火災(zāi)環(huán)境下CNG長管拖車氣瓶不同結(jié)構(gòu)泄壓裝置的響應(yīng)規(guī)律

趙保頔 薄 柯 駱 輝 鄧貴德 劉岑凡 金明哲 荊 博

中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院

0 引言

長管拖車是目前運(yùn)輸壓縮天然氣（CNG）的主要工具之一[1-2]。由于天然氣在儲(chǔ)運(yùn)過程中存在著潛在的泄漏和爆炸風(fēng)險(xiǎn)，一旦發(fā)生火災(zāi)爆炸事故，就有可能造成人民生命財(cái)產(chǎn)的重大損失。因此國內(nèi)外的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)均要求其安裝泄壓裝置，以保證氣瓶在超溫、超壓工況下能安全泄放，降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

泄壓裝置的泄放面積和結(jié)構(gòu)形式是決定火災(zāi)環(huán)境下CNG長管拖車氣瓶能否安全泄放的重要指標(biāo)。對(duì)國內(nèi)火災(zāi)事故的統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示[3]，按中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 16918—1997《氣瓶用爆破片技術(shù)條件》[4]設(shè)計(jì)的泄放面積能夠保證長管拖車在火災(zāi)下安全泄放。國外的研究成果表明[5-6]，泄放面積越大，所排放的易燃?xì)怏w影響范圍也越大。喻健良等[7]的研究結(jié)果指出，對(duì)于相同規(guī)格的CNG長管拖車氣瓶，按美國石油學(xué)會(huì)（American Petroleum Institute，簡(jiǎn)稱 API）的標(biāo)準(zhǔn) API 521-2014《Pressure-relieving and Depressuring Systems》[8]給出的最小泄放面積計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)小于GB 16918—1997的規(guī)定。因此對(duì)長管拖車可考慮在保證安全泄放的前提下減少泄放面積，但目前國內(nèi)尚缺乏相關(guān)的研究工作。

在泄壓裝置結(jié)構(gòu)選型方面，美國壓縮燃?xì)鈪f(xié)會(huì)（Compressed Gas Association， 簡(jiǎn) 稱 CGA） 標(biāo)準(zhǔn) CGA S-1.1《Pressure Relief Device Standards Part 1—Cylinders for Compressed Gases》[9]和中國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范TSG R0006—2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[10]均規(guī)定，對(duì)于運(yùn)輸CNG的長管拖車，其集輸氣瓶允許選用爆破片或爆破片/易熔合金組合泄壓裝置，此類結(jié)構(gòu)在中小容積氣瓶火災(zāi)環(huán)境中的應(yīng)用研究已有相關(guān)成果[11-15]，而在長管拖車大容積氣瓶上的應(yīng)用研究則尚未見到公開的報(bào)道。

綜上所述，為了優(yōu)化泄壓裝置、探尋泄壓裝置在火燒環(huán)境下的動(dòng)作響應(yīng)規(guī)律，對(duì)長管拖車用鋼質(zhì)無縫氣瓶進(jìn)行了整體火燒試驗(yàn)，研究泄壓裝置不同泄放面積和結(jié)構(gòu)形式對(duì)大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶升壓和泄放過程的影響，以期為長管拖車氣瓶泄壓裝置的標(biāo)準(zhǔn)制訂和選型提供技術(shù)支撐。

1 火燒試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用氣瓶和泄壓裝置

試驗(yàn)選取3只相同規(guī)格參數(shù)的大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶，試驗(yàn)編號(hào)分別為A、B、C。其材質(zhì)為4130X合金結(jié)構(gòu)鋼，工作壓力20 MPa，水壓試驗(yàn)壓力為33.4 MPa，氣瓶尺寸：直徑559 mm×長度2 540 mm×厚度16.5 mm，容積為0.44 m3。人為規(guī)定氣瓶有完整鋼印的一端為氣瓶后端，另一端為氣瓶前端。

按照環(huán)境溫度20 ℃，火災(zāi)工況氣瓶外壁最高溫度650 ℃的設(shè)計(jì)條件，分別以不同標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算爆破片最小泄放面積，結(jié)果如表1所示。比較表1中不同標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算所得最小泄放面積值，取計(jì)算最大值和最小值進(jìn)行對(duì)比，氣瓶每一端裝設(shè)的爆破片有效泄放面積按照標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算排放面積的50%設(shè)計(jì)，單個(gè)泄放裝置的有效泄放通徑如表2所示。

