乙炔瓶安全性能安全技术分析

溶解乙炔气瓶(以下简称乙炔瓶),由于具有节省能源、安全可靠、减少公害及使用方便等优越性,故目前已在全国范围内推广使用;乙炔瓶的制造、充装、检验和使用单位,也都有了很大的发展。但由于乙炔瓶内充装乙炔,是稳定性较差、反应性很强的易燃气体,所以在一定的条件下,极易发生燃烧、分解和爆炸事故,而且破坏力也较大。在实际的充装和使用中,如果操作管理不当,乙炔瓶的燃烧爆炸事故还是难以完全避免的。迄今为止,我国已发生过多起乙炔瓶的燃烧爆炸事故。因此,如何从这些事故中总结经验教训,加强对乙炔瓶安全技术的分析研究,制订预事故发生的对策和措施,是确保乙炔瓶安全的一项重要课题。本文就是从这一点出发,从国内已发生的乙炔瓶燃烧爆炸事故入手,从安全技术角度对乙炔瓶的安全性能进行了初步分析,希望能够“对症下药”,促进乙炔瓶的安全管理。

我国自1982年有组织、有计划地推广使用乙炔瓶以来,曾发生了多起乙炔瓶燃烧爆炸事故。由于有关乙炔瓶事故的报告统计工作不够健全,故目前尚缺乏完整的统计资料,现仅将通过各种渠道搜集到的有关乙炔瓶燃烧爆炸事故的资料,作一个不完全统计,我国自1993——20**年的8年间,共发生乙炔瓶燃烧爆炸事故21起,造成1人死亡、8人受伤,烧毁乙炔瓶约2300只。通过对这些事故进行调查分析,可以发现乙炔瓶本身的问题是导致燃烧爆炸事故频发的主要原因。因此,要想减少事故的发生就必须从乙炔瓶本身的安全技术角度入手进行深入细致地分析研究,才能进行有效地预防。(风险管理世界-)

一、乙炔瓶填料的质量,是影响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。

溶解乙炔所以较气态乙炔安全,不仅是因为它溶解于溶剂中,而且还在于溶剂及其溶解的乙炔气体,被均匀地分布在多孔填料的毛细孔中,填料毛细孔的阻火能力是非常有效的。目前国内制造和大量使用的乙炔瓶,基本都是整体硅酸钙填料,但仍有少部分活性炭和浇注混合物填料的乙炔瓶在使用。在以上几种填料中,活性炭填料的安全性能较差,而整体硅酸钙填料的安全性能较好。我国近八年间发生的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装的活性炭,这除了说明活性炭填料的安全性能交差外,还说明了活动炭填料的乙炔瓶安全性能和活性炭本身的质量及其充装工艺有着密切关系。这是因为,在我国尚有一部分从国外进口的活性炭填料乙炔瓶,已使用了很长时间,有的已经几十年了,都没有发生事故;而自己改制的活性炭填料乙炔瓶,有的仅使用了10个月,只充了10次气,就发生了爆炸事故。因此,对活性炭填料乙炔瓶,采取“一刀切”而一概否定,是不符合实际的。同样,对整体硅酸钙填料乙炔瓶,认为在安全性能上已“万无一失”,也是很不全面的。国内近八年来发生的多起乙炔瓶燃烧爆炸事故中也有11起是整体硅酸钙填料乙炔瓶。因此,乙炔瓶填料质量对安全性能的影响,不仅取决于填料的种类,也取决于填料本身的质量,及其充装、反应、成型等工艺的好坏。

二、乙炔瓶内存在空隙,是影响乙炔瓶安全性能的一个重要因素。

活性炭填料乙炔瓶安全性能差的一个主要原因,就是因为颗粒状活性炭易下沉而形成空隙。在对我国发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年上海发生的活性炭填料乙炔瓶爆炸事故后,曾抽查了与该爆炸瓶同批改制瓶的活性炭填料,发现所有被抽查的瓶,都存在程度不同的活性炭下沉现象。因此,活性炭填料下沉、整体硅酸钙填料肩部轴向间隙过大、填料内部及表面的孔洞容积过大等,都是造成乙炔瓶内空隙的直接原因。

乙炔瓶内空隙对安全性能的影响是很明显的,因为在瓶中空隙内的乙炔均为气态,从而失去了溶解乙炔的安全性能。当瓶中有大量高压气态乙炔积聚时,易分解而引起爆炸,并且其分解爆炸时动压高、能量大又易扩散,这已被国内的多次安全性能试验结果所证实。如在一次作验证性回火试验时,当乙炔瓶的肩部轴向间隙为3mm,测得回火试验用引爆管内乙炔分解时的入射波压力为8MPa,反射波压力为33.6MPa;而乙炔瓶的肩部轴向间隙为5-6MM时,测得入射波压力为19.1MPa。反射波压力为48.2MPa,乙炔分解时放出的热量为2.26×105J/M01。因此,乙炔分解爆炸时释放的能量,随着瓶内气态乙炔量的增加而增加。

