高海拔條件液化石油氣鋼瓶充裝過程的承壓性能

黃 鵬，馬 俊，次仁朗杰，格桑加措，段守富，蒲琳琳，王 夢

(1.西藏自治區(qū)山南市市場監(jiān)管管理局，西藏山南 856007；2.綿陽師范學(xué)院機電工程學(xué)院，四川綿陽 621006；3.綿陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息學(xué)院，四川綿陽 621000)

0 引言

液化石油氣(Liquefied Petroleum Gas，簡稱LPG)在日常生活中被廣泛使用，作為載體的液化石油氣鋼瓶(以下簡稱鋼瓶)是盛裝LPG的特種設(shè)備，其安全性受到人們普遍關(guān)注.鋼瓶爆炸、泄漏燃燒等事故嚴重威脅著人民群眾生命財產(chǎn)安全.鋼瓶爆炸原因主要有：過量充裝、高溫烘烤、機械碰撞、設(shè)備缺陷等，特別是在高海拔地區(qū)，外部大氣壓低，氣溫變化大，使得鋼瓶內(nèi)外壓差增大，在液化石油氣充裝和使用過程中，鋼瓶承壓性能值得人們高度重視.

國內(nèi)外學(xué)者對鋼瓶的安全性能進行了很多有益探索.李保緒[1]等采用鉆孔法對液化石油氣鋼瓶的環(huán)焊縫、角焊縫和封頭位置的殘余應(yīng)力分布特性進行了研究.范曉東[2]等采用故障樹分析法(FTA)及失效模式與影響分析法(FMEA)對液化石油氣鋼瓶風(fēng)險分析和全流程故障及失效模式進行了研究.王華明[3]等通過斷口電鏡分析、金相分析、能譜分析等手段，對YSP35.5型液化石油氣鋼瓶爆炸進行研究，現(xiàn)場勘查表明，斷口顯微形貌為韌窩狀，說明鋼瓶受熱導(dǎo)致瓶內(nèi)介質(zhì)壓力升高而爆裂.張小良[4]等通過改變設(shè)置剩余質(zhì)量等不同參數(shù)，運用ALOHA軟件對比分析瓶裝LPG發(fā)生蒸氣云爆炸(UVCE)、沸騰液體擴展為蒸氣爆炸(BLEVE)的沖擊波及影響因素，結(jié)果表明，同樣條件下BLEVE比UVCE事故傷害范圍大.ZHANG[5]等研究了液化石油氣爆炸的影響因素，并進行了量化分析.BARIHA[6]等對運輸過程中液化石油氣鋼瓶的爆炸危險進行了分析發(fā)現(xiàn)：機械碰撞是引發(fā)爆炸的一個重要因素.LEAL[7]等對承壓容器內(nèi)液化石油氣爆炸風(fēng)險進行了評估與分析.眾多學(xué)者做了大量貢獻，但在高海拔條件下，對鋼瓶承壓性能進行專題研究甚少.

西藏山南地區(qū)平均海拔在3 600 m以上，個別使用液化石油氣的鄉(xiāng)鎮(zhèn)在4 500 m以上，大氣壓低，晝夜溫差大，具有典型的高原氣候特征，在山南地區(qū)進行試驗，以研究高海拔條件下液化石油氣鋼瓶充裝和使用過程中的承壓性能，對于高海拔鋼瓶監(jiān)管就具有普遍參考價值.

1 介質(zhì)與鋼瓶

LPG主要是丙烷、丙烯和丁烯的混合物.LPG在常壓下為氣態(tài)，密度是空氣的1.5～2.0倍，經(jīng)過降溫和加壓處理后成為液態(tài)，其密度約為水的1/2，揮發(fā)性強，燃點低，熱值大，爆炸上限33.0%，爆炸下限5.0%.LPG在壓力作用下灌入鋼瓶并貯存，因此要求鋼瓶能承受一定的壓力.鋼瓶的設(shè)計壓力是16.0 kg/cm2，它是根據(jù)純丙烷在48.0℃時飽和蒸汽壓確定的.因為同樣的溫度下，液化石油氣的各種成分中，以丙烷的蒸汽壓最大.正常情況下，鋼瓶內(nèi)的壓力不會達到16.0 kg/cm2.按照GB15380-2001標(biāo)準和規(guī)范，液化石油氣鋼瓶均以優(yōu)質(zhì)鎮(zhèn)靜鋼制作，鐵含量大于97.0%，碳含量0.13%～0.18%，錳含量0.80%～1.50%，經(jīng)沖壓拉伸成型，上下兩個橢圓型封頭構(gòu)成瓶體和底座及瓶閥護罩等，鋼瓶內(nèi)壁環(huán)焊縫處有一環(huán)狀襯圈.

