轉(zhuǎn)載。閆學(xué)嶺
近日某鋼鐵廠發(fā)生一起儲存飽和水蒸汽的球罐發(fā)生了爆炸，造成大量人員傷亡。該球罐容積為650m3，儲存介質(zhì)為高溫高壓的飽和水蒸氣，這種非易燃易爆介質(zhì)的球罐居然還能爆炸，唯一的原因只能是介質(zhì)超壓引起的物理爆炸。那么介質(zhì)超壓是怎么引起的呢？這種超壓為什么沒有被及時(shí)泄放掉呢？本篇文章就論述一下飽和水蒸汽球罐的物理超壓問題。在未論述之前，有必要先花一些篇幅來認(rèn)識一下飽和水蒸汽。所謂的飽和水蒸汽是指在密閉系統(tǒng)中（比如球罐中）水（液態(tài)）與蒸汽（氣態(tài)的水）處于動態(tài)平衡的狀態(tài)，此時(shí)水分子氣化速率等于蒸汽分子液化速率，對應(yīng)的水和蒸汽分別稱為飽和水和飽和蒸汽。在該飽和狀態(tài)下，液態(tài)水和蒸汽的溫度是一樣的，且壓力和溫度是一對一的關(guān)系，就是當(dāng)溫度一定時(shí)，壓力也是一定的。在2002年由化學(xué)工業(yè)出版社出版的《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊-無機(jī)卷》書籍中，列出了飽和水蒸氣的溫度和壓力對應(yīng)數(shù)據(jù)表，如下圖：通過圖中的數(shù)據(jù)，可知在一個相對密閉的空間內(nèi)，飽和狀態(tài)下的水蒸氣，其溫度和壓力是正相關(guān)關(guān)系，通俗一點(diǎn)說，如果體系的溫度升高，其飽和狀態(tài)的壓力也一定升高。如果體系的壓力升高，那么就需要更高的溫度才能達(dá)到新的飽和平衡狀態(tài)。在我們的日常生活中，在低海拔地區(qū)的大氣環(huán)境下燒開水，水沸騰的溫度約在100℃左右，但如果在高海拔地區(qū)的青藏高原地帶，水沸騰的溫度約在80℃左右，這就是二者大氣壓強(qiáng)不同，造成飽和狀態(tài)下的溫度也不同。但即使是在低海拔地區(qū)，我們?yōu)榱酥箫埧?，往往采用高壓鍋，在高壓鍋?nèi)，閃蒸的氣體不會溢出，造成高壓鍋內(nèi)氣相空間壓力增大，反過來會促使飽和狀態(tài)的液體溫度進(jìn)一步升高，超過100℃，甚至能達(dá)到200℃，所以用高壓鍋?zhàn)鲲埧?，煮肉也快，口感也較好。我們繼續(xù)探討上表中的數(shù)據(jù)，如果要將水蒸氣從某一溫度下的飽和狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粶囟认碌娘柡蜖顟B(tài)，比如將106℃的飽和水蒸氣（此時(shí)壓力為125Kpa）轉(zhuǎn)變?yōu)?05℃的飽和水蒸氣（此時(shí)壓力為1750Kpa），到底該怎么實(shí)現(xiàn)呢？顯然僅僅調(diào)整壓力是不行的，如果只是用外壓將125Kpa增大到1750Kpa，而不調(diào)整其溫度，這種情況下水就不會沸騰了，因?yàn)榉悬c(diǎn)也增大了，而溫度不變，這種情況下就是未飽和狀態(tài)。在沒有外界熱源加熱的情況下，體系溫度不會自發(fā)升高的，因?yàn)檫@不符合熵增的科學(xué)原理。所以唯一的做法就是需要外界熱源來對水蒸氣體系進(jìn)行加熱，同時(shí)通過控制壓力（包括外界高壓輸入、調(diào)整壓力泄放閥等），將體系壓力調(diào)整并持續(xù)穩(wěn)定在1750Kpa左右，這樣才能建立205℃下的飽和水蒸氣平衡體系。