長管拖車爆破片冬季異常起爆或開裂分析

張新建，張君鵬

（中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100000）

作為移動(dòng)式壓力容器之一的長管拖車快速發(fā)展，在全國范圍內(nèi)已具規(guī)模，長管拖車具有運(yùn)送介質(zhì)易燃易爆、工作壓力高、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變的現(xiàn)狀，爆破片與易熔塞組合超壓安全泄放裝置作為重要安全附件，在長管拖車中得到了廣泛應(yīng)用。但是在我國北方冬季，爆破片與易熔塞組合超壓安全泄放裝置發(fā)生異常起爆或異常開裂泄漏的事件屢見不鮮，此類事件發(fā)生在充裝母站、加氣站、高速公路收費(fèi)站以及其他人員、建筑密集區(qū)域造成天然氣泄漏甚至引發(fā)燃爆事故，對(duì)人民群眾的人身財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大威脅。

1 原因分析

圖1 端塞、爆破片裝置與放空管彎頭組合剖視圖

以內(nèi)蒙鄂爾多斯運(yùn)輸井口的車輛為例，該批車輛共計(jì)16臺(tái)車，其中爆破片異常起爆或開裂5臺(tái)，表現(xiàn)在：（1）爆破片夾持裝置（旋塞）外側(cè)連接放空管彎頭（圖1）管件積水，冬季內(nèi)蒙地區(qū)天氣寒冷導(dǎo)致結(jié)冰，而管件積水在長管拖車充泄壓過程中瓶體的溫度變化環(huán)境下難以避免，水體積膨脹通過易熔塞對(duì)爆破片造成擠壓，研究表明，水結(jié)冰的膨脹力等于冰的機(jī)械強(qiáng)度（與溫度有關(guān)），CNG在充裝過程中瓶體內(nèi)溫度升高造成冰融化，而停止充裝后，因氣溫降低水又會(huì)結(jié)冰體積膨脹造成爆破片重復(fù)受力，爆破片在這種條件下疲勞影響異常開裂從而起爆的重要原因。（2）異常擾動(dòng)：①長期未排污，大量重質(zhì)成分殘留在氣瓶內(nèi)部，運(yùn)輸過程中剎車造成液體倒灌入沖擊爆破片，②氣質(zhì)過濾不足含有泥沙，殘液過多倒灌后泥沙與爆破片摩擦，有研究表明：70%的爆破片異常起爆為異常擾動(dòng)起爆。（3）內(nèi)蒙地區(qū)溫差較大，二次充裝后白天運(yùn)輸瓶內(nèi)壓力有一定幅度升高。經(jīng)過對(duì)該批檢驗(yàn)車輛中爆破片異常起爆或開裂的2臺(tái)車輛進(jìn)行拆檢，現(xiàn)場拆卸發(fā)現(xiàn)抽檢車輛爆破片異常開裂對(duì)應(yīng)氣瓶的放空管彎頭均存在積水結(jié)冰。

2 改進(jìn)措施

在受限空間內(nèi)部，水受到外界溫度的作用迅速凝固成冰，隨之體積膨脹對(duì)易熔合金產(chǎn)生力的作用，水結(jié)冰對(duì)外界最大壓力達(dá)到5.5kg/cm2，這個(gè)壓力會(huì)作用在易熔合金上，易熔合金通常材質(zhì)柔軟，而易熔合金與爆破片貼合在一起，上述壓力間接作用在爆破片上，特別是長管拖車在泄壓時(shí)瓶體內(nèi)壓力減小至0.3MPa，上述壓力大于瓶體內(nèi)部壓力爆破片就會(huì)發(fā)生變形內(nèi)凹，而當(dāng)氣瓶再次充氣至20MPa的過程中，爆破片變形恢復(fù)，這樣經(jīng)過數(shù)次充裝泄壓循環(huán)造成爆破片疲勞。

