移动式气瓶本质安全研究进展
来源:用户上传
作者:李保绪 吉楠 高超 邓涛 罗金恒
摘 要：移动式气瓶的本质安全直接关系到社会稳定和人民生命财产安全。本文以移动式气瓶的本质安全为出发点，分析总结了气瓶的产品选材与结构设计、失效因素与机理、缺陷检测与安全评价、燃爆事故评估四个方面的国内外研究进展以及今后的研究方向。
关键词：移动式气瓶 本质安全 失效机理 缺陷 燃爆事故
中图分类号：TH49 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）01（b）-0090-03
Abstract：Essential safety of transportable gas cylinder have the direct bearing on social stability and people’s life and property security，In this paper，we focused on essential safety of transportable as a starting point，analyzed and summarized the research progress at home and abroad on material selection and structure design、failure factor and mechanism、defect detection and safety evaluation、blast accident assessment.
Key Words：Transportable gas cylinder;Essential safety;Failure mechanism;Defect;Blast accident
随着能源利用形式的多样化，以及城市空气污染防治的切实需求，使得各城市对清洁能源公共交通（如燃气公交车、燃气出租车）的推广力度不断加大。这样就造成车载气瓶的使用量不断攀升以及加气站所需的大口径长管气瓶等特殊气瓶的需求也迅速增长。另外，由于天然气的使用受到场地和审批的限制，造成有相当数量的液化石油气气瓶还在餐饮行业与居民家中被广泛使用，由于充装气体的易燃易爆的特征，以及气瓶所具有的移动性使得移动式气瓶服役的安全性成为威胁公共安全和社会稳定的风险因素。因此對气瓶本质安全的研究就显得尤为重要。
国内外关于液化石油气气瓶本质安全的研究主要集中在以下4个方面：产品结构与安全设计、失效因素与机理、缺陷检测与安全评价、燃爆事故评估。
1 产品选材与结构设计
气瓶的选材是其安全性的第一道屏障。半个多世纪以来，气瓶用钢的总体趋势是从低碳钢、中碳钢、碳锰钢向铬钼钢及合金钢发展。近年来随着工业经济和科学技术的不断发展，气体需求量大大增加，使得气体充装运量不断提高。为提高气体的运输效率，降低搬运费用，除继续采用常压气瓶外，高压气瓶的研究工作得以不断开展，目前CNG气瓶的最高工作压力可达25MPa。由于钢瓶移动运输的特性，使得钢瓶的重量是不允许随着工作压力提高而大幅增加的，这就要求钢瓶材料强度需要大幅度的提高。这就意味在相同的设计参数下，钢瓶壁厚的减薄，重量的减轻。相比于钢质气瓶存在的增加车重、占用货箱空间以及增加汽车行驶能耗等缺点，复合材料气瓶表现出质量轻、刚度好、容器特性系数高、抗疲劳性能好、负载工作寿命长、疲劳循环和枪击失效模式安全、可设计性强、生产费用低等特点。 尽管如此，复合材料气瓶的发展仍处在一个不断研究、不断进步的阶段，没有形成规模化、市场化的应用格局，还需要科技工作者不断的研究和探索，进一步优化结构，保证气瓶性能的可靠性和稳定性，形成复合材料气瓶的产品研发和设计标准规范，以及性能评价检测规范。
气瓶结构设计是其安全性的重要保障。美国的气瓶设计生产已有数百年的历史，具有完备成熟的气瓶设计制造与质量监督体系。《美国联邦规章》（CFR）。中第49篇《运输》的第171～180 部分规定了政府的职能、制造厂的责任、检验机构的作用，同时也规定了气瓶设计、制造、检验、充装等方面的技术要求，包括详细的计算公式以及技术要求，引用了气瓶有关的技术标准或文件，因此，它不仅是行政法规，也是技术规范，简称 DOT 规范，DOT共规定了21类气瓶的设计规范。除此之外，还有其他气瓶设计制造标准，如：国家标准（ANSI 标准）、协会标准（美国天然气协会所制定的有关车用压缩天然气气瓶的技术标准、美国消防协会技术手册）等，这些标准都是非强制性的，但被法律、法规引用部分为强制执行的标准。我国气瓶生产设计标准规范经过多年发展，逐步形成了由法律、法规、规章、安全技术规范及标准组成的气瓶设计制造监督检验体系，主要有特种设备安全法、特种设备安全监察条例、气瓶安全监察规定、气瓶安全技术监察规程（TSG R0006-2014）和气瓶制造监督检验规则 （TSG R7003-2011）。在这些法规体系中规定了各类气瓶制造监督检验主要内容， 包括对图样资料、 型式试验报告、材料、焊接、热加工和热处理、试验环、无损检测、性能试验、缠绕层、水压试验、气密性试验、填料、安全附件、出厂检验等控制过程的核查对受检单位监督检验一次合格率、 质量保证体系发现的问题等进行评价。