試驗(yàn)統(tǒng)一采用型號(hào)為PPA20-33.4-20A的爆破片，設(shè)計(jì)爆破壓力為33.4 MPa。試驗(yàn)前，氣瓶A、B充裝20 MPa空氣；氣瓶C由于僅關(guān)注易熔合金塞的溫度變化，試驗(yàn)不充裝氣體，外部試驗(yàn)條件與氣瓶A、B相同，將熱電偶嵌入易熔合金塞中（圖1），測(cè)得其溫度變化。點(diǎn)火后采集氣瓶和泄壓裝置的溫度場(chǎng)，保持火焰溫度，直至易熔合金塞融化后，試驗(yàn)結(jié)束。

表1 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氣瓶最小泄放量和爆破片裝置泄放面積計(jì)算結(jié)果表

表2 氣瓶?jī)啥诵箟貉b置的結(jié)構(gòu)型式和主要參數(shù)表

圖1 氣瓶C兩端泄壓裝置和熱電偶連接形式圖

1.2 火燒試驗(yàn)方法

在圖2所示的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行火燒試驗(yàn)。試驗(yàn)采用中國特種設(shè)備檢測(cè)研究院自主研發(fā)的大容積氣瓶火燒試驗(yàn)裝置，燃料為丙烷，火焰支架長度為1.65 m，氣瓶底部與火源距離為0.1 m?？紤]到真實(shí)長管拖車氣瓶?jī)啥硕加兄武摪宸雷o(hù)，試驗(yàn)中在氣瓶?jī)啥搜b相同材質(zhì)的鋼板，如圖3所示，以保護(hù)瓶閥、泄放裝置不直接受火，泄放裝置上方裝設(shè)導(dǎo)流管，使得泄放氣流朝上排放，避免氣流直接吹滅火焰。

圖2 火燒試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

圖3 試驗(yàn)氣瓶布置圖

試驗(yàn)采用多個(gè)熱電偶對(duì)氣瓶不同部位的溫度進(jìn)行監(jiān)控。采用1只壓力傳感器安裝在管路上，與氣瓶直接連通監(jiān)控氣瓶壓力變化。通過控制丙烷燃料輸送量，確保氣瓶A、B在火燒試驗(yàn)中具有相同的火燒環(huán)境。為驗(yàn)證爆破片泄放后安全泄放量滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，爆破片起跳后，保持燃料輸送量不變繼續(xù)試驗(yàn)至壓力完全泄放或氣瓶爆炸。

1.3 試驗(yàn)過程

氣瓶A試驗(yàn)過程如圖4所示。在火燒試驗(yàn)開始280 s時(shí)，泄壓裝置起跳泄壓，泄放過程中聲音及泄放瞬間氣流反沖力較小，泄放時(shí)間為1 300 s，氣瓶未發(fā)生爆炸。冷卻后檢查現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)氣瓶后端爆破片起爆；氣瓶前端爆破片/易熔合金組合結(jié)構(gòu)密封完好，爆破片完整，但易熔合金融化。

圖4 氣瓶A火燒試驗(yàn)過程圖

氣瓶B試驗(yàn)過程如圖5所示?；馃囼?yàn)開始300 s后，泄壓裝置起跳泄壓，泄放過程中聲音較大，監(jiān)控錄像顯示泄放瞬間氣流反沖力過大使得氣瓶一端傾斜，泄放時(shí)間為209 s，氣瓶未發(fā)生爆炸。氣瓶冷卻后檢查氣瓶?jī)啥诵箟貉b置與氣瓶A完全相同。

由表3可知，A、B兩只氣瓶爆破片的實(shí)際爆破壓力分別為32.38 MPa、34.72 MPa，均滿足GB/T 33145—2016《大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶》[16]爆破壓力允差不超過±5%的要求，說明爆破片屬于超壓環(huán)境正常起爆，試驗(yàn)有效。

圖5 氣瓶B火燒試驗(yàn)過程圖

表3 氣瓶A、B試驗(yàn)過程參數(shù)表

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 壓力變化規(guī)律

從圖6可以看到，整個(gè)試驗(yàn)過程氣瓶A、B內(nèi)部壓力變化分為升壓和泄壓2個(gè)階段，對(duì)其變化規(guī)律描述如下。

圖6 氣瓶A、B內(nèi)部壓力—時(shí)間關(guān)系曲線圖

2.1.1 升壓階段

升壓階段氣瓶A、B的壓力變化規(guī)律基本一致（圖6）。點(diǎn)火后30 s內(nèi)，氣瓶壁面吸熱升溫并將熱量傳遞給瓶?jī)?nèi)空氣，壓力緩慢升高；之后瓶?jī)?nèi)氣體吸熱升壓速率加快，瓶?jī)?nèi)壓力隨時(shí)間呈線性升高。這說明在熱量輸入基本相同的情況下，相同環(huán)境、相同尺寸的氣瓶在火燒試驗(yàn)下升壓規(guī)律相同。

