转载。闫学岭
近日某钢铁厂发生一起储存饱和水蒸汽的球罐发生了爆炸，造成大量人员伤亡。该球罐容积为650m3，储存介质为高温高压的饱和水蒸气，这种非易燃易爆介质的球罐居然还能爆炸，唯一的原因只能是介质超压引起的物理爆炸。那么介质超压是怎么引起的呢？这种超压为什么没有被及时泄放掉呢？本篇文章就论述一下饱和水蒸汽球罐的物理超压问题。在未论述之前，有必要先花一些篇幅来认识一下饱和水蒸汽。所谓的饱和水蒸汽是指在密闭系统中（比如球罐中）水（液态）与蒸汽（气态的水）处于动态平衡的状态，此时水分子气化速率等于蒸汽分子液化速率，对应的水和蒸汽分别称为饱和水和饱和蒸汽。在该饱和状态下，液态水和蒸汽的温度是一样的，且压力和温度是一对一的关系，就是当温度一定时，压力也是一定的。在2002年由化学工业出版社出版的《化学化工物性数据手册-无机卷》书籍中，列出了饱和水蒸气的温度和压力对应数据表，如下图：通过图中的数据，可知在一个相对密闭的空间内，饱和状态下的水蒸气，其温度和压力是正相关关系，通俗一点说，如果体系的温度升高，其饱和状态的压力也一定升高。如果体系的压力升高，那么就需要更高的温度才能达到新的饱和平衡状态。在我们的日常生活中，在低海拔地区的大气环境下烧开水，水沸腾的温度约在100℃左右，但如果在高海拔地区的青藏高原地带，水沸腾的温度约在80℃左右，这就是二者大气压强不同，造成饱和状态下的温度也不同。但即使是在低海拔地区，我们为了煮饭快，往往采用高压锅，在高压锅内，闪蒸的气体不会溢出，造成高压锅内气相空间压力增大，反过来会促使饱和状态的液体温度进一步升高，超过100℃，甚至能达到200℃，所以用高压锅做饭快，煮肉也快，口感也较好。我们继续探讨上表中的数据，如果要将水蒸气从某一温度下的饱和状态转变为另一温度下的饱和状态，比如将106℃的饱和水蒸气（此时压力为125Kpa）转变为205℃的饱和水蒸气（此时压力为1750Kpa），到底该怎么实现呢？显然仅仅调整压力是不行的，如果只是用外压将125Kpa增大到1750Kpa，而不调整其温度，这种情况下水就不会沸腾了，因为沸点也增大了，而温度不变，这种情况下就是未饱和状态。在没有外界热源加热的情况下，体系温度不会自发升高的，因为这不符合熵增的科学原理。所以唯一的做法就是需要外界热源来对水蒸气体系进行加热，同时通过控制压力（包括外界高压输入、调整压力泄放阀等），将体系压力调整并持续稳定在1750Kpa左右，这样才能建立205℃下的饱和水蒸气平衡体系。以上内容是关于饱和水蒸气动态平衡体系的相关介绍，当然花了这么多篇幅来讲解饱和水蒸气的相关知识，不是为了向大家科普，而是为本起事故的探讨做一下基础铺垫，这样我们才能知其所以然，更好地分析探讨本起事故中饱和水蒸气球罐的爆炸原因。我们可以把球罐当成一个密闭的体系，水蒸气球罐的爆炸不可能是化学爆炸，只能是物理爆炸，物理爆炸的唯一原因就是体系超压，也就是球罐中的水蒸气压力突然升高了，超过了罐体金属的承压能力，导致强度失效，罐本体破裂，大量高温高压蒸汽瞬间喷出，进而引发爆炸。通过视频及现场照片，基本上可以推断两个事实：第一，罐本体破裂是局部破裂，破裂部位在赤道以下，大概率在底部；第二，破裂的压力非常巨大，从正常运行时的饱和压力到破裂压力，中间有一个压力剧烈增大的过程。根据监控拍摄的画面，以及球罐坠落点的距离，可以判断球罐破裂释放的高压蒸汽以其巨大的反向推力将球罐抛入高空，最终坠落在数公里开外的地方。那么球罐的压力剧增又是什么原因导致的呢？回到文章开篇部分讲到的饱和水蒸气的温度压力对应表，在一个已经达到平衡状态的饱和水蒸气体系里，如果改变这个体系，迫使其压力急剧增大，只有两种可能，第一，外界更高压的蒸汽串入到这个体系，打破了平衡，第二，球罐本体被外界热源加热（如火灾工况），导致温度上升，进而造成罐内气相压力上升。在本起事故中，球罐爆炸前并没有发生火灾，所以第二个因素完全可以排除。