車(chē)用LNG氣瓶副安全閥泄放口設(shè)置的思考

劉相庭 賀小剛 呂 洪

（北京市特種設(shè)備檢測(cè)中心，北京 100029）

0 概述

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡(jiǎn)稱(chēng)LNG）作為一種替代原油車(chē)用燃料，因其具有緩解環(huán)境污染壓力、減少有害氣體排放和降低生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的青睞。我國(guó)在2000 年左右，大力發(fā)展車(chē)用LNG 氣瓶技術(shù)，現(xiàn)已完成1 000 L 氣瓶商品化，正在研發(fā)1 350 L 氣瓶[1]。受惠于LNG 氣瓶存儲(chǔ)氣量大的優(yōu)點(diǎn)，車(chē)用LNG 氣瓶在公交車(chē)和重卡車(chē)上得到了廣泛的應(yīng)用。但是天然氣是易燃易爆和窒息性氣體，且LNG 在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下存儲(chǔ)溫度在-162℃以下，LNG 在異常狀態(tài)下導(dǎo)致的超壓危害和其次生危害成為車(chē)用LNG 氣瓶主要危害[2]。因此，LNG 氣瓶一般在內(nèi)膽設(shè)計(jì)有兩級(jí)安全閥，對(duì)氣瓶進(jìn)行超壓保護(hù)。某2 個(gè)廠家的2 類(lèi)車(chē)用LNG 氣瓶工作壓力均為1.59 MPa，在超壓狀態(tài)下，主安全閥在1.90 MPa 開(kāi)啟泄壓；當(dāng)主安全閥失效時(shí)，副安全閥在2.41 MPa 開(kāi)啟泄壓，安全閥的布置如圖1 所示。

圖1 車(chē)用LNG 氣瓶?jī)杉?jí)安全閥

由圖1 可知，主安全閥由專(zhuān)用管路將超壓天然氣導(dǎo)出至瓶閥以外的安全區(qū)域，副安全閥用防塵橡膠塞封堵。車(chē)用LNG 氣瓶因低溫絕熱氣瓶設(shè)計(jì)原理和使用工況，在正常使用狀態(tài)下，主安全閥周期性開(kāi)啟閉合，因此主安全閥存在異物堵塞或冰霜凍結(jié)而失效的可能性，這種情況下副安全閥在2.41 MPa 壓力開(kāi)啟泄放。該文就目前市面流通的某兩廠家的兩類(lèi)車(chē)用LNG 氣瓶副安全閥橡膠塞封堵設(shè)計(jì)提出質(zhì)疑，并加以分析，認(rèn)為該設(shè)計(jì)可能存在安全隱患，引發(fā)次生事故。

1 標(biāo)準(zhǔn)分析

車(chē)用LNG 氣瓶是一種焊接絕熱氣瓶，屬于《特種設(shè)備目錄》中的特種氣瓶。車(chē)用LNG 氣瓶的設(shè)計(jì)、制造、安裝和使用過(guò)程需要符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，這些過(guò)程中主要涉及9 項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，見(jiàn)表1。

表1 車(chē)用LNG 氣瓶安裝監(jiān)督檢驗(yàn)涉及標(biāo)準(zhǔn)

在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，明確提出安全泄放裝置出口設(shè)置要求的標(biāo)準(zhǔn)有3 本，其名稱(chēng)和內(nèi)容有3 點(diǎn)。1）《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，5.2.2.2（5）安全泄壓裝置上氣體泄放出口的設(shè)置不得對(duì)氣瓶本體的安全性能造成影響。2）《汽車(chē)用液化天然氣氣瓶》，6.5.6 氣瓶安裝在汽車(chē)上時(shí)應(yīng)將泄壓管路的出口接引至安全位置排放。3）《液化天然氣汽車(chē)專(zhuān)用裝置安裝要求》，4.2.3.7 放空管路的放空口應(yīng)位于車(chē)輛頂部或尾部，應(yīng)設(shè)有防止雨水、灰塵進(jìn)入和聚積的結(jié)構(gòu)。

由上文標(biāo)準(zhǔn)可知：由安全閥泄放的超壓天然氣，應(yīng)被導(dǎo)離車(chē)用LNG 氣瓶，特別是瓶閥范圍，否則超壓天然氣引起的冰凍或者明火會(huì)導(dǎo)致瓶閥上其余附件失效，引發(fā)更大的安全事故。標(biāo)準(zhǔn)中提出的泄放口或泄放管路并沒(méi)有明確是單一主安全閥或是全部安全閥，結(jié)合主副安全閥的開(kāi)啟原理和實(shí)際使用工況，主安全閥在整車(chē)使用過(guò)程中存在失效的風(fēng)險(xiǎn)，因此車(chē)用LNG 氣瓶的主副安全閥泄放口的設(shè)置均應(yīng)該響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的要求，所以某兩廠家的兩類(lèi)車(chē)用LNG 氣瓶的副安全閥泄放口設(shè)置不規(guī)范。

2 超壓瞬時(shí)能量計(jì)算

目前市場(chǎng)流通的某兩廠家的兩類(lèi)車(chē)用LNG 氣瓶副安全閥采用橡膠塞封堵（圖1 所示的副安全閥部位），在副安全閥開(kāi)啟泄放超壓天然氣時(shí)，2.41 MPa 壓力會(huì)持續(xù)作用于橡膠塞直至其脫離副安全閥的銅管。這個(gè)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致橡膠塞加速，最終導(dǎo)致其彈射。橡膠塞被加速的運(yùn)動(dòng)過(guò)程符合牛頓第一、二運(yùn)動(dòng)定律，據(jù)此可以計(jì)算橡膠塞彈射脫離副安全閥瞬間所具有的能量。

