆炸极限的上限和下限,在此比例范围之外就不会发生爆炸。爆炸极限浓度范围越宽,该种可燃气体的爆炸危险性越大。对可控气氛热处理炉来说,当炉内充满可燃气氛时,当炉内的含氧量≤1%时,被认为是安全的。一个正在生产的相对来说是安全的也即可燃气氛与空气的混合比在爆炸极限范围之外的可控气氛热处理炉,当炉内压力变化甚至产生负压时,空气就可能倒吸进炉内,使炉内已建立的可燃气氛与空气的安全混合比进入到爆炸极限范围之内。表为可控气氛炉易燃气体或有机液体裂解气与空气混合的爆炸极限。


  3)明火源或着火点

  引燃可燃气氛的最低温度,称为着火点,对于已充满可燃气体的封闭空间而言,只要很小的范围或局部区域内存在着火点或者说达到可燃温度,哪怕是静电火花,都可能引起可怕的爆炸,比如在加油站,吸烟是绝对被禁止的。对可控气氛热处理炉来说,存在以下几种着火源:①热工件。②炉内高温钢制零件。③高温辐射管。④炉内运动部件摩擦或撞击产生的火花。

  3.可控气氛炉安全送气、停气操作规程

  几乎所有的可控气氛炉都有着近乎相同的使用流程,将炉子温度升高,然后进行送气操作,并通过对碳势、氮势的控制来调节可燃气体通入量,表2为常见可控气氛的种类及基本组分含量。无论是750℃以上进行的渗碳、碳氮共渗抑或保护气氛加热,还是750℃以下进行的氮化、氮碳共渗等工艺,通入炉内的可燃气体无一例外都含有CO、H2等非常危险的爆炸气体,稍有不慎就有爆炸的危险。

  从可控气氛炉使用来看,整个炉膛就是一个密闭空间,因此可控气氛炉的所有安全操作规程,都是围绕着火温度和爆炸极限两要素展开的,要么保证炉膛所有区域在送气之前升温到着火温度之上,要么避免爆炸混合比形成。在750℃安全温度之上可燃气体与空气以任何比例混合都不会爆炸,而安全温度之下使用的炉子或者存在局部低温区域如油槽的炉子相对来说是危险的,因为一旦爆炸混合比形成,要完全防止可控气氛炉内不出现着火点几乎是不可能的。

  用来防止可燃气体与空气混合形成爆炸混合比的方法有氮气置换法和燃烧法换气两种,而预抽真空的方法可归结到氮气置换的范畴,抽真空只是加快了氮气置换速度、节约了氮气。氮气置换法就是用氮气置换炉内空气,或者用氮气置换炉内可燃气体,从而有效防止可燃气体与空气形成爆炸混合比,有资料显示当置换氮气通入量达到炉膛体积的5倍时,被认为是安全的。燃烧换气法就是用燃烧的方法将炉内原有空气消耗掉,使炉膛完全充满可燃气体,比如多用炉的送气操作;或者是用燃烧的方法将炉内原有可燃气体烧掉,使炉膛完全充满空气如多用炉开门操作、多用炉烧炭黑操作。表3为可控气氛炉送气操作规程,表4为可控气氛炉停气操作规程。


  4.事故原因分析及预防措施

  (1)原因分析

  油槽废气正常燃烧,说明油槽被可燃气氛完全充满,虽然油槽满足了密闭空间的条件,但爆炸混合比没有形成,油槽内气氛是安全的爆炸不会发生。当甲醇停止供应后,炉膛只有排气,没有进气,炉压开始降低。虽然油槽温度低于着火温度,但相比于炉外环境温度仍然是较高温度空间,根据热气球原理,当炉压降到零压以后炉膛开始逐步进入负压状态,不可避免的会有一定量的空气会被倒吸进油槽。当油槽废气火焰逐渐变小并最终熄灭时,油槽内可燃气氛与空气混合比也正在向爆炸极限逐步靠近,当甲醇再次加入后产生的大量高温甲醇裂解气从中门下方向油槽流出时,正好油槽内爆炸混合比形成,爆炸随即发生,火焰从中门附近迅疾向整个油槽扩展,爆炸产生的冲击波将中门砖炸塌,最终从油槽上方的防爆盖得到释放,防爆盖被炸开的同时大量的淬火油雾喷射而出。如果在炉膛压力几乎为零时,无论是执行开前门操作将炉内可燃气氛燃烧掉,还是通入5倍于炉膛体积的氮气将炉内可燃气氛完全置换成氮气,爆炸事故都不会发生。

  (2)事故总结

  任何事故的发生,都是由多个小的错误或疏忽积累到一起,在一定条件下的集中爆发并酿成惨剧。关于此次事故,经验教训总结如下:①安全管理没有到位,没有对相关操作工进行培训,更没有相应安全管理文件及应急处置措施。②甲醇没有及时储备,氮气没有及时储备。③操作者安全意识淡薄,存在侥幸心理,没有执行相应的安全操作规程。

  (3)预防措施

  亡羊补牢,为时未晚,针对此次事故,制定下列安全预防措施:①成立安全管理小组,并制定相依规章管理制度,并落实到专人负责,编制安全操作说明书,对操作工进行培训,提高操作者的安全意识及操作技能。②编制设备点检表,对设备进行定时点检,及时发现安全隐患,实现人对设备的监控。③在安全氮气备足之前,严禁启炉。④对涉及到炉子密封的各部位,各部件定期进行检查,诸如前门、中门、加热元件、风扇包、热电偶、氧探头、观察窗、防爆盖及各限位杆的密封性检查。⑤甲醇储罐上增加液位报警声光提示,当甲醇储备不足时及时提醒;增加液位显示玻璃管,当电信号提示出现故障时,操作工用肉眼也能观察甲醇液位,在液位降低时及时加注甲醇。⑥甲醇供给管路上安装压力表及相应的压力传感器,当甲醇压力降低时,操作者可以肉眼发现压力的变化,当操作者不在设备附近时能听到设备发出的甲醇压力报警信号。⑦在油槽增加安全保护氮气,该保护氮气的开启与炉膛压力连锁,当炉膛压力低于某一数值时,自动冲入油槽,防止低温油槽出现负压。

  5.结语

  在深入理解爆炸三要素及严格执行可控气氛热处理炉安全操作规程的基础上,完全可以避免可燃气氛爆炸极限在炉内形成,或者在设备故障隐患已出现的情况下,通过正确操作仍可化险为夷;相反错误的操作或安保措施不到位,不仅造成设备的损害,甚至引发人身伤害事故。

来源:《金属加工:热加工》2016年第9期