鋼瓶承壓性能差會先引起物理爆炸，物理爆炸是指物質(zhì)因狀態(tài)或壓力發(fā)生突變等物理變化引起的爆炸.物理爆炸后往往會引起化學(xué)爆炸.化學(xué)爆炸是指由物質(zhì)發(fā)生極迅速的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生高溫、高壓而引起的爆炸，化學(xué)爆炸前后物質(zhì)的性質(zhì)和成分均發(fā)生了根本的變化，危害更大.在監(jiān)管過程中需要對已有的鋼瓶，進行強度校核和應(yīng)力分析，保證鋼瓶的安全使用.鋼瓶公稱工作壓力一般為鋼瓶的耐壓試驗壓力，是指60 ℃時的飽和壓力，通常鋼瓶公稱工作壓力為2.1 MPa.鋼瓶的試驗壓力包括耐壓試驗壓力和氣密性試驗壓力，按照國家規(guī)定，在做焊接鋼瓶的耐壓試驗時，水壓是1.5倍公稱工作壓力，鋼瓶的另外一項爆破安全系數(shù)是指實際水壓爆破壓力與公稱工作壓力的比值，鋼瓶的爆破安全系數(shù)應(yīng)當(dāng)大于或者等于3.0.

考慮溫度對材料各項性能的影響，其對材料的屈服強度也會產(chǎn)生一定的影響，現(xiàn)取鋼瓶材料屈服強度為355 Mpa，利用已建立的溫度相關(guān)性屈服強度模型(TDYS Model)，分別計算在室溫20 ℃和60 ℃的屈服強度，從而確定溫度變化對屈服強度的影響.溫度相關(guān)性屈服強度模型(TDYS Model)如(1)式所示，式中VT、ET和σ(T)分別是T溫度下材料的泊松比、彈性模量和屈服強度，Tm是熔點溫度，取為1 495 ℃，σ(To)、VTo、ETo分別是材料參考溫度T0下的屈服強度、泊松比和楊氏模量，一般將T0設(shè)置為室溫20 ℃.

(1)

由上式計算得到，假設(shè)安全系數(shù)為3.0，在60 ℃、20 ℃時，其屈服強度分別為349、354 Mpa，其所能承受的應(yīng)力大小分別取為116.33、117.94 Mpa.因此，在海拔不同的地方，由于溫度的變化，將會導(dǎo)致材料屈服極限發(fā)生改變，使得它的最大充裝量也會發(fā)生改變.試驗用鋼瓶，屬薄壁高壓鋼瓶，其圓筒的壁厚相對于半徑小很多時，圓筒斷面上承受彎矩的能力很小，筒壁主要承受的是拉力或壓力，因此，可近似的認為應(yīng)力在整個筒壁上，沿壁厚方向是均勻分布的，在整個筒壁上，在兩端與中部連接處有焊縫連接的地方，是最薄弱的位置.