那就只剩第一个原因了，就是外界压力更高、温度更高的蒸汽串入到这个球罐内了，打破了原有的饱和温度压力体系，造成罐内压力增大、温度也升高的局面。压力增大导致罐体金属受力增加，温度升高导致罐体金属的抗拉强度急剧降低，二者一拉一推，共同携手最终造成了事故的发生。在《GB 12337-2014 钢制球形储罐》标准中，第4章节对球罐的设计选材做了详细的规定和要求，其中明确列出了球罐罐体金属材料的许用应力在不同温度下的数据表，如下图：我们以球罐最常用的材料Q345R容器用钢为例，其室温下（约20℃）的许用应力为185MPa，而200℃时的许用应力降为160MPa，强度降低了12%。在高温力学性能中，450℃时仅为165MPa。可见温度对金属强度的影响有多么重要。原始设计中，球罐罐体金属材料的厚度本来就是按设计温度下的抗拉强度来计算选取的，一旦运行过程中温度波动超出了设计范围，那就很容易发生强度破裂。那么如果进一步追问的话，外界的高温高压蒸汽又是怎么串入球罐的呢？这个只能从工艺上结合PID图纸去分析了。由于缺少相关的资料，不再详细展开，只能等待事故调查报告的分析。除此之外，可能行业内的专业人士也有另外一种猜测，那就是球罐本体的完整性到底如何？球罐是否属于老旧设备了？球罐的壁厚减薄及腐蚀是不是已经很严重了,从而导致了事故的发生呢？理论上来讲，这些原因也是有可能的，但我个人认为可能性不大，因为球罐是特种设备之一，属于第三类压力容器，其使用中需要定期接受强制性检验，包括壁厚测量、焊缝检测、压力试验等等，来确保其结构和功能的完整性，并且特检院会出具最终的检验报告，报告结论中会明确球罐性能现状以及能否继续使用等，且会注明下次检验日期。另外水蒸气并不属于易腐蚀类介质，其对碳钢材料的腐蚀速率是比较缓慢的，并且在设计过程中，也留出了腐蚀裕量。外表面呢，由于有保温层，可能会存在保温层下的腐蚀（Corrosion Under Insulation,CUI），但是对于球罐来说，仍为轻微腐蚀，因为球罐的独特形状，不易积水，且表面都会至少涂刷两道不同的防腐涂层，所以这种保温层下的腐蚀不会构成威胁。对于设备的超压，我们并非束手无策。如今的工业生产装置，一系列的泄放设施（如安全阀、爆破片、紧急泄放阀等）被大量应用，保护着我们的设备正常运行。当然作为球罐，自然也不能例外。我们知道但凡只要是球罐，都会存在压力超压的异常工况，所以在标准规范中对于球罐的设计是强制要求设置安全阀的，并且是设计两套互相独立的安全阀，互为备用，每个安全阀的泄放量都必须满足球罐超压的额定泄放计算量，况且两个安全阀都是同时开启状态，并且根部和球罐相连的管口尺寸都是增大一个等级的，所以如果纯粹的球罐内部超压，那么安全阀是可以完全泄放掉的。那么本起事故中，蒸汽超压为什么安全阀偏偏没有起跳呢？对此，个人认为原因有二：第一，安全阀功能失效，安全阀由于某种故障导致在超过额定泄放压力时，未能泄放，造成球罐憋压。但是一般球罐都是设计双安全阀的，如果两个安全阀同时失效，不能说不可能，只能说概率太低了。但是话说回来，事故不也是低概率事件吗？所以概率这个东西，本来就是“万无一失，一失万无”。第二，安全阀的泄放量不足以解决该事故情境下大量蒸汽急剧上升的压力，也就是说，气相压力的上升速率超过了安全阀的泄放速率，毕竟安全阀的排放口径相对球罐直径来说，太小了。设备和工艺从来都不是互相割裂的独立体，而是二者之间存在错综复杂、千丝万缕的关系，工艺需要设备来完成其功能，设备需要工艺来赋予其使命，故工艺设计中，一定要选取可靠稳定成熟的工艺系统，而设备设计中，更需要充分根据工艺参数来进行计算选型，并给予充分的设计裕量。工艺和设备的无间合作提供了安全生产的前提，但是人员操作的水平犹如悬在企业头上的达摩利斯之剑，任何的违章操作、冒险作业等都能将先进的工艺和良好的设备毁于一旦。所以，安全生产的唯一前提，就是工艺、设备和人员的和谐统一和完美协调，犹如钢丝上的舞者一样，这种平衡的艺术，玩的都是细活。
