液化氣體長(zhǎng)管拖車與壓縮氣體長(zhǎng)管拖車的異同探討

劉玉紅，郭淑芬，崔玉景，宋新海，韓曉燕，張志輝

(石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司，石家莊 051430)

液化氣體長(zhǎng)管拖車與壓縮氣體長(zhǎng)管拖車的異同探討

劉玉紅，郭淑芬，崔玉景，宋新海，韓曉燕，張志輝

(石家莊安瑞科氣體機(jī)械有限公司，石家莊 051430)

主要針對(duì)液化氣體長(zhǎng)管拖車和壓縮氣體長(zhǎng)管拖車在適用標(biāo)準(zhǔn)、制造和結(jié)構(gòu)形式、安全裝置的設(shè)置、充裝和使用以及安全泄放面積計(jì)算等方面進(jìn)行了論述。結(jié)果表明：液化氣體長(zhǎng)管拖車和壓縮氣體長(zhǎng)管拖車在適用標(biāo)準(zhǔn)、制造和結(jié)構(gòu)形式以及安全裝置是否設(shè)置方面是相同的，但是在充裝系數(shù)選擇以及充裝使用和安全泄放面積的計(jì)算方面是不同的。

壓縮氣體；液化氣體；長(zhǎng)管拖車；充裝

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，人們生活水平和生產(chǎn)能力的不斷提高，大大促進(jìn)了各種工業(yè)氣體的應(yīng)用，典型的高壓氣體儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備長(zhǎng)管拖車也得到推廣使用。長(zhǎng)管拖車是將多支大容積無縫氣瓶與集裝箱標(biāo)準(zhǔn)框架組裝后，并放置在集裝箱半掛車底盤上，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)運(yùn)高壓氣體的功能[1]。裝運(yùn)氣體按介質(zhì)的臨界溫度分為壓縮氣體和液化氣體。TSG R0006-2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定：壓縮氣體，是指在-50℃加壓后完全是氣態(tài)的氣體，包括臨界溫度低于或者等于-50℃的氣體；而液化氣體分為高壓液化氣體和低壓液化氣體。在溫度高于-50℃加壓后部分是液態(tài)的氣體，包括臨界溫度在-50～65℃的氣體為高壓液化氣體；臨界溫度高于65℃的氣體為低壓液化氣體[2]。

壓縮氣體一般采用大容積無縫氣瓶充裝使用，液化氣體一般采用中小容積的焊接氣瓶或無縫氣瓶進(jìn)行充裝使用，如果用量大的一般采用罐車進(jìn)行裝運(yùn)，而高壓液化氣體使用范圍較低壓液化氣體更廣泛，但是由于容積的限制，大量使用受到限制，而且近年來用大容積無縫氣瓶裝載高壓液化氣體的長(zhǎng)管拖車需求日益旺盛。

液化氣體和壓縮氣體長(zhǎng)管拖車從車輛外觀看似乎一樣，但實(shí)際區(qū)別很大。本文主要就二者的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比探討，旨在使氣體生產(chǎn)廠家和設(shè)備使用者能正確進(jìn)行設(shè)計(jì)和使用，以保證氣體儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備的安全使用。

1 相同點(diǎn)

1.1 適用標(biāo)準(zhǔn)

無論是壓縮氣體長(zhǎng)管拖車或者是液化氣體長(zhǎng)管拖車，均為移動(dòng)式壓力容器，均按特種設(shè)備進(jìn)行管理，均應(yīng)接受TSG R0005—2011《移動(dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的監(jiān)察，裝載氣瓶應(yīng)接受TSG R0006—2014的監(jiān)察。TSG R0005—2011中規(guī)定：長(zhǎng)管拖車僅適用于壓縮氣體介質(zhì)的儲(chǔ)運(yùn)，而液化氣體未納入監(jiān)管范圍內(nèi)。因液化氣體長(zhǎng)管拖車目前尚無相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一些長(zhǎng)管拖車廠家按照TSG R0005—2011第1.7條，將有關(guān)的設(shè)計(jì)、研究、試驗(yàn)等依據(jù)、數(shù)據(jù)、結(jié)果及檢驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告等技術(shù)資料報(bào)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，由國(guó)家質(zhì)檢總局委托有關(guān)的技術(shù)組織或者技術(shù)機(jī)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)評(píng)審。經(jīng)過評(píng)審合格后方可進(jìn)行制造[3]。

