一起氨氣緩沖罐著火事故的設備性能分析

李 寧，白 鑫

（河北省特種設備監督檢驗研究院滄州分院，河北 滄州 061001）

氨氣是一種具有強烈刺激性的氣體，同時還具有腐蝕性和毒性，因此在其生產、存儲和運輸的過程中都具有較高的危險性。氨氣緩沖罐是為了安全存儲和運輸氨氣而研制的一種壓力設備，不僅能夠在內部緩沖裝置的作用下保證罐內壓力穩定在安全的范圍內，而且通過向緩沖罐中添加冷卻劑，實現了對氨氣的及時有效冷卻，防止出現溫度過高導致的緩沖罐系統失控問題。同時氨氣緩沖罐的密封性能良好，有效避免了氨氣泄漏產生的風險，保證了工作人員和工作環境的安全性。本文將對一起因工人操作不當導致的車間著火事故進行分析，詳細介紹氨氣緩沖罐在直接接觸火焰后的一系列檢測和評估情況。

1 氨氣緩沖罐介紹

氨氣緩沖罐是化工企業的重要組成壓力容器，在運行過程中承受著高壓和介質腐蝕的作用，壓力容器的使用安全關系著化工企業的安全運行。氨氣緩沖罐失效十分常見，表現有氨應力腐蝕開裂、腐蝕減薄等，主要的原因為氨氣與金屬發生一系列的反應，加上高壓的作用導致壓力容器焊縫開裂等。Q345R 是一種合金鋼，主要用于鍋爐壓力容器，其工藝性能和力學性能較穩定，屬于低合金鋼，被廣泛用于石油、化工、電站、鍋爐等行業，一般用于制作反應器、換熱器、分離器、導氣管、液化氣罐、鍋爐氣包及液化石油氣瓶等。同時，Q345R 用于壓力容器時，一般在常溫下使用，如遇到突然的高溫，容易造成材料劣化，強度降低，從而造成特種設備使用安全隱患。

某化工廠工程車間的氨氣緩沖罐（特種設備使用證登記號容1500639（19），產品編號R18674）因員工操作不當車間發生著火，導致此氨氣緩沖罐北側直接接觸火焰，持續時間長達15 min。該壓力容器于2015年正式投入運行，均在常溫下使用，經過3次壓力容器定期檢驗，未發現過超標缺陷，此次著火后，經過磁粉探傷，也未發現焊縫裂紋。現該設備用戶自行報廢處理。

本文采用一系列理化檢驗方法對該容器的著火側與背火側進行分析，判斷母材及焊縫的性能有無下降，并根據分析結果提出相關建議，以避免特種設備使用事故的發生。

2 理化檢驗

2.1 宏觀觀察

此氨氣緩沖罐著火側如表1所示，背火側如圖2所示，從圖1與圖2的宏觀對比可以看出，氨氣緩沖罐并未發生明顯的鼓包、變形等宏觀缺陷。

圖1 氨氣緩沖罐著火側宏觀圖

圖2 氨氣緩沖罐背火側宏觀圖

2.2 金相檢驗

在氨氣緩沖罐筒體著火側通過現場金相光學顯微鏡（400X）觀察，結果如圖3所示。由圖3可知：氨氣緩沖罐筒體母材顯微組織為珠光體和鐵素體，并未發生任何由于高溫導致的珠光體球化、組織粗大等組織缺陷，組織仍保持原有的區域形態，根據GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》，該組織平均晶粒度為11級。

圖3 氨氣緩沖罐筒體著火側現場金相圖（400X）

在氨氣緩沖罐筒體背火側金相現場金相分析，通過現場金相光學顯微鏡（400X）下觀察，結果如圖4所示。由圖4可知：氨氣緩沖罐筒體母材顯微組織為珠光體和鐵素體，也未發生任何由于高溫導致的珠光體球化、組織粗大等組織缺陷，組織仍保持原有的區域形態，根據GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》，該組織平均晶粒度為10.5級。

圖4 氨氣緩沖罐筒體背火側現場金相圖（400X）

通過對該壓力容器著火側與背火側的筒體母材金相組織可知，火災并未造成該壓力容器母材金相組織晶粒變得粗大，也并未因為高溫造成珠光體組織發生球化等組織的變化。

2.3 掃描電鏡（SEM）分析

為了進一步分析該壓力容器金相組織由于火災有無發生組織變化，采用掃描電鏡SEM（5 000X）分別對著火側筒體母材和背火側筒體母材進行取樣分析，結果如圖5與圖6所示。