2.1.2 泄壓階段

從圖6可以看出，在爆破片起爆后（內(nèi)部壓力）迅速下降，但由于氣瓶B爆破片動(dòng)作時(shí)間比氣瓶升壓A晚20 s，其實(shí)際爆破壓力略高。從表1可以看出，雖然氣瓶A的泄放面積較小，導(dǎo)致泄放時(shí)間為氣瓶B的10.8倍，但在泄壓過程氣瓶受火的情況下，直至安全泄壓時(shí)氣瓶始終未發(fā)生爆破，說明采用API 521計(jì)算的氣瓶泄壓裝置排放能力滿足安全泄放的需要，并且由于整個(gè)泄壓階段壓力值始終保持連續(xù)下降的趨勢(shì)，說明該泄放面積仍存在一定的安全裕量，相比之下我國標(biāo)準(zhǔn)GB 16918—1997給出的最小泄放面積計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于API 521-2014，其設(shè)計(jì)泄放面積的安全裕量更大。

2.2 溫度變化規(guī)律

2.2.1 外表面溫度變化規(guī)律

圖7 氣瓶A外表面各測(cè)點(diǎn)溫度—時(shí)間關(guān)系曲線圖

由于試驗(yàn)環(huán)境類似，氣瓶A、B外表面溫度變化規(guī)律基本一致，故筆者僅取氣瓶A進(jìn)行分析。從圖7可以看出：開始點(diǎn)火后，各測(cè)點(diǎn)溫度迅速升高；100 s時(shí)氣瓶上部外表面最低溫度也超過460 ℃；100～280 s泄放前氣瓶各部位測(cè)點(diǎn)溫度變化規(guī)律與火源溫度的變化規(guī)律基本一致，說明氣瓶外表面溫度變化主要受到火源溫度變化的影響，而由于燃燒的火焰未能完全包覆氣瓶上部外表面，導(dǎo)致上部測(cè)點(diǎn)溫度始終低于中底部和中部各測(cè)點(diǎn)溫度；700 s后因燃料供給壓力降低，火焰變小，氣瓶外表面各測(cè)點(diǎn)的溫度也逐步下降。

2.2.2 瓶?jī)?nèi)氣體溫度變化規(guī)律

瓶?jī)?nèi)氣體溫度隨時(shí)間的變化過程如圖8所示。在升壓階段，氣瓶A、B內(nèi)部氣體溫度隨時(shí)間變化規(guī)律基本一致，從點(diǎn)火后開始到30 s內(nèi)，瓶?jī)?nèi)氣體溫度緩慢上升；30 s到爆破片泄放前，瓶?jī)?nèi)氣體升溫速率加快，至爆破片泄放時(shí)氣瓶A最高氣溫達(dá)到154.5℃，氣瓶B最高氣溫達(dá)到153.9 ℃。

圖8 氣瓶A、B內(nèi)部溫度—時(shí)間關(guān)系曲線圖

在壓力泄放階段，氣瓶A、B內(nèi)部氣體溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律差別較大，說明泄壓過程的溫度變化過程與實(shí)際泄放面積之間具有密切的關(guān)系。在泄壓階段，一方面爆破片開啟，氣體對(duì)外做功，屬放熱過程；另一方面，泄放后火焰持續(xù)對(duì)氣瓶加熱，瓶?jī)?nèi)氣體不斷吸熱。瓶?jī)?nèi)氣體的溫度場(chǎng)變化就是上述兩個(gè)方面因素綜合作用的結(jié)果。氣瓶A由于一端爆破片開啟后的有效泄放面積僅有7.5 mm2，爆破片動(dòng)作瞬間內(nèi)放熱有限，在280～320 s內(nèi)，氣體吸熱和放熱過程形成一個(gè)短暫的平衡，表現(xiàn)為氣體溫度維持不變；隨著氣體持續(xù)泄放，氣體對(duì)外做功的放熱量小于溫差帶來的吸熱量，瓶?jī)?nèi)氣體溫度逐漸上升。氣瓶B一端爆破片開啟后的有效泄放面積達(dá)53 mm2，是氣瓶A泄放面積的7倍，因而在泄放前期，氣體泄放量較大，爆破片泄放氣體泄放的放熱過程大于氣體的吸熱過程，瓶?jī)?nèi)氣體溫度迅速降低；當(dāng)氣體壓力泄放到3 MPa以下時(shí)，瓶?jī)?nèi)剩余氣體量減少，瓶?jī)?nèi)氣體的吸熱過程大于放熱過程，氣體溫度逐漸上升。