針對(duì)以上情況車輛可以對(duì)放空管彎頭結(jié)構(gòu)采取一些改進(jìn)措施：（1）黃焱、史慶增、宋安在對(duì)冰溫度膨脹力作用機(jī)理作簡要分析的基礎(chǔ)上，將有限元方法引入冰溫度膨脹力的計(jì)算中，得到結(jié)論：溫升率對(duì)直立墻上冰膨脹力沿冰厚分布的影響遠(yuǎn)大于對(duì)斜坡的影響。本文建議將旋塞易熔合金結(jié)構(gòu)制作成45°圓錐形結(jié)構(gòu)。（2）將放空管彎頭的內(nèi)部通道的直角結(jié)構(gòu)換成圓滑過渡通道半徑不小于15mm，既有利于緩解水結(jié)冰產(chǎn)生的反作用力，同時(shí)爆破片緊急狀態(tài)下起爆也有利于天然氣快速放散。

3 有限元模擬

3.1 幾何模型建立

利用三維建模建立2個(gè)計(jì)算模型進(jìn)行對(duì)比模擬分析：（1）依據(jù)該事故長管拖車的爆破片裝置建立模型，結(jié)構(gòu)尺寸（如圖2），放空管彎頭與易熔合金組成的內(nèi)腔直徑32mm，放空管彎頭灌滿水時(shí)的水深80mm。（2）改變易熔合金端面結(jié)構(gòu)建立與端面成45°的錐形面，改變彎頭結(jié)構(gòu)建立圓滑過渡，過渡半徑16mm（如圖3）。（3）易熔合金屬鉍、鉛、錫和鎘等元素按重量比制成的低熔點(diǎn)合金，難以確定其力學(xué)性質(zhì)，本文采用鋁合金代替，現(xiàn)實(shí)中易熔合金的強(qiáng)度比鋁合金強(qiáng)度低。（4）放空管彎頭材質(zhì)為銅。

圖2 模型1

圖3 模型2

3.2 施加載荷

水結(jié)冰是復(fù)雜的過程，數(shù)據(jù)表明結(jié)冰相變發(fā)生膨脹，體積變化明顯且短暫強(qiáng)烈，本文僅模擬冰在-25～0℃的應(yīng)力情況，未涉及水結(jié)冰相變的過程。穩(wěn)態(tài)熱分析：初始溫度設(shè)置為0℃，模型與環(huán)境接觸所有外表面設(shè)置為-25℃；結(jié)構(gòu)靜應(yīng)力分析：長管拖車在空車狀態(tài)時(shí)最低壓力通常為0.3～0.5MPa，因此在易熔合金外部端面施加0.3Mpa的壓力，將彎頭與易熔合金連接端固定進(jìn)行計(jì)算，如圖4。

圖4

3.3 模擬結(jié)果

提取易熔合金與冰的結(jié)合面的沿Z軸（垂直于易熔合金外部端面方向）的應(yīng)力，模型1在該結(jié)合面的最大應(yīng)力為0.4515MPa，大于外部端面施加的壓力0.3MPa（如圖5），模型2為0.1865MPa（如圖6）。結(jié)果表明，模型1在此次模擬條件下可以導(dǎo)致易熔合金Z軸方向向外移動(dòng)，爆破片受到擠壓發(fā)生變形進(jìn)而造成疲勞異常起爆或開裂；模型2為在此次模擬條件下未導(dǎo)致易熔合金移動(dòng)，現(xiàn)實(shí)條件下，若考慮水相變體積膨脹的作用仍可能導(dǎo)致類似情況發(fā)生。

圖5

圖6

4 結(jié)語

（1）爆破片夾持裝置（旋塞）外側(cè)連接放空管彎頭管件積水。冬季內(nèi)蒙地區(qū)天氣寒冷導(dǎo)致結(jié)冰，水體積膨脹通過易熔塞對(duì)爆破片造成擠壓是導(dǎo)致爆破片異常起爆或開裂的重要原因。（2）采用ANSYS有限元模擬軟件對(duì)上述情況進(jìn)行了模擬計(jì)算，結(jié)果表明，冰可以造成爆破片異常起爆和開裂。在未對(duì)水結(jié)冰發(fā)生相變充分考慮的情況下，計(jì)算結(jié)果依然表明可以導(dǎo)致爆破片異常起爆或開裂，從而間接證實(shí)了水結(jié)冰膨脹對(duì)爆破片的力的作用。