再考慮鋼瓶的底部受壓力所產(chǎn)生的應(yīng)力大小.常見的鋼瓶上下部分是橢圓形封頭和中間圓筒兩部分組成.由于橢圓部分的曲率是連續(xù)變化的，所以，它的應(yīng)力分布比較均勻，受力情況較好.橢圓形封頭的高度比較球形封頭為小，制造比較方便，在壓力容器、石油化工設(shè)備中也廣泛應(yīng)用.為了保證橢圓形封頭的形狀準確，橢圓形封頭均采用模壓成型，橢圓形封頭已有統(tǒng)一的標(biāo)準，標(biāo)準橢圓形封頭的長短軸之比為2.5～1.66.在此范圍內(nèi)封頭的應(yīng)力分布規(guī)律大致如圖1所示，其環(huán)向應(yīng)力及徑向應(yīng)力的最大值均在封頭頂部.橢圓形封頭在半橢球殼與直邊連接處是存在邊緣應(yīng)力的，由于其值不大，所以在計算中沒有考慮.可知其在底部由于受壓所產(chǎn)生的應(yīng)力大小，沒有前面在瓶身上所產(chǎn)生的正應(yīng)力大，所以不是最危險的地方.

圖1 橢圓形封頭應(yīng)力分布規(guī)律大致示意圖

2 試驗

以規(guī)格15 kg鋼瓶為例.壁厚2.5 mm左右，內(nèi)部壓力為0.5～1.2 MPa.采用標(biāo)稱電阻350 Ω的應(yīng)變片檢測鋼瓶應(yīng)變，按照鋼瓶外形和應(yīng)變片的特征，在鋼瓶內(nèi)部和鋼瓶外部的上下部位，都不適合粘貼應(yīng)變片，選擇將應(yīng)變片貼在鋼瓶豎直部位，共8片，分布在前后左右四個位置，沿周向展開的8片應(yīng)變片按照圖2所示方式粘貼，數(shù)字是各應(yīng)變片的編號.由于鋼瓶內(nèi)部氣壓特征，1、2、3、4號應(yīng)變片承受壓縮變形，5、6、7、8承受拉伸變形.將8片應(yīng)變片按照圖3方式連接成橋接電路.

假設(shè)縱向應(yīng)變?yōu)棣舩，橫向應(yīng)變?yōu)棣舮，材料泊松比為μ，則εx=-μεy

1、2、3、4號應(yīng)變片主要測試εy，5、6、7、8號應(yīng)變片主要測試εx.

但是，在鋼瓶內(nèi)壓力作用下，環(huán)向界面受力，會導(dǎo)致εx、εy反向變化，不再滿足泊松比的關(guān)系.取一微小單元，三維受力情況如圖4所示.Z向是壁厚方向，其變形量很小，因此，忽略Z向受力變形，而X、Y向剛好就是我們應(yīng)變片粘貼方位，于是，壁面受力可以近似為平面應(yīng)力狀態(tài).

圖4 壁面微小單元受力分布情況

體應(yīng)變θ=(V’-V)/V=εx+εy+εz，用應(yīng)力表達體應(yīng)變?nèi)缦率剿荆?/p>

式中：σm=(σ1+σ2+σ3)/3是平均應(yīng)力，E/(3(1-2μ))是體積彈性模量.

再假設(shè)各應(yīng)變片測試的應(yīng)變分布均勻，由εx引起的應(yīng)變電阻變化值為△Rx=Kεx，則由εy引起的應(yīng)變片電阻變化值為△Ry=Kεy.

因而，圖3中的U1和U2分別為：

(2)

(3)

于是，電壓輸出：

(4)

材料的彈性模量E近似為常數(shù)，應(yīng)力σm與瓶內(nèi)外壓力差成正比：

圖5 信號放大電路

(5)

不同海拔高度對氣瓶強度的影響主要是氣壓和氣溫差，而氣壓只影響環(huán)境壓力，因此，P外=P外(H)，瓶內(nèi)壓力取決于氣溫差ΔT和加裝量m，P內(nèi)=P內(nèi)(ΔT，m)，因此，(5)式可變換為：

(6)

