液化氣體汽車罐車安全附件失效模式分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

周偉明1，曹廣濱2，肖學文，耿婉懿1，李 垚2，周 森

(1.上海市氣體工業(yè)協(xié)會，上海 200030；2.雷舸流體科技(上海)有限公司，上海 201202；3.荊門宏圖特種飛行器制造有限公司，湖北荊門 448000)

0 引言

隨著我國石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展，危險化學品的運輸量也在迅速增加，汽車罐車運輸在危險化學品運輸中占相當大的比例，其本質(zhì)安全直接影響著社會公共安全。汽車罐車一旦發(fā)生事故，其危害性不可小覷，歷年來發(fā)生的特大事故，無一不證明了這一點。

2005年京滬高速公路淮安段“3·29”特大液氯罐車泄漏事故；2014年晉濟高速“3·1”特別重大燃爆事故；2017年臨沂金譽石化有限公司“6·5”液化石油氣汽車罐車泄漏重大爆炸著火事故等，都造成巨大的人員、財產(chǎn)損失。事后分析證實，這三起特大事故均由于安全附件配置不合理或失效而導致嚴重后果，最終釀成災害。

在移動式壓力容器中，液化氣體汽車罐車(以下簡稱罐車)的潛在危險性大，使用和管理復雜，具有獨特的代表性。因此，本文主要以罐車安全附件為典型案例，通過對罐車高風險使用場合，以及其安全附件可能的失效模式和影響因素，對我國罐車安全附件失效模式相關(guān)因素進行分析，同時對國外同類產(chǎn)品安全性進行研究對比，結(jié)合中國國情，提出罐車安全附件新的設(shè)計思路，供罐車及罐車安全附件的設(shè)計、制造單位參考。

1 安全附件失效模式分析

罐車的安全附件包括安全泄放裝置、緊急切斷裝置、阻火器、導靜電裝置等。其中，安全泄放裝置一般分為安全閥、爆破片裝置及其組合裝置等；緊急切斷裝置一般由緊急切斷閥、遠程控制系統(tǒng)、易熔合金塞、過流控制閥等組成。

罐車主要泄漏失效有罐體裝卸口的緊急切斷裝置失效、裝卸系統(tǒng)的管路接頭失效，以及罐體的安全泄放裝置失效等，不同的失效部位均可能造成介質(zhì)大量泄漏，從而引發(fā)后續(xù)嚴重的次生危險。通常情況下，罐車必需設(shè)置的安全附件為安全閥和緊急切斷閥，如圖1所示。該安全附件的選擇與設(shè)置，對罐車的安全具有舉足輕重的作用，以下對兩種安全附件的失效模式作相關(guān)分析。

(a)

(b)

(c)

圖1 罐車及安全附件結(jié)構(gòu)示意

1.1 安全閥失效模式分析

罐車安全閥用于罐體超壓泄放，主要防止罐體超壓破損。我國現(xiàn)有罐車采用法蘭連接的內(nèi)置式安全閥，設(shè)置在罐車頂部，其閥瓣開啟處密封面以及安全閥與罐體連接處密封面均高于罐體頂部外表面較多，安全閥裸露在罐體外部的高度約100～150 mm，雖根據(jù)相關(guān)國家標準要求，在罐體頂部設(shè)置有罐車傾覆保護裝置(如圖2所示)，但是，罐車過橋洞因意外碰撞或翻車時，將直接或可能會損壞安全閥。

圖2 罐車傾覆保護裝置結(jié)構(gòu)示意

由于罐車使用工況復雜，導致安全閥失效的因素較多,根據(jù)安全閥結(jié)構(gòu)形式和特點，以及其外力撞擊、介質(zhì)腐蝕等因素引起的失效，大致可以分為以下三種情況。

(1)在超壓或腐蝕情況下，安全閥不能正常開啟。例如，安全閥的密封材料，因長期受壓，產(chǎn)生蠕變或粘附，以致影響安全閥動作壓力和正常開啟、泄放；彈簧受罐體內(nèi)介質(zhì)腐蝕，脆化變硬，使安全閥動作壓力偏高等，都使得安全閥不能正常開啟。

