本文报告了对一只盛装氢气并发生爆炸的气瓶所开展的失效分析工作。气瓶整体开裂形态、断口特征及应力分析结果均表明发生了内部气态爆轰。

依据剪切唇上特殊标记的尺寸与位置，并结合弯曲波传播时间，计算得出裂纹扩展增量及扩展速率。由此确定了气态爆轰的基本特征及原始气体混合物的组成。

结果表明，本起失效由氢气与富氧混合气在低压条件下的爆轰所致。其中氧气的存在归因于不当地将氧气瓶用于氢气储存。

伊朗某实验室一只盛装氢气的商用气瓶发生爆炸。结果气瓶碎裂为七块，造成一名实验室人员死亡，并致使实验室部分损毁。

图1展示了气瓶的示意图及事故现场收集到的碎片照片。本文报告了为查明此次事故原因所开展的主要工作。

对圆柱段未破损部分外周的目视检查与测量表明，其呈现均匀的永久性径向膨胀，无鼓起现象。这与静内压作用下封闭端圆柱形压力容器出现的鼓起现象截然不同。此类特定的径向膨胀归因于移动的局部压力。这是推断筒体内发生气态爆轰的第一个线索。

沿断口面上高度发展的人字形条纹追踪分析，确定了两处独立的裂纹起始位置：第一处位于圆柱段上部，第二处位于底盖中心。随后，明确了筒体的整体开裂形态以及所有碎片的原始位置，如图2所示。

这条6 mm贯穿厚度裂纹的形貌表明其系局部破裂所致，由过大的剪切力所致（见图4）。

人字形条纹走向表明，该裂纹以自相似方式同时向筒体头部和底部两个方向扩展。上部扩展前沿分别向左右两侧弯曲，进而分叉为两条新前沿；下部扩展前沿则在颈口下方292 mm处同样分叉为两条新前沿。

上左分支与下左分支彼此相向扩展，形成碎片5号；同理，上右分支与下右分支彼此相向扩展，最终因连接韧带发生弯曲断裂而形成碎片6号，其中碎片7号此前已从其上分离。

碎片7号系由第二次分叉及该分叉最终与主裂纹路径下部重新汇合而形成。最初，该碎片未被视作筒体的一部分，因其已经化学试剂处理而变色。但该碎片极为重要，因其包含初始裂纹的两个表面之一。

通过进一步观察断口形貌，在该区域高度发育的剪切唇上发现了特殊条纹（见图4）。这些条纹的存在明确表明裂纹受弯曲波作用而呈周期性扩展。一方面，这些条纹类似于疲劳辉纹，因其反映了振动应变引起的裂纹扩展增量；

另一方面，它们亦可视作止裂条纹，因其代表了位移控制下扩展裂纹的止裂位置。然而，这些条纹具有一些特殊特征，例如肉眼或借助放大镜即可清晰辨识，且仅存在于剪切唇上。为区别于其他类似条纹并体现其独特外观，本文将其称为“阶梯状条纹”。

结果是，裂纹表面各点被迫沿合力方向发生位移。该效应在裂纹中心处最强，在裂纹尖端处最弱，持续作用将导致裂纹翼片鼓起。

需注意，由弯曲波驱动的裂纹扩展实际上受远场位移控制，因此扩展过程稳定且呈渐进式。事实上，阶梯状条纹的形成即表明了此类扩展行为。当然，随着裂纹扩展，远场区域振荡位移的幅值会降低。该效应在直径较小、壁厚较薄的管材中更为显著。然而，裂纹长度增加所导致的裂纹驱动力上升可在一定程度上抵消这一效应。

随着鼓胀区域的扩展，管材轴向鼓胀区域内产生较大的拉应力（相当于屈服应力）。由于裂纹通常倾向于沿最大主应力方向的垂直方向扩展，初始的自相似扩展模式会转变为绕鼓胀区域弯曲的周向扩展。此时，若裂纹释放率足够高，足以支撑两条裂纹前沿，则可能发生分叉。

人字形条纹表明，导致封头断裂的两个主要初始裂纹起始点距中心点各向外偏移 10 mm。自这两个起裂点出发，三条裂纹分别朝封头边缘的不同方向扩展，从而使封头被分割为三个碎片；这些碎片仍通过其弯曲边缘与主体气瓶相连。随后，每条径向裂纹发生分叉，并形成两条新的裂纹前沿，分别沿相反方向周向扩展。结果，每个碎片的弯曲边缘从两侧被切断，缩减为一条连接筋。

人图 7 示出了碎片编号 3 和 4 的开裂模式（编号 2 的行为类似）。另一重要问题是，每个碎片的最终分离均源于其绕轴旋转，从而导致连接筋断裂。因此，气瓶底部向外折叠，形如花瓣。驱动开裂与折叠所需的驱动力完全由结构波提供。需注意，这种开裂模式特属于内部气体爆轰。

