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氢爆炸事故14例

  液氢作为火箭推进剂的燃料,在国际上早被广泛使用。美国航天飞机为主发动机提供动力的推进剂就是54m3液氢和145m3液氧。我国从60年代开始研制和使用液氢液氧发动机,长征三号运载火箭的第三级就使用了这种高能低温液氢液氧火箭发动机。氢的易燃易爆特性是其安全使用最主要的危险。国内外在其生产、贮存、使用、发射等过程中,都曾发生过程度不同的爆炸事故。现将其中14例事故汇集如下,其中大多数为美国航宇局发生的事故,每起事故只列出事故及其原因,为的是引以为训。
  
  1.液氢容器排气口爆燃
  事故:在一次用0.25MPa表压氢气置换液氢容器内的空气时,充压后放气,在排空管口突然“轰”的一声发生爆燃。
  原因:事后检查排空管,发现管内有鸟粪和羽毛,爆燃系因氢气高速流动,干鸟粪与管口摩擦起电,瞬间引燃氢气所致。
  
  2.液氢贮箱排空管出口爆燃
  事故:在一次发动机热试车结束后,对6.5m3的液氢贮箱进行泄压。在泄压过程中,突然“轰”的一声巨响,液氢贮箱的工作间内外发生了爆炸,并冒出一股黑烟,液氢贮箱排空管的出口处还在燃烧。在迅速关闭贮箱的排泄阀切断氢源后,燃烧才停止。
  原因:放置液氢贮箱的工作间为半敞开建筑物,上半部敞开,下半部四周铺石棉瓦。在向贮箱加注液氢时,排空管排出的大量低温氢气进入工作间屋内形成局部氢气-空气可燃气体。在进行贮箱泄压时,箱内有0.35MPa表压压力,在该压力下高速排放的氢气与排空管口摩擦产生的静电相遇而引起爆燃,并引燃工作间内的可燃气体,产生瞬间爆轰,将部分石棉瓦爆破。由于是半封闭建筑,爆轰之后爆炸结束,而排空管口由于氢气继续排出,燃烧仍在进行。在关闭排泄阀后氢源切断,燃烧也就停止了。
  类似的着火、爆轰事故,几年来曾多次发生,经认真分析和检查,发现在使用和设计上还存在缺陷:一是排气管口位置太低,排出的低温氢气积聚于工作间内易形成可燃气体;二是在排气前未先用氮气吹除排空管;三是排空管及贮箱未采取有效静电接地措施。采取了补救措施后,类似事故再也未发生。
  
  3.文氏管性能调试,排放管口爆轰伤人
  
  事故:在一次调试中,某单位在一试车间内用液氢进行文氏管性能液流冷调试验(见下页图)。

  液氢由贮箱经流量计、应急阀门、文氏管、手动阀门,最后由排放管排空。试车间为半封闭建筑,三面是墙,一面敞开,墙高8米,全部试验由手工操作,排放管口就在试车间门口。试验后的液氢直接排放在试车间空间内并迅速气化消散。前4个试验件(文氏管)试验正常。当第5个试验件试验进行到18秒时,只见排放管口火光闪烁,随即“轰”的一声,发生了大爆炸。爆炸气浪把试车间一个贮气箱炸裂并卷出大门外,屋内直径500毫米的通风管道全部震落。试验现场10名人员中,直接从事操作的3人有2人各被击穿一个耳膜,1人脑震荡,7人被冲击波击倒,有2人被抛至10米之外的草地上,试车间周围7个工作间的门窗受到程度不同的破坏,距试车间80米远处另一建筑物的部分玻璃窗被震碎。
  原因:首先液氢经过流量计、阀门等各个环节,尤其是流经文氏管(入口压力5MPa,出口压力2.8MPa,喉管直径仅3.2mm,秒流量2.3升)不断摩擦,已加速流动、高速喷射,最后由裸管排放管排空时,已是高速流动的液氢、气氢双相流体,已达到很高的静电电位,系统中设置的静电接地措施未能及时全部导走。二是经过多次试验排放,试验间内已聚集呈雾状的液氢气氢,在这半封闭场所,氢浓度已超过最低可燃浓度极限18%(体积浓度)。三是现场有人目击排放管口火花闪烁即静电起火,也就是具备了产生氢的爆轰三个必须同时具备的第三个条件:具有超过氢的最小点火能量的点火源(还有两个条件是:封闭或半封闭环境、可燃浓度),现场也观察到连续5次试验后排放管口已凝结成很厚的富氧含氢“冰团”这一极不稳定的物质。四是排放管水平放置,排气口又在试车间门内,显然不合理。如水平排放,排气口应远离现场20~30米,如高架排放,排气口至少要高出建筑物最高屋面2~3米。
  