(2)安全閥自身質(zhì)量問題而產(chǎn)生意外泄放。對于彈簧直接載荷式安全閥，彈簧因受罐內(nèi)介質(zhì)壓力的變化而不斷產(chǎn)出的交變載荷作用，十分容易形成疲勞裂紋，當裂紋不斷擴展后易導致彈簧斷裂；液化氣體中含有如硫化氫等腐蝕性氣體，因其侵蝕安全閥彈簧，造成彈簧應(yīng)力腐蝕斷裂[1-2]；閥體因體積大，質(zhì)量大，抗振動性能差，使得閥體與罐體的連接失效或斷裂；閥體及連接部件受到雨水等侵蝕，降低連接強度和剛度，形成安全隱患等，都使得安全閥在正常工況下泄放。

(3)在安全閥意外碰撞情況下，造成罐體泄漏。頂部設(shè)置安全閥的罐車在通過較低的橋洞或隧道時(如圖3所示)，因安全閥高于洞頂最低點，行車過程中未能及時剎車，從而導致安全閥被撞擊后斷裂而泄漏。此外，在遇到交通事故導致側(cè)翻時，暴露在罐體最頂部的安全閥極易受到猛烈撞擊，發(fā)生破裂損毀的同時導致罐內(nèi)危險介質(zhì)大量泄漏、甚至拉裂罐體，造成重大安全事故。同時，在這兩種狀態(tài)下，罐體頂部設(shè)置的罐車傾覆保護安全閥裝置將有可能起不到對安全閥的保護作用。筆者認為，對于此類因安全閥高出罐體結(jié)構(gòu)而造成事故的風險，結(jié)合國際成熟產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)驗，對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，可降低意外事故的發(fā)生。

圖3 液化石油氣汽車罐車安全閥撞擊泄漏事故現(xiàn)場

1.2 緊急切斷閥失效模式分析

緊急切斷閥的主要功能是，當罐車在裝卸作業(yè)時，可能遇到裝卸管脫落、火災等緊急情況，可通過采取手動或自動的方式來快速關(guān)閉閥門，使罐體儲運介質(zhì)不發(fā)生大量外泄。同時，通過內(nèi)置過流保護裝置，當通過緊急切斷閥的介質(zhì)流量超過設(shè)定值時，緊急切斷閥能夠起到自動關(guān)閉作用，避免事故和危害。

緊急切斷閥正常工況下使用，其本身出現(xiàn)突發(fā)狀況導致失效的可能性較少。其失效往往是因為外部原因造成的，如汽車的追尾或側(cè)翻、操作不當、外力沖擊、火災等情況，破壞了閥體或開啟關(guān)閉機構(gòu)而不能發(fā)揮其緊急切斷作用，從而引發(fā)意外泄漏，導致事故。對于這些外部原因?qū)е碌囊馔馐В枰紤]閥的優(yōu)化和改進。通過國內(nèi)外生產(chǎn)的緊急切斷閥結(jié)構(gòu)對比研究發(fā)現(xiàn)，在突發(fā)意外或操作不當情況下，引起閥體破壞或斷裂時，歐美等國家在閥體結(jié)構(gòu)上采取設(shè)有剪式結(jié)構(gòu)(又稱剪切槽結(jié)構(gòu))的安全機構(gòu)，來避免罐體內(nèi)的氣體或液體大量泄漏，防止產(chǎn)生次生災害。圖4,5示出國內(nèi)外典型的罐車用緊急切斷閥的結(jié)構(gòu)，可清晰地看出有無剪式結(jié)構(gòu)的差異。

圖4 國內(nèi)典型緊急切斷閥結(jié)構(gòu)示意

圖5 國外典型緊急切斷閥結(jié)構(gòu)示意

2 安全附件新設(shè)計思路

為提高罐車安全性，針對其存在的問題，調(diào)研國際上同類產(chǎn)品的安全舉措，并結(jié)合我國國情，對我國該類安全附件進行了優(yōu)化設(shè)計，下文就新的設(shè)計思路、結(jié)構(gòu)和功能作簡要說明。

2.1 安全閥

目前，我國普遍使用的罐車為法蘭連接的內(nèi)置式安全閥，主要設(shè)置在罐車頂部，成為罐車的最高點。當罐車發(fā)生碰撞或側(cè)翻時，該類安全閥極易發(fā)生密封失效，導致罐內(nèi)危險介質(zhì)大量泄漏。這類風險的存在與安全閥的高度相關(guān)，成為安全閥失效模式中特別突出的問題。但是，由于我國內(nèi)置式安全閥采用法蘭式連接方式的本身結(jié)構(gòu)原因，無法對閥體高度進行大幅度優(yōu)化和改進。