1.2 制造和結(jié)構(gòu)形式

不管是壓縮氣體還是液化氣體，長(zhǎng)管拖車制造過程是一樣的，其主要流程是：材料入庫驗(yàn)收→無縫鋼管復(fù)驗(yàn)(外觀、尺寸、厚度、成分、組織、超聲檢測(cè)和磁粉檢測(cè)等)→加熱→旋壓/鍛壓收口成型→淬火熱處理→內(nèi)外表面噴丸處理→檢測(cè)檢驗(yàn)(表面宏觀檢查、硬度測(cè)試、磁粉檢測(cè)、按批量取樣作拉伸、沖擊、金相和壓扁試驗(yàn)等)→機(jī)加工(瓶口螺紋加工和內(nèi)外螺紋磁粉檢測(cè))→水壓試驗(yàn)(外測(cè)法)→氣密試驗(yàn)→最終檢驗(yàn)(超聲檢測(cè)、測(cè)厚和磁粉檢測(cè))→組裝拖車→整車氣密→抽真空充氮[4]。

液化氣體長(zhǎng)管拖車和壓縮氣體長(zhǎng)管拖車的主要承壓部件均為大容積無縫氣瓶。其結(jié)構(gòu)形式為兩端旋壓/鍛壓收口，并在氣瓶端部加工內(nèi)外螺紋，通過端塞與管路連接。目前該種氣瓶已有成熟的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)，公稱工作壓力一般有16.6、20、25 MPa等壓力等級(jí)，根據(jù)需要還可以達(dá)到35、45 MPa或者更高的壓力等級(jí)。

1.3 選材原則

氣瓶原材料為無縫鋼管，材料一般選用高強(qiáng)度鉻鉬鋼，鉻鉬鋼具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，它的最大優(yōu)點(diǎn)就是在高強(qiáng)度水平上仍能保持良好的塑性和足夠的韌性，甚至在-40℃條件下還具有出色的韌性[1]。選用具體材料牌號(hào)時(shí)需要根據(jù)介質(zhì)與材料的相容性要求選取氣瓶材料、螺塞材料、管路及密封墊材料等。如對(duì)于壓縮氣體氫氣，根據(jù)ISO11114-1標(biāo)準(zhǔn)，氫氣為致脆介質(zhì)，標(biāo)準(zhǔn)限定材料最大抗拉強(qiáng)度不大于950 MPa，根據(jù)市場(chǎng)上大直徑無縫鋼管供應(yīng)情況，一般選用4130X。

而對(duì)于屬于高壓液化氣體的三氟甲烷介質(zhì)，根據(jù)ISO11114-1標(biāo)準(zhǔn)，該介質(zhì)是非致脆介質(zhì)，材料最大抗拉強(qiáng)度不超過1100 MPa。根據(jù)市場(chǎng)上大直徑無縫鋼管供應(yīng)情況，可以選用4140、4142、4145或強(qiáng)度相當(dāng)?shù)臍馄坎牧稀?/p>

1.4 安全附件設(shè)置原則

移動(dòng)式壓力容器根據(jù)TSG R0005—2011及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等的要求，均需要設(shè)置安全附件。安全附件一般包括：安全泄放裝置、測(cè)壓儀表、測(cè)溫儀表，根據(jù)需要設(shè)置緊急切斷裝置等。

2 不同點(diǎn)