2.3 泄壓裝置動(dòng)作規(guī)律

氣瓶C兩端易熔合金塞溫度測(cè)試結(jié)果如圖9所示，氣瓶前后端易熔合金塞溫度變化曲線如圖10所示。氣瓶前端易熔合金塞溫度隨時(shí)間緩慢增加，到36 min時(shí)溫度達(dá)到103 ℃，易熔合金塞融化。后端易熔合金塞溫度緩慢上升，溫度達(dá)到55 ℃時(shí)基本不再變化，整個(gè)火燒過程持續(xù)50 min，直至試驗(yàn)結(jié)束，后端易熔合金塞始終未融化。

圖9 氣瓶C兩端易熔合金塞融化情況示意圖

易熔合金塞熔化受安裝位置、防護(hù)結(jié)構(gòu)、火焰大小、外部環(huán)境等多種因素的影響，其中前端泄壓裝置安裝在氣瓶端塞內(nèi)部，距離火焰較近，熱傳遞作用較強(qiáng)，但也經(jīng)過33 min后才熔化；后端泄壓裝置距火焰較遠(yuǎn)，未發(fā)生熔化。由此可知，在火焰被鋼板完全隔絕的情況下，易熔合金塞需要足夠的受熱時(shí)間才會(huì)熔化，在易熔合金塞熔化之前，易熔合金/爆破片組合結(jié)構(gòu)不會(huì)動(dòng)作。這一結(jié)論與氣瓶A、B試驗(yàn)后觀測(cè)到的試驗(yàn)現(xiàn)象一致，說明在氣瓶A、B的試驗(yàn)過程中，易熔合金塞的融化過程發(fā)生在另一端爆破片起爆之后，爆破片＋易熔合金組合結(jié)構(gòu)未能起到及時(shí)排放泄壓的作用。

圖10 氣瓶C前、后端易熔合金塞溫度隨時(shí)間變化關(guān)系曲線圖

3 結(jié)論

針對(duì)不同泄放面積、不同結(jié)構(gòu)型式的泄壓裝置，開展了大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶整體火燒試驗(yàn)研究，獲取到氣瓶安全泄放過程中溫度壓力的變化規(guī)律及不同泄壓裝置在火燒環(huán)境下的響應(yīng)規(guī)律，得到的主要結(jié)論如下：

1）大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶按照API 521-2014、CGA S-1.1和GB 16918—1997設(shè)計(jì)泄壓裝置均能夠滿足大容積鋼制無縫氣瓶整體受火安全泄放的要求?？紤]可能引起二次災(zāi)害的CNG氣體，推薦使用API 521-2014或CGA S-1.1計(jì)算最小泄放面積。

2）在火焰被鋼板隔絕的情況下，泄壓裝置的熱傳導(dǎo)受阻，當(dāng)氣瓶?jī)啥朔謩e裝設(shè)置單爆破片、爆破片＋易熔合金組合兩種泄壓結(jié)構(gòu)時(shí)，因易熔合金結(jié)構(gòu)熔化時(shí)間遠(yuǎn)長于爆破片動(dòng)作所需時(shí)間，使得單爆破片結(jié)構(gòu)往往比爆破片＋易熔合金組合結(jié)構(gòu)先動(dòng)作。

3）大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶在火災(zāi)環(huán)境下，泄放裝置開啟后，氣體溫度變化規(guī)律受泄放面積的影響較大。

符 號(hào) 說 明

A表示計(jì)算泄放面積，mm2；A′表示暴露于火焰中的氣瓶外表面積，m2；F′表示相關(guān)系數(shù)；p表示爆破片設(shè)定泄放壓力（絕對(duì)壓力），MPa；Ws表示氣瓶的安全泄放量，kg/h；M表示氣體摩爾質(zhì)量，kg/kmol；V表示氣瓶容積，L；C表示氣體特性系數(shù)；λ表示泄放系數(shù)；T表示泄放溫度，K；Z表示壓縮因子。

[ 1 ] 董紅磊, 李邦憲, 薄柯, 陳祖志. 我國長管拖車安全技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 中國特種設(shè)備安全, 2014, 30(8): 1-5.Dong Honglei, Li Bangxian, Bo Ke & Chen Zuzhi. Review of the development of tube trailer cylinder on safety technology[J].China Special Equipment Safety, 2014, 30(8): 1-5.