以上內(nèi)容是關(guān)于飽和水蒸氣動態(tài)平衡體系的相關(guān)介紹，當(dāng)然花了這么多篇幅來講解飽和水蒸氣的相關(guān)知識，不是為了向大家科普，而是為本起事故的探討做一下基礎(chǔ)鋪墊，這樣我們才能知其所以然，更好地分析探討本起事故中飽和水蒸氣球罐的爆炸原因。我們可以把球罐當(dāng)成一個密閉的體系，水蒸氣球罐的爆炸不可能是化學(xué)爆炸，只能是物理爆炸，物理爆炸的唯一原因就是體系超壓，也就是球罐中的水蒸氣壓力突然升高了，超過了罐體金屬的承壓能力，導(dǎo)致強(qiáng)度失效，罐本體破裂，大量高溫高壓蒸汽瞬間噴出，進(jìn)而引發(fā)爆炸。通過視頻及現(xiàn)場照片，基本上可以推斷兩個事實(shí)：第一，罐本體破裂是局部破裂，破裂部位在赤道以下，大概率在底部；第二，破裂的壓力非常巨大，從正常運(yùn)行時(shí)的飽和壓力到破裂壓力，中間有一個壓力劇烈增大的過程。根據(jù)監(jiān)控拍攝的畫面，以及球罐墜落點(diǎn)的距離，可以判斷球罐破裂釋放的高壓蒸汽以其巨大的反向推力將球罐拋入高空，最終墜落在數(shù)公里開外的地方。那么球罐的壓力劇增又是什么原因?qū)е碌哪?？回到文章開篇部分講到的飽和水蒸氣的溫度壓力對應(yīng)表，在一個已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的飽和水蒸氣體系里，如果改變這個體系，迫使其壓力急劇增大，只有兩種可能，第一，外界更高壓的蒸汽串入到這個體系，打破了平衡，第二，球罐本體被外界熱源加熱（如火災(zāi)工況），導(dǎo)致溫度上升，進(jìn)而造成罐內(nèi)氣相壓力上升。在本起事故中，球罐爆炸前并沒有發(fā)生火災(zāi)，所以第二個因素完全可以排除。那就只剩第一個原因了，就是外界壓力更高、溫度更高的蒸汽串入到這個球罐內(nèi)了，打破了原有的飽和溫度壓力體系，造成罐內(nèi)壓力增大、溫度也升高的局面。壓力增大導(dǎo)致罐體金屬受力增加，溫度升高導(dǎo)致罐體金屬的抗拉強(qiáng)度急劇降低，二者一拉一推，共同攜手最終造成了事故的發(fā)生。在《GB 12337-2014 鋼制球形儲罐》標(biāo)準(zhǔn)中，第4章節(jié)對球罐的設(shè)計(jì)選材做了詳細(xì)的規(guī)定和要求，其中明確列出了球罐罐體金屬材料的許用應(yīng)力在不同溫度下的數(shù)據(jù)表，如下圖：我們以球罐最常用的材料Q345R容器用鋼為例，其室溫下（約20℃）的許用應(yīng)力為185MPa，而200℃時(shí)的許用應(yīng)力降為160MPa，強(qiáng)度降低了12%。在高溫力學(xué)性能中，450℃時(shí)僅為165MPa?？梢姕囟葘饘購?qiáng)度的影響有多么重要。原始設(shè)計(jì)中，球罐罐體金屬材料的厚度本來就是按設(shè)計(jì)溫度下的抗拉強(qiáng)度來計(jì)算選取的，一旦運(yùn)行過程中溫度波動超出了設(shè)計(jì)范圍，那就很容易發(fā)生強(qiáng)度破裂。那么如果進(jìn)一步追問的話，外界的高溫高壓蒸汽又是怎么串入球罐的呢？這個只能從工藝上結(jié)合PID圖紙去分析了。由于缺少相關(guān)的資料，不再詳細(xì)展開，只能等待事故調(diào)查報(bào)告的分析。除此之外，可能行業(yè)內(nèi)的專業(yè)人士也有另外一種猜測，那就是球罐本體的完整性到底如何？球罐是否屬于老舊設(shè)備了？球罐的壁厚減薄及腐蝕是不是已經(jīng)很嚴(yán)重了,從而導(dǎo)致了事故的發(fā)生呢？