2.1 充裝量

2.1.1 壓縮氣體的充裝

壓縮氣體在儲(chǔ)運(yùn)過程中一直處于氣體狀態(tài)，長(zhǎng)管拖車的充裝量是按壓力進(jìn)行充裝計(jì)算的。如對(duì)于一只2.25 m3，公稱工作壓力為20 MPa的壓縮天然氣(簡(jiǎn)稱CNG)氣瓶，在充裝溫度為20℃時(shí)可以充裝CNG到20 MPa，按介質(zhì)的壓縮比253可以得到充裝質(zhì)量為253×2.25×0.717=408 kg(其中0.717為CNG標(biāo)況下的密度)。但是對(duì)于同樣的充裝壓力，如果在不同的充裝溫度下充裝，充裝質(zhì)量也是不同的。介質(zhì)的壓縮比隨著溫度的升高而降低，充裝質(zhì)量隨著溫度的升溫也降低。

2.1.2 液化氣體的充裝

液化氣體在充裝時(shí)是液態(tài)或氣液兩態(tài)，所以充裝量的計(jì)量與控制就不能像壓縮氣體那樣，按照不同的充裝溫度控制充裝壓力，而是直接控制其充裝密度(充裝系數(shù))，即單位容積下的氣體質(zhì)量(kg/L)。當(dāng)然，在相同的限定原則下，充裝系數(shù)是根據(jù)氣瓶的許用壓力確定的[6]。

2.1.2.1 低壓液化氣體的充裝

按TSG R0006—2014的規(guī)定：對(duì)于低壓液化氣體，充裝系數(shù)應(yīng)當(dāng)不大于在氣瓶最高使用溫度下液體密度的97%。在溫度高于氣瓶最高使用溫度5℃時(shí)，瓶?jī)?nèi)不滿液。

低壓液化氣體如果“滿液”充裝，當(dāng)溫度再繼續(xù)升高，瓶?jī)?nèi)液化氣體急劇膨脹，造成壓力急劇升高，很容易發(fā)生氣瓶爆破等惡性事故。以液氯鋼瓶為例,“滿液”鋼瓶溫度升高1℃,其瓶?jī)?nèi)壓力將增加1～2 MPa[5]。

用高壓無縫氣瓶裝載低壓液化氣體是不經(jīng)濟(jì)的，一般低壓液化氣體根據(jù)用量采用罐車或者中小容積氣瓶進(jìn)行充裝使用。但如果使用長(zhǎng)管拖車進(jìn)行低壓液化氣體的儲(chǔ)運(yùn)，應(yīng)嚴(yán)格控制氣瓶的充裝量，嚴(yán)禁過量充裝。

2.1.2.2 高壓液化氣體的充裝

對(duì)于臨界溫度在-50～65℃的高壓液化氣體，在充裝溫度超過臨界溫度時(shí)，已完全是氣態(tài)，則可以按壓縮氣體進(jìn)行管理。但是在臨界溫度以下充裝時(shí)，仍為液化氣體狀態(tài)，仍需嚴(yán)格遵守充裝量的規(guī)定。

對(duì)于高壓液化氣體充裝系數(shù)按以下公式(摘自TSG R0006—2014和IMDG《國(guó)際海運(yùn)危險(xiǎn)貨物規(guī)則》)：

Fr=PM/ZRT

式中，F(xiàn)r為充裝系數(shù)；P為氣瓶許用壓力(按TSG R0006—2014規(guī)定，P取公稱工作壓力；按IMDG的規(guī)定，P取水壓試驗(yàn)壓力)；M為氣體分子量；T為氣瓶最高使用溫度；R為氣體常數(shù)；Z為氣體在壓力P，溫度T時(shí)的壓縮系數(shù)。