基于(6)式，選擇如下三個測試步驟：

(1)對鋼瓶分別加裝2、4、6、10、13、15 kg液化氣，在同一加裝量情況下，分別在實驗室環(huán)境溫度為5、10、15、20、25、30 ℃下，每個溫度點持續(xù)4 h，然后采集對應(yīng)溫度的鋼瓶內(nèi)壓力，得到的曲線如圖6所示.由圖6中數(shù)據(jù)可見，充裝量對瓶內(nèi)壓力有影響，隨著充裝量增加，瓶內(nèi)壓力增大.在同一溫度下，充裝量在10 kg以下，瓶內(nèi)壓力隨充裝量增加線性增加；在充裝量大于10 kg以上，瓶內(nèi)壓力增加了非線性成分.這是因為隨著充裝量增加，瓶內(nèi)剩余氣相空間所占比例改變，引起瓶內(nèi)壓力非線性增加.但溫度變化對瓶內(nèi)壓力的影響更加明顯.隨著環(huán)境溫度的增加，瓶內(nèi)壓力增加幅度較大.這表明鋼瓶對工作環(huán)境溫度靈敏度較大，在監(jiān)管時需要特別留意.

(2)在8個不同海拔高度：5.0、4.5、4.0、3.5、3.0、2.5、2.0、1.5 km下進行加壓試驗.在每個海拔高度，采用高壓氮氣給鋼瓶加壓，注入過程中，每增加2 atm，采集一次應(yīng)變值，直到鋼瓶內(nèi)壓力P內(nèi)達到20 atm(理論極限為21 atm)，從而測得不同海拔高度下，鋼瓶內(nèi)壓力和鋼瓶體結(jié)構(gòu)應(yīng)變值的關(guān)系曲線，如圖7所示.測試結(jié)果表明，海拔高度對鋼瓶體強度有影響.隨著海拔增高，鋼瓶內(nèi)外壓差增加，鋼瓶體應(yīng)變值增加，鋼瓶的承壓強度變小.在測試范圍內(nèi)，瓶內(nèi)外壓差和鋼瓶的變形呈現(xiàn)線性關(guān)系.這是因為試驗壓力處于鋼瓶材料的比例階段范圍內(nèi).

(3)選擇海拔高度5.0 km(西藏山南地區(qū))，進行極限加壓實驗，加壓過程中，連續(xù)采集得到的試驗數(shù)據(jù)，在條件允許的情況下，直到鋼瓶爆破.如果加壓到24.1 atm(極限值的115%)，鋼瓶沒有爆破，停止加壓，結(jié)束爆破實驗.采集加壓全過程對應(yīng)的應(yīng)變值，經(jīng)換算得到的試驗數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8所示.從圖中可以看出，實驗壓力加到24.1 atm，鋼瓶沒有爆破，但曲線在23.6 atm時，偏離了線性變化，說明此時氣瓶出現(xiàn)屈服變形.

圖8 爆破實驗數(shù)據(jù)結(jié)果

選擇安全系數(shù)為1.3，則許用壓力：[p]=23.6/1.3≈18 atm.如果加裝過程初始壓力為6.3 atm(實測數(shù)據(jù))，則因溫度升高瓶內(nèi)許用壓升閾值為11.7 atm.西藏山南地區(qū)最近時段和歷史時段的氣溫統(tǒng)計如表1所示.

表1 山南地區(qū)最近時段和歷史時段的氣溫統(tǒng)計表

可見，山南地區(qū)日溫差接近20 ℃，月溫差達到30 ℃以上，最大值達到37 ℃.按照30 ℃作為鋼瓶工作環(huán)境溫差，由圖6測試數(shù)據(jù)結(jié)果可知，瓶內(nèi)壓力變化將達到12.36 atm，超過了因溫度升高的許用壓升閾值11.7 atm.從圖6曲線查詢得到，許用壓升閾值11.7 atm對應(yīng)的充裝量為13.84 kg，因此，為了保障安全，在高海拔地區(qū)，鋼瓶加裝量應(yīng)該適當(dāng)減少.

3 結(jié)論

(1)海拔高度對鋼瓶承壓性能有影響，隨著海拔增高，瓶內(nèi)外壓差增加；溫差大，鋼瓶承壓性能減弱.在山南等高海拔地區(qū)，鋼瓶石油液化氣充裝量不應(yīng)超過13.84 kg；

(2)隨著充裝量增大，瓶內(nèi)壓力增大，近似線性關(guān)系；

(3)工作環(huán)境溫度對鋼瓶內(nèi)壓力的影響明顯，應(yīng)作為監(jiān)管的重點.