乙炔瓶内因填料与瓶壁的间隙而形成的空隙,从目前我国实际生产水平看,还很难完全消除,而且也没有必要这样要求。至于认为瓶内存在空隙可以减少充填丙酮和充放气体时的阻力的说法也不够全面。当前的主要问题是如何在安全可靠的基础上,从生产实际出发,制订一个乙炔瓶内空隙容积的极限值。在确定这一数值时,还应考虑检测方便和留有余地,对此目前还缺少理论研究和实验数据。对活性炭乙炔瓶,国外曾有肩部空隙容积不超过150cm3的数据报导,而对整体硅酸钙填料乙炔瓶,按现行国家标准,填料与瓶壁的总间隙为:径向不超过1mm,轴向不应超过3mm,表面孔洞总容积不应超过20cm3。按公称容积40L的瓶计算,当径向总间隙为1mm时,空隙容积约为300cm3;而轴向总间隙为3mm时,空隙容积也约为300cm3(包括肩部和底部),再加上表面孔洞总容积为20cm3,则40L瓶的总空隙容积不应超过620cm3,而安全性能回火试验用引爆管空隙容积仅为150cm3。显然,这个620cm3的允许极限空隙容积是较大的,而在实际回火试验中,却又往往被通过。这是和试验用瓶的实际间隙,特别是和允许间隙造成的空隙容积是否贯通有关。如果间隙造成的间隙容积全部贯通,则安全性能的回火试验是很难通过的,这在验证性试验中已被证实。从国内某厂做的547只乙炔瓶回火局部加热试验结果来看,其中15只不合格瓶内有14只肩部间隙大于等于2mm,占93.3%;而在合格的39只中,只有25只肩部间隙大于等于2mm,占64.1%。在验证性试验中曾发生有一只瓶(日本产),实测肩部有径向间隙为1mm,底部间隙为10mm,在装立式回火管做回火试验时不合格,而实测径向间隙为零。肩部间隙小于等于0.5mm的瓶(国产),做同样的立式回火管回火试验时通过了。以上的这些实验数据,都充分说明了乙炔瓶内由于间隙造成的空隙容积,与其安全性能有着非常密切的关系,是引起乙炔瓶发生燃烧爆炸的一个重要原因。

三、乙炔瓶的环境温度和静置压力,也是影响其安全性能的主要外界因素。

因为温度高时,不仅能使乙炔瓶的静置压力升高,而同时又降低了乙炔分解爆炸的初始压力,从而使乙炔易发生分解和爆炸。某厂试验的54只瓶,在15只不合格瓶中,除有3只是经35±2℃水浴加热外,有11只试验时气温在20℃以上,其中有7只是在25℃以上,静置压力均在1.5MPa以上,其中在20MPa以上的有4只;而在试验合格的39只瓶内,除有8只是经水浴加热外,有13只气温在20℃以上,其中有2只是在25℃以上,静置压力在1.5MPa以上的有13只,其中最高的一只压力为1.75MPa。从以上的数据不难看出,在不同的温度和压力下,经回火试验合格和不合格的比率,显然有着很大的差异。国内自1991——1993年上半年,曾对3家乙炔瓶制造厂进行了技术鉴定,其中有2家首次鉴定均未通过,而这两家的鉴定时间都选在6——8月份,做安全性能试验时的气温都较高。因此时的试行规程,对鉴定的环境温度未作规定,故1993年下半年7家乙炔瓶制造厂的技术鉴定都安排在11~12月份,因为此时的环境温度较低,故此7家都是一次鉴定通过。当然按现行国标就不存在这个问题了,因为国标规定在回火试验前,需经35±2℃水浴3小时,不论环境温度如何,都将在相同的条件下进行试验。

因此,在乙炔瓶的实际工作中,应严格控制环境温度,特别是要严格控制乙炔瓶的静置压力。那些认为提高静置压力,可以增加乙炔瓶的气体充装量,从而提高乙炔瓶的经济性的认识是不全面的,因为它恰恰忽略了乙炔瓶的安全性,而乙炔瓶的安全性与经济性是不能相提并论的。

四、乙炔瓶中的丙酮和乙炔气体的充装量,以及瓶内留有的“安全空间”容积,对乙炔瓶的安全性能也有很大的影响,特别是丙酮和乙炔气体充装量决定的乙炔浓度(炔酮比),对乙炔瓶安全性能的影响是很明显的。