此公式是依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程推導(dǎo)得出的?？芍?，按國(guó)內(nèi)規(guī)范，高壓液化氣體在氣瓶使用過程中最高壓力均不會(huì)超過公稱工作壓力，而按國(guó)際規(guī)范IMDG設(shè)計(jì)的多單元?dú)怏w容器，其氣瓶最高壓力不會(huì)超過氣瓶水壓試驗(yàn)壓力。故國(guó)內(nèi)對(duì)于液化氣體充裝限制更為嚴(yán)格。

2.2 使用方面

2.2.1 壓縮氣體長(zhǎng)管拖車按壓力控制充裝

長(zhǎng)管拖車充裝壓縮氣體按壓力控制充裝量，加氣站一般設(shè)定某一壓力限值，當(dāng)充裝達(dá)到此壓力時(shí)，即停止充裝。

所有氣瓶可以同時(shí)進(jìn)行充卸作業(yè)，無需單瓶充裝和卸放。

2.2.2 液化氣體長(zhǎng)管拖車按質(zhì)量控制充裝

液化氣體長(zhǎng)管拖車每支氣瓶必須設(shè)置瓶口根部閥，必須專瓶專用，在充裝過程中，必須嚴(yán)格防止氣瓶中氣體混裝。用完的氣瓶應(yīng)留有余壓，以防止倒灌混入其他氣體或雜質(zhì)。

在充裝或卸液時(shí)只允許開啟要充卸作業(yè)的氣瓶根部閥，其余氣瓶根部閥門應(yīng)予以關(guān)閉，以防止液化氣體出現(xiàn)混流現(xiàn)象，造成稱量不準(zhǔn)現(xiàn)象。

每支氣瓶的充裝質(zhì)量均不得超過充裝系數(shù)計(jì)算得到的最大允許充裝量。所有氣瓶充裝量不得超過長(zhǎng)管拖車最大允許充裝量。

2.3 安全泄放量計(jì)算

根據(jù)TSG R0005—2011的規(guī)定，除了劇毒和自燃介質(zhì)外，長(zhǎng)管拖車均應(yīng)設(shè)置安全泄壓裝置。但是對(duì)于壓縮氣體和液化氣體氣瓶的安全泄放量計(jì)算不同。對(duì)于安全泄放量的計(jì)算有很多標(biāo)準(zhǔn)，常用的為CGA S1.1和GB 16918，下面分別介紹兩種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)壓縮氣體和液化氣體安全泄放量的計(jì)算方法。

2.3.1 美國(guó)壓縮氣體協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)CGA S1.1—2011

根據(jù)CGA S1.1—2011《壓力泄放裝置標(biāo)準(zhǔn) 第一部分 充裝壓縮氣體的氣瓶》，對(duì)于壓縮氣體，氣瓶的安全泄放量為：

Qa=9.6×10-3Wc

式中，Qa為試驗(yàn)壓力為690 kPa時(shí)自由氣體的流量；Wc為氣瓶容積。

從公式可以看出，CGA S1.1對(duì)于壓縮氣體鋼瓶的安全泄放量進(jìn)行了簡(jiǎn)化，只和鋼瓶的容積大小有關(guān)系。對(duì)于液化氣體鋼瓶，CGA S1.1也簡(jiǎn)化認(rèn)為液化氣體鋼瓶的安全泄放量取相應(yīng)壓縮氣體氣瓶的2倍即可。

2.3.2 GB 16918—1997《氣瓶用爆破片技術(shù)條件》

對(duì)于永久氣體氣瓶，氣瓶的安全泄放量

式中，WS為氣瓶的安全泄放量；M為介質(zhì)分子量；V為氣瓶容積。

該公式表明氣瓶的安全泄放量既和氣瓶容積大小有關(guān)，也考慮了不同介質(zhì)的影響，較CGA S1.1更精確一些。

對(duì)于液化氣體鋼瓶，當(dāng)V≤450 L時(shí)，

當(dāng)V>450 L時(shí)，

式中，P為爆破片的設(shè)計(jì)爆破壓力；q為介質(zhì)泄放壓力下的汽化潛熱；Ar為氣瓶受熱面積。

該公式表明對(duì)于小容積的液化氣體鋼瓶，氣瓶的安全泄放量除與容積大小，不同介質(zhì)有關(guān)外，也考慮了設(shè)計(jì)爆破壓力的影響，較CGA S1.1更精確。而對(duì)于大容積的液化氣體鋼瓶，考慮的是氣瓶暴露在火災(zāi)環(huán)境下時(shí)，液化氣體在吸收熱量全部氣化而需要的安全泄放量。