  4.氢泵试验爆轰
  事故:在一次氢泵试验时,某单位进行氢泵轴承低温高速运转试验。过程是:液氢从加注车通过管道加注到轴承试验装置以冷却轴承,轴承高速运转后液氢经排空管排入大气。几分钟后,由观察窗看到氢泵局部有小火,立即停止试验,几秒钟后听到“轰”的一声,试验间内发生爆轰,屋顶石棉瓦大部分震破落地,设备部分损坏。人员进入现场检查时火苗已无,试验装置起火的地方有燃烧的痕迹。在检查过程中试验间还发生了一次小的爆轰,但未伤人。
  原因:试验中已消耗0.6m3液氢,即在短短几分钟内试验间上空有近500m3氢气,因当天顺风将大量氢气从试验间的三扇天窗反灌进试验间内形成可燃气体;加上试验装置有泄漏,高速喷出的液氢遇局部固氧高速冲刷摩擦产生的静电火花而起火;由于试验间内有通风措施,起火局部空间不存在爆轰条件,当火焰飘移到其它局部处于半封闭、封闭状态的氢气团时造成局部爆轰。当人员进入检查后,因人体带静电,触摸设备时造成静电电火花,又引发了一次局部氢气团的小爆轰。
  
  5.氢泵爆炸
  事故:在一次氢泵试验时,用高压氢气吹动涡轮使之高速旋转,再带动氢泵运转,最后由高空排出管排出氢气。当试验进行20多秒时,氢泵突然起火爆炸。消防人员用水灭火无效,排空管口仍在燃烧。后关闭阀门切断氢源后火灭。
  原因:氢泵装置系首次试验。涡轮泵高速运转产生的强烈震动,震断了涡轮泵出口和氢泵连接管之间的固定螺钉。当氢高速喷出时,通过震断裂口摩擦产生静电火花而着火爆炸。事故〖KG(*9]后,将金属硬管连接管改为软管连接,并使氢泵装置受力合理减少震动后,重新试验未发生事故。
  
  6.氢管道爆燃
  事故:有一次焊接一端是开口的氢气管道,事先也对管道用氮气进行了置换。动火焊接时“轰”的一声,管道内发生爆燃,开口的一端轰出一个火球,因一端敞开,未造成损失。
  原因:管道内氢气置换不彻底,仍留有少量氢气,遇火焰爆燃。
  
  7.氢管道爆燃
  事故:用氮气置换已使用过的一段氢管道,补焊靠近波纹管的一段氢管道时,突然,“啪”的一声,管内发生爆燃。
  原因:经检查,发现波纹管内的夹层已破,在使用过程中,氢气已进入夹层。当用氮气置换管内氢气时,进入夹层的氢气仍在,使置换后的管道内仍存有氢气,一动火就爆燃。由于氢气量很少,只是一声爆燃声。
  
  8.氢发动机爆炸
  事故:在一棚屋内进行氢发动机流量校验试验,当打开活门让氢气流经发动机时,气体突然着火爆炸,棚屋破坏,人员受伤。
  原因:氢气活门漏气,在活门未打开时,氢气已泄漏聚积在发动机内,当打开活门时,大量氢气流过发动机排出聚积在棚屋内。点火源据分析是发动机内部有杂质或氢气本身不纯,在高速流动摩擦冲击下起火爆炸。
  
