焊接絕熱氣瓶充裝系數(shù)取值探討

古海波，劉 巖，宋薛思

(大連鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院有限公司，遼寧 大連 西崗 新河街20號 116013)

0 引 言

焊接絕熱氣瓶是一種用來盛裝液氧、液氮、液氬、液體二氧化碳或LNG等低溫液體且可以重復(fù)充裝的氣瓶。焊接絕熱氣瓶主要由奧氏體不銹鋼內(nèi)膽、外殼、絕熱層及管路閥門等組成。內(nèi)膽用來儲存低溫液體，在其外壁纏繞有多層絕熱材料，內(nèi)膽和外殼之間的夾層被抽成高真空，共同形成良好的絕熱系統(tǒng)；在內(nèi)膽和外殼的兩端設(shè)計有支撐結(jié)構(gòu)，保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；管路系統(tǒng)包括具有充裝、用氣及增壓功能的閥門以及安全閥、爆破片等安全附件；管路外部設(shè)置有保護(hù)圈，用以保護(hù)管路及閥門免受撞擊。

近年來，焊接絕熱氣瓶被越來越廣泛的應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)社會的各個領(lǐng)域，其使用安全也越發(fā)重要。而對使用安全來說，防止過量充裝是非常重要的一項要求。

1 有關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)對焊接絕熱氣瓶充裝的規(guī)定

對于焊接絕熱氣瓶的充裝，TSG R0006—2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[1]第6.5.4條規(guī)定，應(yīng)當(dāng)對充裝量逐瓶復(fù)檢(車用焊接絕熱氣瓶除外)，嚴(yán)禁過量充裝，但未規(guī)定低溫液體的充裝系數(shù)。

GB/T 24159—2009《焊接絕熱氣瓶》[2]標(biāo)準(zhǔn)也未對氣瓶的最大充裝量予以規(guī)定，但卻要求在銘牌中刻印“最大充裝量”。

對于汽車用液化天然氣氣瓶，GB/T 34510—2017《汽車用液化天然氣氣瓶》[3]規(guī)定：氣瓶內(nèi)應(yīng)具有足夠的安全空間，充裝飽和蒸氣壓為0.8 MPa(表壓，下同)的LNG，且安全閥的排放壓力為1.6 MPa時，安全空間至少應(yīng)為內(nèi)膽總?cè)莘e的10%。對于允許充裝飽和蒸氣壓低于0.8 MPa的LNG的氣瓶，則應(yīng)根據(jù)LNG的充裝壓力和安全閥開啟壓力下的密度差來設(shè)計安全空間的容積。

《聯(lián)邦法典49號-危險物質(zhì)規(guī)則》(CFR 49)[4]第1章第173.316條規(guī)定：具有不同設(shè)定壓力安全閥的DOT-4L氣瓶的最大充裝量按照給定的表格規(guī)定(見表1)。

表1 CFR 49規(guī)定的充裝密度

2 明確充裝系數(shù)的必要性

充裝系數(shù)(單位一般為kg/L)指的是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的氣瓶單位水容積允許充裝的最大氣體重量。我們知道，氣瓶如果過量充裝，會造成重大安全隱患，最大充裝量作為重要的參數(shù)，設(shè)計時必須予以明確，且應(yīng)標(biāo)示在氣瓶銘牌中。對于氣瓶來說，充裝量的計算通常是由充裝系數(shù)乘以氣瓶公稱容積得到?！稓馄堪踩O(jiān)察規(guī)程》對液化氣體氣瓶規(guī)定了充裝系數(shù)的選取方法及常見液化氣體氣瓶的充裝系數(shù)，而對于焊接絕熱氣瓶，沒有明確的取值規(guī)定。因此在計算焊接絕熱氣瓶最大充裝量時，設(shè)計單位一般從其他相近的標(biāo)準(zhǔn)尋找依據(jù)。如，通常參考GB/T 18442.3—2011《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第3部分：設(shè)計》[5]對額定充滿率的規(guī)定進(jìn)行取值。該標(biāo)準(zhǔn)對額定充滿率的規(guī)定為：盛裝深冷介質(zhì)的容器，在初始充裝狀態(tài)下，充裝非易燃易爆介質(zhì)的液相空間應(yīng)不大于內(nèi)容器幾何容積的95%，充裝易爆介質(zhì)的液相容積應(yīng)不大于內(nèi)容器幾何容積的90%。因此，焊接絕熱氣瓶的設(shè)計單位設(shè)計時一般也按上述規(guī)定選取有效容積。但是，在計算最大充裝量時液體的密度又無據(jù)可查，因此在設(shè)計時還是會造成疑惑。因此，對于焊接絕熱氣瓶來說，在法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)中明確介質(zhì)的充裝系數(shù)極為必要。

