高海拔條件液化石油氣鋼瓶充裝過程承壓性能的研究

黃鵬 馬俊 次仁朗杰 格桑加措 段守富

（1、西藏自治區(qū)山南市市場監(jiān)督管理局，西藏 山南 856000 2、武漢秉奕和鑫科技有限公司，湖北 武漢 430000）

液化石油氣(Liquefied Petroleum Gas，簡稱LPG) 實際用途比較多，在市場上的需求量也較大。通常情況下，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、石油泄露、遇到明火而引燃石油氣等問題，都是目前比較常見的安全隱患。2015 年10 月10 日，蕪湖市某小吃店發(fā)生LPG 鋼瓶爆炸事故，造成17 人死亡；2016 年10 月31 日，六安市，一處液化氣換氣點發(fā)生鋼瓶爆炸事故，直接經(jīng)濟損失100 余萬元；2018 年9 月某市一居民家LPG 鋼瓶發(fā)生爆炸，導(dǎo)致廚房東。

北角墻體被炸開；2019 年10 月13 日上午，無錫市錫山區(qū)一處LPG 罐發(fā)生爆炸，造成9 人死亡，等等。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。我國各地區(qū)的海拔高度不同，通過總結(jié)安全事故的發(fā)生規(guī)律來看，在高海拔條件下，由于外部大氣壓低，氣溫變化大，使得鋼瓶內(nèi)外壓差增大，是引發(fā)安全風(fēng)險的根本因素。因此，在新時期相關(guān)專業(yè)人才都在積極研究提升鋼瓶承壓性能的方法。

國內(nèi)外學(xué)者對鋼瓶的安全性能進(jìn)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(jìn)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，對承壓性能的變化問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析。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(jìn)行分析，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 Q[5]等研究了會對鋼瓶爆炸產(chǎn)生直接影響的因素，并進(jìn)行了量化分析。BARIHA N[6]等對運輸過程中液化石油氣鋼瓶的爆炸危險進(jìn)行了分析，機械碰撞是引發(fā)爆炸的重要因素。LEAL C A[7]等對承壓容器內(nèi)液化石油氣爆炸風(fēng)險進(jìn)行了評估與分析。眾多學(xué)者做了大量貢獻(xiàn)，但在高海拔條件下，對鋼瓶承壓性能進(jìn)行專題研究甚少。

西藏山南地區(qū)平均海拔在3600 米以上，個別使用液化石油氣的鄉(xiāng)鎮(zhèn)在4500 米以上，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(jìn)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)管就具有普遍指導(dǎo)意義。

1 介質(zhì)與鋼瓶

以鋼瓶充裝工作過程為例，在分析承壓性能的變化情況時，要充分了解液化石油氣的主要成分，分析是否存在易燃易爆的成分。實際上，在氣體形態(tài)下，主要有丙烷、丙烯和丁烯，密度是空氣的1.5-2.0 倍，要將氣體經(jīng)過一系列工藝處理，將其變成液體。從液體的性質(zhì)來看，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16.0kg/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(dá)到16.0kg/cm2。

按照GB15380-2001 標(biāo)準(zhǔn)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(hù)罩等，為保證瓶身內(nèi)的密閉性，通常在加工制作鋼瓶時，會在焊縫位置上設(shè)置環(huán)狀襯圈。

鋼瓶承壓性能差會先引起物理爆炸。這種爆炸主要是因為物體的物理性質(zhì)被改變，比如，形態(tài)、外部承壓能力的變化。爆炸后，如果產(chǎn)生了化學(xué)反應(yīng)，就會由物理爆炸轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)爆炸。這種爆炸的危害更大。

在監(jiān)管過程中需要對已有的鋼瓶，進(jìn)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2.1MPa。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355Mpa，通過專業(yè)計算公式和基礎(chǔ)的屈服強度模型（TDYS Model）的構(gòu)建工作，分別計算在室溫20℃和60℃的屈服強度，確定不同溫度狀態(tài)下，鋼瓶材料使用性能的變化情況。

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1495℃，σ (T0)、VT0、ET0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℃。