圖5 著火側筒體母材掃描電鏡SEM（5 000X）圖

圖6 背火側筒體母材掃描電鏡SEM（5 000X）圖

由圖5可知：著火側組織的珠光體依舊為片層狀，未發生任何改變，同時也沒有發現有過熱、過燒的跡象。圖6為背火側筒體的SEM 形貌，由圖6可以看出：組織與圖5 的類似，也并未發現任何組織的異常與改變。通過圖5與圖6的對比可知，經過此次短暫的火災，并未對該壓力容器的筒體母材造成組織的劣化。

2.4 焊縫的力學性能測試

對筒體與封頭連接的焊縫進行室溫拉伸性能測試，在著火側和背火側處分別取樣，試樣厚度為12 mm，拉伸試樣夾持端長度為25 mm（便于安裝）。按照GB/T 228.1—2021 《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》制備拉伸試樣，利用萬能液壓試驗機對試樣進行拉伸試驗，結果如圖7所示。由圖7可知：在室溫條件下，著火側與背火側的封頭與筒體焊縫連接焊縫的抗拉強度差別不大，并且通過查詢GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》，Q345R 的抗拉強度在500～630 MPa，著火側抗拉強度為582 MPa，背火側抗拉強度為605 MPa，均在合格范圍內。

圖7 著火側與背火側焊縫抗拉強度對比圖

2.5 硬度測試

根據GB/T 17394.1—2014《里氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，用里氏硬度計在現場檢測著火側筒體母材里氏硬度為409、412、407，背火側筒體母材的里氏硬度為426、403、408，兩側的硬度也均無太大差別。

3 未發生材質劣化原因分析

經過一系列的檢測得出結論，該氨氣緩沖罐母材、焊縫的力學性能并未為因火災導致材料力學性能、物理性能下降。具體原因分析如下。

1）該企業發現著火事故后，及時切斷火源，該氨氣緩沖罐并未長時間在火焰中炙烤，材料并未發生過熱或者過燒。

2）Q345R 的常規使用溫度上限為475℃，其相變溫度為600～720℃，由于此次事故火焰較小，加之燃燒時間短，氨氣緩沖罐處于開放空間，該容器受燃燒時的溫度并未達到使材料發生劣化的極端溫度，所以材料并未發生明顯的高溫劣化。

4 結論與建議

1）著火側與背火側宏觀外形完好，未發生形變。

2）著火側與背火側筒體母材顯微組織正常，未發現珠光體球化現象，未發現過熱過燒等異常現象。

3）著火側與背火側筒體與封頭焊縫抗拉強度為582 MPa 與605 MPa，焊縫力學性能正常。

4）著火側與背火側筒體母材的里氏硬度相差不大，里氏硬度檢測未發現異常現象。

根據以上結論，給出以下建議。

1）嚴格運行管理，以防止由人員操作不當引起的火災導致容器發生過熱。

2）應用新材料、新技術、新工藝，對氨氣緩沖罐外表面進行刷涂處理等工藝，防止設備銹蝕，消除應力集中，增加設備的使用強度。

3）對壓力部件的焊接接頭進行檢查，常規無損探傷、硬度檢測與厚度檢測，加強對筒體與封頭等測量點的維護，加強對母材的質量檢查，以便盡早發現母材及焊縫的腐蝕隱患與開裂隱患。

4）采用壓力容器壽命管理系統，記錄使用溫度與使用時間，評估設備的剩余壽命，避免其超期運行。

5 結語

氨氣緩沖罐具有穩定性高、安全性高、節省空間的顯著優點，廣泛應用于氨氣、液化氣等一些化工產品和危險品的儲存和運輸中。此起著火事故對氨氣緩沖罐的外觀漆面造成了一定損壞，但是在多項理化檢測，如宏觀觀察、金相檢驗、掃描電鏡（SEM）分析、焊縫的力學性能測試、硬度測試等，均未發現異常現象。為了更加有效地保障生產的安全性，用戶對該設備進行了報廢處理。在氨氣緩沖罐的使用過程中，一定要嚴格規范工作人員的操作流程，對氨氣緩沖罐進行定期檢測，及時發現安全隱患并進行處理，根據氨氣緩沖罐的使用周期對其使用情況進行詳細記錄，避免出現氨氣緩沖罐超期運行的情況，保障使用安全。