3 充裝系數(shù)的影響因素

低溫液體在氣瓶內(nèi)的狀態(tài)為氣液雙相共存狀態(tài)，在平衡狀態(tài)下，瓶內(nèi)液體密度為飽和液體的密度，氣相壓力為飽和蒸氣壓。飽和液體的溫度越高，對應(yīng)的飽和蒸氣壓越大，密度則越小。使用過程中，隨著傳熱的累積，瓶內(nèi)液體溫度上升，體積膨脹，氣瓶內(nèi)壓升高，當(dāng)飽和蒸氣壓達(dá)到安全閥開啟壓力時，安全閥排放。焊接絕熱氣瓶中低溫液體的物態(tài)參數(shù)變化規(guī)律與液化氣體氣瓶中液化氣體的物態(tài)參數(shù)變化規(guī)律非常相似。因此，對焊接絕熱氣瓶充裝量的控制原則也應(yīng)該是確保液體溫度升高體積膨脹的情況下不滿液。

根據(jù)以上分析，充裝系數(shù)的影響因素可以歸納為以下幾點。

3.1 介質(zhì)種類

顯而易見，介質(zhì)不同，其密度自然不同，充裝系數(shù)也就不同。不同介質(zhì)在不同溫度下的密度可以通過查閱氣體手冊獲取。

另外，在設(shè)置安全系數(shù)時，還應(yīng)考慮介質(zhì)的危險特性。對于危險性高的介質(zhì)，可以適當(dāng)降低其充裝系數(shù)。

3.2 規(guī)定的氣相安全空間的大小

氣相安全空間的大小是充裝系數(shù)確定的前提，而氣相安全空間的大小是人為設(shè)定的，如可以規(guī)定液體極限膨脹后剩余的氣相安全空間量為3%或5%。TSG R0006—2014第6.6.1.1條對低壓液化氣體氣瓶充裝系數(shù)的要求為：充裝系數(shù)應(yīng)不大于在氣瓶最高使用溫度下液體密度的97%，也就是說，低壓液化氣瓶充裝后，瓶內(nèi)液體溫度升高至最高使用溫度下膨脹至最大體積后，還應(yīng)有3%的氣相安全空間。焊接絕熱氣瓶也可以參考這一規(guī)定來進(jìn)行要求，同時兼顧介質(zhì)的危險特性以及氣瓶使用的經(jīng)濟(jì)性，設(shè)置合理的安全空間。

3.3 安全閥開啟壓力

通過前述分析，焊接絕熱氣瓶充裝液體后，如果長時間未使用液體，液體溫度會升高，體積膨脹，氣瓶內(nèi)壓升高，直至安全閥開啟。安全閥的整定壓力設(shè)置越高，瓶內(nèi)液體的飽和蒸氣壓上升越高，其體積膨脹越多，液體膨脹所需的安全空間也越大，則應(yīng)規(guī)定越小的充裝系數(shù)。反之對于較低的安全閥整定壓力，則可以規(guī)定相對大的充裝系數(shù)。

因此，在確定充裝系數(shù)時，應(yīng)綜合考慮以上幾方面的因素。

4 結(jié) 論

1.應(yīng)盡快在法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)中對低溫液體的充裝系數(shù)進(jìn)行明確。

2.確定焊接絕熱氣瓶的安全系數(shù)時，建議在確保安全的原則下，兼顧氣瓶的使用經(jīng)濟(jì)性，按介質(zhì)種類和不同的安全閥整定壓力分別規(guī)定。