[ 2 ] 李邦憲, 張君鵬, 陳祖志. 長管拖車定期檢驗(yàn)案例及剖析[M].北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2013.Li Bangxian, Zhang Junpeng & Chen Zuzhi. Tube trailer: The cases of periodic inspection and their corresponding analysis[M].Beijing: Chemical Industry Press, 2013.

[ 3 ] 薄柯, 程亮, 李哲偉, 鄧貴德, 古純霖. 長管拖車用安全泄放裝置及其在火災(zāi)事故中的作用[J]. 中國特種設(shè)備安全, 2017,33(8): 24-28.Bo Ke, Cheng Liang, Li Zhewei, Deng Guide & Gu Chunlin.Safety relief device for tube trailer and its function in fi re accident[J]. China Special Equipment Safety, 2017, 33(8): 24-28.

[ 4 ] 國家技術(shù)監(jiān)督局. 氣瓶用爆破片技術(shù)條件: GB 16918—1997[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 1997.National Bureau of Technical Supervision. Bursting discs specification for gas cylinder: GB 16918-1997[S]. Beijing: China Standards Press, 1997.

[ 5 ] Ruban S, Heudier L, Jamois D, Proust C, Bustamante-Valencia L,Jallais S, et al. Fire risk on high-pressure full composite cylinders for automotive applications[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2012, 37(22): 17630-17638.

[ 6 ] Houf W & Schefer R. Predicting radiative heat fl uxes and fl ammability envelopes from unintended releases of hydrogen[J].International Journal of Hydrogen Energy, 2007, 32(1): 136-151.[ 7 ] 喻健良, 閆興清, 李岳, 胡軍, 伊軍. 氣瓶安全泄放量計(jì)算方法探討[J]. 壓力容器, 2011, 28(11): 36-40.Yu Jianliang, Yan Xingqing, Li Yue, Hu Jun & Yi Jun. Calculation methods of safety discharge capacity for cylinders[J]. Pressure Vessel Technology, 2011, 28(11): 36-40.

[ 8 ] American Petroleum Institute. Pressure-relieving and depressuring systems: API 521-2014[S]. Washington DC: API, 2014.

[ 9 ] Compressed Gas Association, INC. Pressure relief device standards part 1—Cylinders for compressed gases: CGA S-1.1[S].Chantilly: CGA, 2011.

[10]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. 氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程: TSG R0006—2014[S]. 北京: 新華出版社, 2014.General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China. Supervision regulation on safety technology for gas cylinder: TSG R0006-2014[S].Beijing: Xinhua Publishing House, 2014.

[11] YamazakiK & Tamura Y. Study of a post-f i re verif i cation method for the activation status of hydrogen cylinder pressure relief devices[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, 42(11):7716-7720.

[12] Valencia LB, Blanc-Vannet P, Domergue D, Heudier L & Jamois D. Thermal history resulting in the failure of lightweight fully-wrapped composite pressure vessel for hydrogen in a fi re experimental facility[J]. Fire Technology, 2016, 52(2): 421-442.

[13] Tschirschwitz R, Krentel D, Kluge M, Askar E, Habib K, Kohlhoあ H, et al. Mobile gas cylinders in fi re: Consequences in case of failure[J]. Fire Safety Journal, 2017, 91: 989-996.

[14] Halm D, Fouillen F, Lainé E, Gueguen M, Bertheau D & Van Eekelen T. Composite pressure vessels for hydrogen storage in fire conditions: Fire tests and burst simulation[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, 42(31): 20056-20070.

[15] Hu J, Chen J, Sundararaman S, Chandrashekhara K & ChernicoあW. Analysis of composite hydrogen storage cylinders subjected to localized fl ame impingements[J]. International Journal of Hydrogen, 2008, 33(11): 2738-2746.

[16]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì). 大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶: GB/T33145—2016[S].北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2016.General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People's Republic of China & Standardization Administration of China. Large capacity seamless steel gas cylinders: GB/T33145-2016[S]. Beijing: China Standards Press, 2016.