因此，經(jīng)過大量考察、收集和研究工作，發(fā)現(xiàn)在歐美等危險品運輸發(fā)達國家汽車罐車采用安全閥的閥體連接方式一般為錐密封管螺紋(如NPT螺紋)形式，這種連接形式可以很大程度上減小閥體體積和整個閥的質(zhì)量；并且，錐螺紋密封，既保證了閥的防松和抗振動性能，又有利于閥的密封可靠，避免了法蘭連接中非金屬密封件的老化。但是，由于我國移動式壓力容器定期檢驗要求，安全閥需每年進行拆卸校驗，而錐螺紋需要依靠相應(yīng)的扭矩安裝來實現(xiàn)密封效果，反復拆卸將容易破壞螺紋。因此，結(jié)合國情，特別提出采用直螺紋結(jié)構(gòu)的新型安全閥來實現(xiàn)完全下沉式安裝，如圖6,7所示。新型直螺紋安全閥結(jié)構(gòu)主要特點為：可以反復拆裝，在螺紋下面設(shè)置密封圈，一方面避免非金屬材料的密封圈接觸空氣老化；另一方面阻止了罐內(nèi)介質(zhì)直接接觸螺紋，造成螺紋應(yīng)力腐蝕。另外，在螺紋頂端增設(shè)防火墊片，既可以有效防止意外火災時對橡膠密封圈的損壞，也可以阻止雨水或外界雜質(zhì)侵蝕閥體螺紋。對于采用這種直螺紋連接的形式，可以保證閥體與國外錐螺紋連接形式具有同樣小的體積和同樣輕的質(zhì)量，且可以進一步降低安裝高度，使安全閥與罐體頂部基本齊平。在細節(jié)上，新結(jié)構(gòu)安全閥還設(shè)置有防松鎖緊螺釘，使閥整體的抗振性能加強；安全閥彈簧的設(shè)計采用大的長細比，可有效減少彈簧疲勞斷裂的風險。同時，通過設(shè)置防雨保護蓋，解決了可能因積水而影響安全閥正常泄放的問題。

圖6 傳統(tǒng)安全閥結(jié)構(gòu)示意

圖7 新型直螺紋安全閥結(jié)構(gòu)示意

這種新型直螺紋完全下沉式安裝的安全閥，其連接可靠、拆裝方便，可以滿足我國定期檢驗的基本要求，且同等泄放量下，其直徑大幅度減小，從而減輕安全閥閥體重量，增強抗振動性能，更加安全、經(jīng)濟。特別要說明的是，該新型安全閥的整體質(zhì)量只有目前市場上同等法蘭型安全閥質(zhì)量的1/5。

2.2 緊急切斷閥

對于罐車發(fā)生裝卸軟管意外脫落、管路元件的破損斷裂、火災等事故工況時，緊急切斷閥都可以及時關(guān)閉，對罐車起到很好的安全防護作用。如前文所述，罐車遇到追尾或側(cè)翻等意外交通事故時，緊急切斷閥的失效多發(fā)生在因閥體受外力沖擊而斷裂時；并且，由于閥體部分裸露在罐體外部，在遇到巨大外力沖擊時，斷裂易發(fā)生在閥體部分，罐車儲運介質(zhì)向外泄漏，以致造成不可控的災害。

圖8 新型緊急切斷閥結(jié)構(gòu)