3 結(jié)語

比較了壓縮氣體和液化氣體長(zhǎng)管拖車的異同，結(jié)論如下：

1.壓縮氣體和液化氣體長(zhǎng)管拖車在適用標(biāo)準(zhǔn)上、制造和結(jié)構(gòu)形式、材料的選用以及如何判斷是否采用安全裝置方面是相同的。兩者均遵循移動(dòng)式壓力容器相應(yīng)規(guī)范，在結(jié)構(gòu)上均采用兩端旋壓/鍛造收口的無縫結(jié)構(gòu)，材料均為鉻鉬鋼，均需要設(shè)置安全裝置。

2.壓縮氣體和液化氣體長(zhǎng)管拖車在充裝、使用和安全泄放量的計(jì)算上所遵循的原則是不一樣的。壓縮氣體的充裝是由壓力控制，液化氣體的充裝是由質(zhì)量控制，在計(jì)算泄放面積時(shí)，如果按照CGA S1.1計(jì)算，液化氣體的泄放面積為壓縮氣體的2倍，如果按照GB 16918計(jì)算，在容積小于450 L時(shí)，液化氣體的泄放面積也為壓縮氣體的2倍。

3.本文對(duì)壓縮氣體和液化氣體長(zhǎng)管拖車的異同分析的目的在于保證液化氣體長(zhǎng)管拖車的正確安全使用，促進(jìn)氣體行業(yè)的發(fā)展。

[1] 秋長(zhǎng)鋆，吳紅．管式拖車氣瓶介紹[J].中國(guó)鍋爐壓力容器安全，1997，15(4)：30-33．

[2] TSG R0006—2014 氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[3] TSG R0005—2011移動(dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[4] 王麗娜．壓縮天然氣運(yùn)輸和長(zhǎng)管拖車制造及檢驗(yàn)[J]．河北工業(yè)科技，2011,28(1):52-54．

[5] 巢建偉，張晶，等．液氯鋼瓶超裝爆破危險(xiǎn)性的計(jì)算[J]．石油化工設(shè)備，1991,23(10):35-36．

[6] 吳粵燊．我國(guó)氣瓶法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)在設(shè)計(jì)參數(shù)上與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的主要差異[J]．中國(guó)特種設(shè)備安全，2007,23(10):47-50．

Discussion on Similarities and Differences Between Liquefied Gas Tube Trailer and Compressed Gas Tube Trailer

LIU Yuhong，GUO Shufen，CUI Yujing，SONG Xinhai，HAN Xiaoyan，ZHANG Zhihui

(Shijiazhuang ENRIC Gas Equipment Co.,Ltd.，Shijiazhuang 051430，China)

In this paper, applicable standards, manufacturing and structural form, setting of safety device, filling and use and the calculation of safety discharging areas of liquefied gas tube trailer and compressed gas tube trailer were discussed. The results show that it is same in the applicable standards, manufacturing and structural form and setting of safety device while it is different in the choose of filling coefficient, filling and use and the calculation of safety discharge areas.

compressed gas；liquefied gas；tube trailer；filling

2017-03-16

TB658

A

1007-7804(2017)03-0005-04

10.3969/j.issn.1007-7804.2017.03.002

劉玉紅(1973)，女，本科，高級(jí)工程師，主要從事壓力容器的設(shè)計(jì)工作。