图 8 示出了底部封头中心处某一初始裂纹起裂点的放大图像。初始裂纹呈半椭圆形表面裂纹形态，尺寸为 d ＝ 2.5 mm、2C ＝ 6 mm，且相对于断裂面及封头外表面呈倾斜状态。初始裂纹表面未发现腐蚀产物、疲劳条纹或材料缺陷，明显系在强烈局部剪切应力作用下自然萌生。

较多计算（略）

本节简要回顾了本次事故中发生的事件序列，旨在整合呈现本次调查涉及的各个方面的统一图景。

某实验装置的操作员借用了一个氢气钢瓶进行试验，试验内容是利用氢气与空气的混合气（含氢体积分数为9.1%）产生烛焰。

尽管该钢瓶颜色表明其原本用于医用氧气供应，操作员仍信任了钢瓶上用墨水标注的“H”标识。本次调查结果表明，钢瓶内实际所装气体为氢氧混合气（含氢体积分数为35–45%），初始压力约为2 MPa。

由于将初始混合气与空气（占90.9%）稀释后，氢气含量降至氢气下可燃极限（4%）以下，因此操作员未能成功点燃烛焰。

这一结论随后得到实验室主管部门出具报告的证实。当操作员试图更换新钢瓶时，初始混合气在钢瓶顶部意外发生爆轰。

爆轰启动后，一道峰值压力约为 37 MPa 的激波以 2100–2300 m/s 的速度沿气瓶向下传播，使环向应力产生 1.9 倍的动态放大效应。

在瓶颈下方 100 mm 处，环向应力略超过材料的抗拉强度极限，从而在轴向方向上由剪切作用产生一条微小的穿透壁厚裂纹。同一应力循环引起的应力强度因子足以推动该裂纹进一步扩展（向前延伸 13 mm，向后延伸 7 mm）。

初始裂纹形成约 1.7 ms 后，向后扩展的裂纹尖端到达瓶颈下方 40 mm 处，此处由瓣状鼓胀引起的轴向拉应力已足够显著，致使裂纹转向并发生分叉。

分叉点之后的裂纹扩展速度估算为 210 m/s。向前扩展的裂纹尖端到达下部分叉点耗时约 3 ms。初始裂纹的轴向扩展及分支的周向扩展均为 I 型断裂。最终碎片的分离，则由各分支在轴向相互靠近并伴随弯曲与撕裂（I 型与 III 型混合断裂）共同导致。在碎片从气瓶主体分离过程中，瓣状鼓胀期间储存的弹性能量被释放。结果，这些薄片状碎片发生了严重的塑性变形，表现为扭曲与折叠。

另一方面，爆轰波沿气瓶向下传播导致其发生均匀的永久性径向膨胀。当爆轰波抵达瓶底后，其对瓶帽产生的冲击使其猛烈穿过气瓶支架。由此产生的摩擦加热了气瓶下段，使约 50 mm 长度的区域变黑，并在该区域表面留下明显的纵向擦痕。

与此同时，由于爆轰冲击产生的应力波作用，瓶帽中心区域萌生数条微小裂纹。随后，三条裂纹由两条不同半椭圆形初始裂纹扩展而成。这些裂纹的扩展、分叉与再连接，将瓶帽分割为三个碎片。估算显示，瓶帽撞击地面所需时间约为 15 ms，远长于气瓶顶部与底部发生的开裂事件。

图 12 示意性地展示了气瓶变形与断裂的各个阶段。值得注意的是，造成所有这些损伤的气体混合物初始压力仅为气瓶工作压力的 9%。

一只本应盛装纯氢气的气瓶中为何存在富氧混合气，原因尚不明确。一种可能性是：在最后一次充装时，因气瓶颜色被误充入氧气。

1、本项调查旨在查明一只商用氢气气瓶发生爆炸的原因。气瓶总体裂纹形貌、断口形貌特征及应力分析结果均表明，爆炸系由内部气体爆轰引起。因此，识别出若干封闭端圆柱管在爆轰驱动断裂过程中的特定特征，包括：瓣状鼓胀、鼓胀区域附近裂纹弯曲与分叉、剪切唇上形成的阶梯状条纹，以及瓶帽中心处的多重开裂。研究表明，初始裂纹由局部过大的剪切应力引发，而后续裂纹扩展则几乎完全受结构波控制。

2、基于上述观测结果，并结合气瓶的动态应力分析结果，估算了气体爆轰的主要特征参数，如初始压力、峰值压力及传播速度，并确定了初始气体混合物的组成。结果表明，气瓶内所含气体为可爆轰的氢氧混合气（氢气体积分数为 35–45%），初始压力约为 2 MPa（相当于气瓶工作压力的 9%）。

3、气瓶内存在富氧混合气的原因尚不清楚。但一种合理的情形是：在最后一次充装时，该气瓶内尚存部分氢气，却因气瓶颜色被误充入氧气。