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349Mpa、354 Mpa，其所能承受的應(yīng)力大小分別取為116.33Mpa、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，特點是壁厚要小于半徑。在試驗過程中可以發(fā)現(xiàn)，圓筒斷面處的承壓能力弱，而瓶身主要會受到拉力和壓力的影響。在鋼瓶充裝過程中，應(yīng)力會沿著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，是最薄弱的地方。

再考慮鋼瓶的底部，其受壓力所產(chǎn)生的應(yīng)力大小。大多數(shù)鋼瓶都是橢圓形的瓶蓋和底座，瓶身以圓柱體為主。結(jié)合這個特點進(jìn)行承壓性能分析，應(yīng)關(guān)注橢圓形的曲率變化問題，分析相關(guān)數(shù)據(jù)的變化是否會對受力情況產(chǎn)生影響。試驗表明，橢圓形的瓶蓋可以讓應(yīng)力分布的更加均勻，是提升承壓性能的關(guān)鍵所在。所以，在進(jìn)行瓶蓋和底座制造工作時，都會將形狀設(shè)置成橢圓形。從瓶蓋封口處來分析，目前已經(jīng)有了明確的規(guī)定，要求工作人員在采購鋼瓶進(jìn)行液化石油氣充裝工作時，要保證橢圓形封頭的長短軸之比為2.5～1.66，相關(guān)應(yīng)力分布情況見圖1。

圖1 橢圓形封頭應(yīng)力分布規(guī)律大致示意圖

應(yīng)力的分布范圍廣，在鋼瓶接口處、邊緣處都會分布一些邊緣應(yīng)力?；谶@種應(yīng)力對充裝過程中的承壓性能影響較小，因而在應(yīng)力計算時可以忽略不計?？芍湓诘撞坑捎谑軌核a(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。

2 試驗

進(jìn)行承壓性能的研究工作時，工作人員需要選擇標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的鋼瓶，規(guī)范試驗流程，詳細(xì)記錄試驗數(shù)據(jù)。本文選擇了15 kg 的鋼瓶，經(jīng)測量，鋼瓶的瓶身厚度大約為2.5 毫米，內(nèi)部壓力為0.5 MPa～1.2MPa。鋼瓶上下部位都不適合粘貼應(yīng)變片，如何科學(xué)選擇應(yīng)變片的粘貼位置，就是工作人員在試驗過程中的一項難題。具體可以參照圖2 的布局方式，注意根據(jù)貼片的數(shù)量來編號，方便記錄瓶身不同位置上的應(yīng)力變化情況。

圖2 應(yīng)變片的粘貼方式

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。圖3 是應(yīng)變片電路連接順序。

圖3 八片應(yīng)變片的連接方式

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

前4 個應(yīng)變片主要測試εy，后4 個應(yīng)變片主要測試εx。

鋼瓶不僅會受到外部壓力，內(nèi)部充裝石油氣的過程中也會受到壓力，該壓力會使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

可以得到廣義胡克定律表達(dá)式：

體應(yīng)變θ=(V’-V)/V=εx+εy+εz，用應(yīng)力表達(dá)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。

注意在進(jìn)行試驗的過程中，要大膽假設(shè)。比如，假設(shè)8 個應(yīng)變片的應(yīng)力變化是均勻的，相應(yīng)的電阻變化值可以用公式△Rx= Kεx來計算。

因而，圖3 中的U1和U2分別為：

海拔高度的變化，使得鋼瓶受到的氣壓和氣溫大小發(fā)生了變化。由于氣壓屬于外部環(huán)境壓力，因此，P外=P外（H），瓶內(nèi)壓力取決于氣溫差△T 和加裝量加裝量m，P內(nèi)=P內(nèi)（△T,m），因此，上式變?yōu)椋?/p>

圖5 信號放大電路

基于上式，選擇如下三個測試步驟：

（1）對鋼瓶分別加裝2kg、4kg、6kg、10kg、13kg、15kg 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，觀察內(nèi)壓力變化情況。為保證數(shù)據(jù)收集的準(zhǔn)確度，在溫度升高的過程中，每個溫度節(jié)點都應(yīng)當(dāng)持續(xù)3-4h，數(shù)據(jù)變化圖見圖6。