  9.液氢管道系统爆炸
  事故:液氢泵出口系统进行管道压力试验时,规定试验压力1.4MPa,当压力仅充至0.77MPa时,波纹管焊缝开裂,大量液氢喷出并发生爆炸,在3千米处可听见爆炸声。试验设备和建筑物受到程度不同的破坏。
  原因:波纹管材料选择不当,在液氢低温情况下材料变脆,强度急剧下降,受不住轴向负载,焊缝开裂,点火源据分析是金属材料断裂的瞬间撕裂断裂处摩擦起火所致。
  
  10.液氢贮箱爆炸
  事故:一次,在一试验台进行液氢液氧(当时用液氮代替液氧)系统管道的闭合回路控制特性试验,液氢液氮在压力下由各自贮箱经管道、流量计、阀门、喷管后排出,贮箱有排气管排出室外。试验过程中,液氢贮箱的增压活门打开,贮箱的安全阀隔膜破裂,排出的氢气使排气管道上的多处接头破裂,随即起火并发生爆炸,试验台试验设备严重破坏。
  原因:试验的目的是当管道系统的闭合回路上的压力传感器,在管道内的压力达到规定值时能自动发出信号关闭贮箱上的增压流量控制活门,从而停止增压切断液氢供应。事故发生后经现场检查发现传感器未接好,信号未发出,因而增压流量控制活门不但未关闭而是完全打开,产生超压,并使贮箱安全阀的隔膜破裂(为保护贮箱,当超过一定压力后,安全隔膜破裂排气卸压),高速流出的氢气与排气管道接头处破裂处摩擦起火爆炸。
  
  11.液氢泵爆炸
  事故:在一次液氢泵试验中,当液氢开始使涡轮泵运转,泵回路正被液氢冷却时,突然发生爆炸,当时泵速已经达到设计转速并稳定。火球集中在试验台上,火焰扑灭后,火焰和爆炸使试验台和附近建筑物遭严重破坏,泵也被严重损坏,泵涡管与喷嘴分离变形、多处破裂折断。
  原因:泵的涡管、喷嘴、焊缝、连接件等多处材料选错,在液氢低温下变脆破裂,泄漏的氢与泵底座等处的油污等杂物接触着火引发爆炸。
  
  12.液氢液氧发动机爆炸
  事故:S-IVB液氢液氧发动机准备进行静态点火试验,在准备工作进行中,还未下达点火指令,液氢液氧发动机即发生爆炸,试验台和发动机严重破坏,发动机侧面和液氧贮箱被炸碎,多处起火,起火时最大火球直径约为9米。
  原因:贮存液氢的高压钛贮箱破裂,大量液氢泄漏爆炸。贮箱破裂则因焊缝材料不合格,在低温液氢作用下引起氢脆而裂开。
  
  13.发动机试验台排气竖管外空间爆炸
  事故:某试验场排氢气竖管的附近空中突然发生爆炸。
  原因:当天正用液氢进行系统预冷,大量氢气排入大气。正常预冷时间45分钟,由于查找故障,预冷时间延长为80分钟,正值当天无风,大量氢气积聚在排空竖管附近的空中,火源尚不明(据分析为排气口处氢气与管口摩擦产生的静电、摩擦火花)。
  
  14.氢排气竖管爆炸
  事故:某试验台进行氢泵试验后,由排气竖管排气。突然,排气竖管顶部及附近空间发生爆炸,竖管、排气系统管道及相应阀门被破坏。
  原因:当大量氢气通过竖管顶部的一段长4.8米、里面装有一个双向导向叶片组的“盖帽”管段时,显然该处结构有毛病,阻碍了氢气的通畅排放,高速氢气遇竖管排放管附近的静电火花而爆炸。

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