我国多次安全性能试验的结果,也都证实了这一点。如某厂试验的54只乙炔瓶,在试验不合格的15只瓶中,有13只炔酮比在0.5以上:而在试验合格的39只瓶中,仅有21只炔酮比在0.5以上。1996年3月发生的一起活性炭乙炔瓶爆炸事故,其炔酮比为0.55(资料记载的数据)。此外,乙炔瓶充装气体后的静置时间不足,也会造成瓶内的乙炔浓度不均匀,即在瓶内存在局部浓度较高,也会发生与乙炔浓度高时的相同结果。在国外,也有这方面的数据报导。因此,在溶解乙炔的充装操作中,应特别注意加强对丙酮和乙炔气体充装量的严格控制。

当前,在乙炔瓶充装中存在的问题,还是比较严重的,主要表现为充装前不按规定补加丙酮,严重的瓶内丙酮不足量意达5kg,那充装的还是什么“溶解乙炔”?甚至更有严重的,据说有个别生产厂,为了瓶子够重量,向瓶中补加水作溶剂,简直是到了不择手段的地步,其危险性是十分明显的,主要表现为:

1.由于丙酮补加量不足,如仍按标准规定的静置压力充装,瓶内的乙炔气充装量就不足,很难符合GB6819的溶解乙炔净重应在5——7kg,以及GB13591规定的乙炔瓶单位容积充装量若低于0.12kg/L,不准出厂。

2.丙酮补加量不足,不仅使乙炔充装量减少,而且还会使乙炔瓶内“安全空间”容积(自由容积)增大,从而会使瓶内的气态乙炔量过大。由于气态乙炔的稳定性差,易分解扩散,这对乙炔瓶的安全性能影响是很大的。

3.丙酮补充量不足,而又以提高充装压力来达到规定的乙炔充装量,这不仅会使静置压力超过标准规定,而且将会使瓶内的乙炔浓度(炔酮比)大大提高,降低乙炔瓶的阻火能力,从而影响乙炔瓶的安全性能。按现行国标的规定,目前乙炔瓶的最大炔酮比为0.526(0.2δV/0.38δV)当40瓶少补加丙酮1Kg时(这在目前的生产实际中是较普遍存在的),相当于少加0.028δV的丙酮,则此时瓶内的炔酮比为0.568(0.2δV/(0.38δV-0.028δV)。如此高的炔酮比,就目前国产乙炔瓶的现状,是很难阻止瓶内乙炔分解的,这已被国内多次安全性能试验所证实。

五、乙炔瓶内气体纯度及其杂质含量也影响乙炔瓶的安全性能。

当乙炔瓶内充装的气体纯度不高时,不是乙炔充装量不足,就是静置压力过高,因为此时的乙炔瓶静置压力,除乙炔气体本身的压力外,还要加上杂质气体的分压力。国外资料中曾有报导,当乙炔气体中空气成份增加0.1%,即会使充装后瓶内压力增加0.05MPa。此外,当杂质气体中的空气含量高,即含氧量高时,则在乙炔瓶内有可能发生氧化爆炸,或由局部氧化爆炸释放的能量,作为引爆源而引起的分解爆炸,即“阶梯爆炸”。因此,乙炔――空气混合气体引起乙炔瓶爆炸的危险性是很大的,国内的多次试验都证实了这一点。在国外,也同样有这方面的试验数据报导。此外乙炔气体中的主要杂质磷化氢、硫化氢含量过高,也会影响乙炔瓶的安全性能。因为这些杂质气体的自燃温度低,在瓶内受外界影响容易自燃,从而引起乙炔的分解爆炸。因此,溶解乙炔的质量必须符合GB6819的技术要求。

六、乙炔瓶的安全性能,除了受瓶的本身质量等内因、以及充装及管理等外因的影响外,还与引爆源有着密切的关系。

目前一般认为,引爆源的种类主要有:撞击、摩擦、绝热压缩、冲击波、明火、加热、高温、热辐射、电火花、电弧、静电、紫外线、红外线以及自然发热等。这里需要特别指出的是,撞击、摩擦、绝热压缩和静电等,经常不为人们重视,而实际工作中又是比较普遍存在的,它们往往是导致乙炔瓶爆炸的直接原因。

通过对乙炔瓶安全性能的分析,我们就可以在日常的工作中采取有针对性地技术措施,同时严格贯彻执行国家已颁发的有关规程、标准和规定,抓好乙炔瓶充装和检验这两个重要环节,定期对乙炔瓶的充装、检验、运输、储存和使用人员进行安全教育,从而把我国乙炔瓶的安全管理推向一个新的水平。