根據(jù)圖6 中的數(shù)據(jù)變化情況來分析，液化石油氣充裝數(shù)量越多，給瓶身內(nèi)部帶來的壓力就越高，成正比關(guān)系。在溫度條件相同時，如充裝量小于10kg，壓力為線性變化，數(shù)據(jù)變化比較規(guī)律。而大于10kg 后，壓力出現(xiàn)了非線性變化。

圖6 不同加裝量、不同溫度對鋼瓶內(nèi)壓力的影響

從溫度變化上來看，溫度越大，壓力越高，安全風(fēng)險就越大?；诖耍诰唧w進(jìn)行充裝工作時，必須要密切關(guān)注環(huán)境溫度和鋼瓶的瓶身溫度變化情況，在監(jiān)管時需要加強這方面的監(jiān)管。

（2）在8 個不同海拔高度：5000 m、4500 m、4000 m、3500 m、3000 m、2500 m、2000 m、1500 m 下進(jìn)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（atm 為一個大氣壓），就要對應(yīng)力變化情況進(jìn)行一次詳細(xì)的記錄，直到鋼瓶內(nèi)壓力達(dá)到20 atm（理論極限為21 atm），這可以直觀、全面的判斷出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的鋼瓶在不同海拔下的應(yīng)力變化情況，相應(yīng)數(shù)據(jù)變化見圖7。結(jié)果表明，海拔高度是造成鋼瓶使用性能發(fā)生變化的決定性因素。而其中的關(guān)系是：海拔越高，壓力差越大，承壓能力就越低。說明海拔高度和承壓性能成反比，在高海拔條件下，要展開鋼瓶運輸和液體充裝工作，必須要進(jìn)行安全管理，并選擇合適的鋼瓶材質(zhì)及規(guī)格。

（3）選擇海拔高度5000 米（西藏山南地區(qū)），展開鋼瓶壓力測試工作，在保證人員安全的前提下，不斷對鋼瓶施加新的應(yīng)力，找出鋼瓶的承壓極限值。如果加壓到24.1 atm（極限值的115%），鋼瓶仍然完好無損，則可以記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)，終止本次研究，數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8 所示。

圖8 爆破實驗數(shù)據(jù)結(jié)果

從圖中可以看出，加壓到24.1 atm，鋼瓶完好。不過，曲線不再是線性變化，證明壓力越高對鋼瓶的屈服變形影響越大。一般要將壓力控制在發(fā)生非線性變化時的壓力數(shù)據(jù)之下，可以將安全系數(shù)設(shè)置成1.3。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。注意記錄當(dāng)?shù)夭煌瑫r間段的氣溫變化情況，計算出最佳的鋼瓶充裝時間，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。該地區(qū)每日的溫差變化明顯，主要是因為海拔和地域特點造成的晝夜溫差問題。同時，月溫差也比較大，最高差能夠達(dá)到37 ℃，以30 ℃為例，在這個溫度下進(jìn)行鋼瓶充裝可以發(fā)現(xiàn)，瓶內(nèi)壓力變化將達(dá)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 曲線試驗數(shù)據(jù)查詢得到，許用壓升閾值11.7 atm 對應(yīng)的充裝量為13.84 kg，這就表示，一般應(yīng)盡量避免將鋼瓶充裝過滿。即便使用15kg 的鋼瓶，也要在瓶內(nèi)預(yù)留一部分空間，這是降低鋼瓶爆炸幾率的常見方法。

表1 山南地區(qū)最近時段和歷史時段的氣溫統(tǒng)計表（單位：℃）

3 結(jié)論

綜上所述，得到以下結(jié)論：

3.1 海拔高度是降低承壓性能的主要因素，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。

3.2 瓶內(nèi)充裝量越多，越容易增加內(nèi)壓力，進(jìn)而增加負(fù)荷，影響安全。

3.3 環(huán)境、瓶身的溫度都會影響承壓性能，應(yīng)作為監(jiān)管的重點。