通過對國外同類產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)進行分析研究，發(fā)現(xiàn)歐美的緊急切斷閥有兩個突出的特點：(1)如安全閥一樣，其緊急切斷閥多采用錐螺紋連接，同樣，這種連接形式可以使閥體體積和整個閥的質(zhì)量大幅度減小，增強了抗振動性能，提高密封性能，在此不再贅述；(2)國外的緊急切斷閥在閥體與罐口連接處都設(shè)計成剪式結(jié)構(gòu)[3]。剪式結(jié)構(gòu)設(shè)在閥體根部，其設(shè)計尺寸依據(jù)指定載荷下的計算結(jié)果確定，以確保當閥體受到外力沖擊時，閥體在剪式結(jié)構(gòu)處最先斷裂，且此時法蘭或錐螺紋與罐體凸緣連接正常，處于罐體內(nèi)部的閥門密封部件沒有受損，可以自行閉止密封或利用內(nèi)外壓差啟動過流保護裝置，防止介質(zhì)大量泄漏。這種剪式結(jié)構(gòu)大大增加了緊急切斷閥的安全性，值得我國借鑒和利用。由此，提出新型緊急切斷閥采用剪式結(jié)構(gòu)設(shè)計概念，優(yōu)化閥體結(jié)構(gòu)，如圖8所示，其作用機理如圖9所示。當緊急切斷閥受外力碰撞或撬動時，閥體最先從剪式結(jié)構(gòu)處分離，留在罐內(nèi)的緊急切斷閥依然保持密封狀態(tài)，避免介質(zhì)大量泄漏。

圖9 新型緊急切斷閥剪式結(jié)構(gòu)工作原理

關(guān)于剪式結(jié)構(gòu)的設(shè)計和測試的相關(guān)技術(shù)要求，可以參考美國標準TTMA RP No.86-15[4]、UL 125[5]以及歐洲標準EN 13175[6]等的規(guī)定。

3 結(jié)語

我國與國外的罐車安全附件有一個明顯的區(qū)別，即國外安全附件連接方式多采用錐螺紋連接，而國內(nèi)則采用法蘭連接。國內(nèi)采用法蘭連接主要是考慮定期檢驗周期，便于安全附件反復拆卸和安裝。但是，通過比較，法蘭連接往往體積大、質(zhì)量大，并且有一定的外露高度，既不經(jīng)濟，也不安全。同時，法蘭連接的強度取決于單個螺栓螺紋連接的強度，其連接方式在受外力沖擊時與閥體整體螺紋連接相比，沒有任何優(yōu)勢。相對而言，錐螺紋連接可以使閥的體積和質(zhì)量大大減小，通過相應(yīng)的扭矩安裝，錐螺紋干式密封，保證連接可靠，密封有效；但其缺點是，不能反復拆卸安裝。查閱國際上有關(guān)的技術(shù)規(guī)范和標準，發(fā)現(xiàn)歐美應(yīng)用此結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，其定期檢驗周期都是5年一檢或10年一檢[7]。例如，美國丙烷氣體協(xié)會(NPGA)就3500加侖以下的小型罐車安全附件延長檢驗周期到10年，經(jīng)過專門的測試和驗證，并最終通過美國交通部(DOT)的認可。

我們也注意到，國內(nèi)安全閥時有彈簧斷裂的情況發(fā)生，所以更需重視每年進行檢查，從而防止安全閥的失效。經(jīng)過調(diào)研，發(fā)現(xiàn)有兩個問題值得關(guān)注：(1)彈簧材料耐硫化氫腐蝕性能必須提高，現(xiàn)市場上已有專門耐硫化氫腐蝕的彈簧材料，在今后的材料應(yīng)用上可考慮使用；(2)建議加大彈簧的長細比，以減少彈簧長期受壓狀態(tài)下的疲勞斷裂風險。以上這些問題，與提高安全附件產(chǎn)品的可靠性密切關(guān)聯(lián)。此外，在能夠消除產(chǎn)品失效隱患的情況下，如果考慮延長我國安全技術(shù)規(guī)范對安全附件的檢驗周期，安全附件可采用錐螺紋結(jié)構(gòu)，既可以保證安全、提高經(jīng)濟性，也減少了檢修頻次，避免不必要的引發(fā)安全事故因素，例如，檢修時氣密性檢測，罐內(nèi)殘液的排放和處理，閥門多次安裝的密封面損傷、失效等。

綜上，本文認為通過選用優(yōu)化改進結(jié)構(gòu)的安全閥、緊急切斷閥等安全附件，可以解決目前我國汽車罐車關(guān)鍵安全附件在實際使用工況下存在的多種潛在安全隱患，大幅提升我國汽車罐車本質(zhì)安全性能，有效地降低因各類意外事故引起的災害及次生災害發(fā)生概率，為我國汽車罐車運輸安全提供強有力的保障。