理論上來講，這些原因也是有可能的，但我個人認(rèn)為可能性不大，因?yàn)榍蚬奘翘胤N設(shè)備之一，屬于第三類壓力容器，其使用中需要定期接受強(qiáng)制性檢驗(yàn)，包括壁厚測量、焊縫檢測、壓力試驗(yàn)等等，來確保其結(jié)構(gòu)和功能的完整性，并且特檢院會出具最終的檢驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告結(jié)論中會明確球罐性能現(xiàn)狀以及能否繼續(xù)使用等，且會注明下次檢驗(yàn)日期。另外水蒸氣并不屬于易腐蝕類介質(zhì)，其對碳鋼材料的腐蝕速率是比較緩慢的，并且在設(shè)計(jì)過程中，也留出了腐蝕裕量。外表面呢，由于有保溫層，可能會存在保溫層下的腐蝕（Corrosion Under Insulation,CUI），但是對于球罐來說，仍為輕微腐蝕，因?yàn)榍蚬薜莫?dú)特形狀，不易積水，且表面都會至少涂刷兩道不同的防腐涂層，所以這種保溫層下的腐蝕不會構(gòu)成威脅。對于設(shè)備的超壓，我們并非束手無策。如今的工業(yè)生產(chǎn)裝置，一系列的泄放設(shè)施（如安全閥、爆破片、緊急泄放閥等）被大量應(yīng)用，保護(hù)著我們的設(shè)備正常運(yùn)行。當(dāng)然作為球罐，自然也不能例外。我們知道但凡只要是球罐，都會存在壓力超壓的異常工況，所以在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對于球罐的設(shè)計(jì)是強(qiáng)制要求設(shè)置安全閥的，并且是設(shè)計(jì)兩套互相獨(dú)立的安全閥，互為備用，每個安全閥的泄放量都必須滿足球罐超壓的額定泄放計(jì)算量，況且兩個安全閥都是同時(shí)開啟狀態(tài)，并且根部和球罐相連的管口尺寸都是增大一個等級的，所以如果純粹的球罐內(nèi)部超壓，那么安全閥是可以完全泄放掉的。那么本起事故中，蒸汽超壓為什么安全閥偏偏沒有起跳呢？對此，個人認(rèn)為原因有二：第一，安全閥功能失效，安全閥由于某種故障導(dǎo)致在超過額定泄放壓力時(shí)，未能泄放，造成球罐憋壓。但是一般球罐都是設(shè)計(jì)雙安全閥的，如果兩個安全閥同時(shí)失效，不能說不可能，只能說概率太低了。但是話說回來，事故不也是低概率事件嗎？所以概率這個東西，本來就是“萬無一失，一失萬無”。第二，安全閥的泄放量不足以解決該事故情境下大量蒸汽急劇上升的壓力，也就是說，氣相壓力的上升速率超過了安全閥的泄放速率，畢竟安全閥的排放口徑相對球罐直徑來說，太小了。設(shè)備和工藝從來都不是互相割裂的獨(dú)立體，而是二者之間存在錯綜復(fù)雜、千絲萬縷的關(guān)系，工藝需要設(shè)備來完成其功能，設(shè)備需要工藝來賦予其使命，故工藝設(shè)計(jì)中，一定要選取可靠穩(wěn)定成熟的工藝系統(tǒng)，而設(shè)備設(shè)計(jì)中，更需要充分根據(jù)工藝參數(shù)來進(jìn)行計(jì)算選型，并給予充分的設(shè)計(jì)裕量。工藝和設(shè)備的無間合作提供了安全生產(chǎn)的前提，但是人員操作的水平猶如懸在企業(yè)頭上的達(dá)摩利斯之劍，任何的違章操作、冒險(xiǎn)作業(yè)等都能將先進(jìn)的工藝和良好的設(shè)備毀于一旦。所以，安全生產(chǎn)的唯一前提，就是工藝、設(shè)備和人員的和諧統(tǒng)一和完美協(xié)調(diào)，猶如鋼絲上的舞者一樣，這種平衡的藝術(shù)，玩的都是細(xì)活。