假設(shè)橡膠塞與安全閥之間的摩擦力忽略不計(jì)，橡膠塞被加速過(guò)程空氣阻力不計(jì)（因?yàn)榘踩y直管段表面光滑，超壓泄放狀態(tài)下2.41 MPa 壓力連續(xù)作用且壓力會(huì)略有升高），橡膠塞質(zhì)量為m，內(nèi)徑為r，內(nèi)表面面積s，包裹安全閥直段長(zhǎng)度為l，超壓泄放時(shí)作用在橡膠塞內(nèi)表面的壓強(qiáng)為P，壓力為F，脫離瞬間速度為v，橡膠塞彈射能量為E，符合如下公式計(jì)算：

市面上某兩廠家的兩類(lèi)車(chē)用LNG 氣瓶，在副安全閥設(shè)置的橡膠塞m 一般為4 g～6 g，r 約為22 mm，l 為18 mm～30 mm。

副安全閥超壓泄放時(shí)，橡膠塞的瞬時(shí)能量計(jì)算取最嚴(yán)苛工況的耦合條件，即m 為6 g，l 為30 mm，帶入公式計(jì)算后E=109.9J。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在副安全閥泄壓時(shí)，橡膠塞的彈射具有較大能量。雖然目前尚無(wú)文獻(xiàn)介紹沖擊能量對(duì)人體器官傷害閾值，但參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB6675—2003《國(guó)家玩具安全技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于彈射玩具能量動(dòng)能不能大于0.08 J，如大于則單位面積動(dòng)能不能大于 0.16 J / cm2的規(guī)定，橡膠塞彈射時(shí)，動(dòng)能109.9 J，單位面積動(dòng)能為7.23 J/cm2，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)閾值。解讀該條標(biāo)準(zhǔn)要求，彈射玩具主要預(yù)防對(duì)兒童眼球的傷害。眼球是人體里較脆弱器官，成人眼球比兒童眼球強(qiáng)韌有限，裝配好的車(chē)用LNG 氣瓶，副安全閥距地面高度約1.71 m～1.77 m，恰好處于成人直立眼球高度范圍內(nèi)。車(chē)用LNG 氣瓶雖然有面罩遮擋，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中面罩時(shí)常丟失，并且在檢驗(yàn)過(guò)程中面罩始終處于拆卸狀態(tài)，因此副安全閥泄放引起的橡膠塞彈射存在人眼受傷風(fēng)險(xiǎn)。

3 優(yōu)化思路

針對(duì)副安全閥的安全隱患，泄放口的設(shè)置應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，并且兼顧避免橡膠塞彈射和異物堵塞2 個(gè)方面的需求，該文提供了以下3 種優(yōu)化方案。1）將橡膠塞平端封面開(kāi)孔，內(nèi)襯高目數(shù)濾網(wǎng)，同時(shí)在副安全閥泄放口直對(duì)氣瓶保護(hù)罩對(duì)應(yīng)處開(kāi)直徑大于橡膠塞直徑的圓孔或橢圓孔。橡膠塞的濾網(wǎng)設(shè)計(jì)會(huì)保證其防塵性，在副安全閥超壓泄放時(shí)，開(kāi)孔的橡膠塞不會(huì)彈射，同時(shí)開(kāi)孔的氣瓶保護(hù)罩會(huì)將大部分泄放的天然氣導(dǎo)離氣瓶，降低氣瓶其余安全附件失效風(fēng)險(xiǎn)。此方案增加了氣瓶制造成本，并且只在一定程度上降低了安全風(fēng)險(xiǎn)，并未徹底解決問(wèn)題。2）取消橡膠塞設(shè)計(jì)，每一個(gè)安全閥設(shè)置一條導(dǎo)氣管路，參照主安全閥泄放管路結(jié)構(gòu)，將超壓天然氣直接導(dǎo)離氣瓶。此方案泄放口設(shè)置安全可靠，但增加氣瓶制造成本，同時(shí)對(duì)氣瓶外觀一致性產(chǎn)生不利影響。3）取消橡膠塞設(shè)計(jì)，利用三通或四通，將副安全閥泄放管路并入主安全閥泄放管路。此方案相比于第二、三種方案，泄放口設(shè)置安全可靠，制造成本增加較少，氣瓶外觀改變不大，一致性較好，如圖2 所示。

圖2 副安全閥泄放口設(shè)置優(yōu)化思路

4 結(jié)論

該文從標(biāo)準(zhǔn)分析和超壓瞬時(shí)能量計(jì)算2 個(gè)角度，對(duì)市面某兩廠家的兩類(lèi)車(chē)用LNG 氣瓶副安全泄放口的設(shè)置合規(guī)性和安全性提出質(zhì)疑并加以分析。依據(jù)車(chē)用LNG 氣瓶相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)于安全閥泄放口設(shè)置不得對(duì)氣瓶本體安全性造成危害的要求，推論得出無(wú)法導(dǎo)離氣瓶瓶閥的超壓天然氣存在導(dǎo)致氣瓶其余附件失效的安全隱患；同時(shí)依據(jù)牛頓第一、二運(yùn)動(dòng)定律計(jì)算出副安全閥在工作時(shí)，現(xiàn)有方案橡膠塞將有109.9 J 的彈射能量，可能存在人眼受傷風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而總結(jié)出了某2 個(gè)廠家的2 類(lèi)車(chē)用LNG 氣瓶副安全泄放口設(shè)置不合理的結(jié)論。最后提出3 種優(yōu)化思路，建議取消橡膠塞設(shè)計(jì)，采用管路模式，利用三通或四通將副安全閥泄放管路并入主安全閥泄放管路，從而增加了車(chē)用LNG 氣瓶的副安全閥泄放口設(shè)置的合規(guī)性和安全性。