2 失效因素与机理
气瓶失效事故往往造成巨大的经济损失和人员伤亡，严重影响公共安全和社会稳定。气瓶失效因素的较多，其失效模式可广泛借鉴压力管道和压力容器等的失效学原理。气瓶失效的主要来源包括设计、选材、制造工艺（特别是热加工工艺等）、检查、试验、质量控制、使用条件、气体充装、贮存状态等。借鉴“失效学”原理，气瓶的失效模型与其他压力容器的相似，有弹性失效、屈服失效、塑性断裂失效、脆性断裂失效、疲劳断裂失效、腐蚀失效、冲击断裂失效等。但失效总是复杂的，因此，以上的失效模型总是会成双结队的出现在不同的失效事故中。气瓶缺陷与失效模式的关系是国内外学者研究气瓶失效因素和机理的焦点。 3 缺陷检测与评价
气瓶可能存在外表面缺陷（如凹陷、凹坑、裂纹等）、内表面缺陷（如皱折、裂纹、环沟）、焊接接头缺陷等，这些缺陷可能是制造过程中形成的先天缺陷，也可能是在后期使用过程中形成的后天缺陷。不论哪种缺陷都可能诱发气瓶失效，因此气瓶缺陷的检测是保障气瓶安全的必要过程，也是进行气瓶安全评价的基础。目前气瓶缺陷的检测方法主要有人工法、超声波法、红外成像法、声发射法、射线检测法等，随着CCD技术的不断成熟，机器视觉检测手段开始得到发展应用。总之，气瓶缺陷的检测精度与无损检测技术的发展密切相关，因此目前的研究焦点依然在于探头的设计优化和检测仪器的发展。
缺陷评价和寿命预测是移动式气瓶安全评价的核心内容，是判断含缺陷气瓶能否正常使用的主要依据。美国于1971年公布的“ASME锅炉及压力容器规范”是世界上第一部以线弹性断裂理论为基础的评定标准，这种方法在预测高强度材料制造的压力容器的裂纹容限上成效显著，而对用中、低强度材料却因为超出线弹性断裂力学的适用范围而不合使用;英国中央电力局于1976年公布的“含缺陷结构完整性评定（R6）”最早提出了失效评定图方法，它以裂纹张开位移COD为理论依据，从D-M模型推导出其失效评定曲线，可将脆性断裂、塑性失稳和弹塑性断裂三种失效形式用一张评定图表示。COD判据法在中、低压强度钢焊接结构断裂分析中得到了广泛应用，但由于其本身并不是一个直接而严密的裂纹尖端弹塑性应力应变场的表征量，这给其理论分析和实验测定带来了困难;美国电力研究院针对COD方法的局限性，提出了以J积分为基础的失效评定图，并于1982年发布了EPRINP-2431《含缺陷壓力容器及管道的完整性评定规程》;美国石油学会在2000年颁布的API 579标准在很广的范围内给出了设备及其材料劣化损伤的安全评估方法，该标准首次以规范的形式给出了高温、局部金属损失、点蚀、鼓泡、分层及火灾损伤评定等方法[3]。
我国的移动式气瓶缺陷评定技术的发展研究方面经历了三个阶段。第一阶段以1984年颁布的《压力容器缺陷评定规范》（CVDA-1984）为代表，该规范建立在以D-M模型为基础的COD设计曲线之上，针对压力容器常见失效方式给出了具体的评定方法，对应力腐蚀、腐蚀疲劳等给出了一般性的指导原则并广泛应用于压力容器的缺陷评定工作中。第二阶段以1995年公布的《在役含缺陷压力容器安全评定规程》（SAPV-1995）为代表。SAPV-1995保留了CVDA-1984的精华，相关成果达到了20世纪90年代初国际先进水平。第三阶段则是以2004年正式发布的 GB/T 19624-2004《在用含缺陷压力容器安全评定》为代表。这一标准以CVDA规范中的裂纹张开位移和应力强度因子为主要参量，以弹塑性双判据法为基础，适用于在用钢制含超标缺陷压力容器的安全评定[4]。
近些年，以移动式气瓶为代表的压力容器安全评价技术发展迅速。安全评价的核心在于识别气瓶的风险因素，建立气瓶的缺陷模型，进而建立气瓶的风险评估模型，获得气瓶的风险等级和剩余寿命。国内外尚未形成普适的缺陷模型，从而获得精确的剩余强度或剩余寿命。因此，仍是国内外研究的热点。
4 燃爆事故评估
气瓶由于高压和介质可燃爆两大事故因素，无论发生何种事故，都可能引发泄漏、火灾、化学爆炸和物理爆炸。如果事故得不到有效控制，还可相互作用，相互影响，促使事故扩大蔓延及至产生巨大的冲击波危害，因此开展燃爆事故评估具有重大的意义，也是国内外公共安全领域的研究焦点。
美国Prugh教授对50次液化石油气瓶BLEVE事故进行分析，提出了液化气气瓶的TNT爆炸当量计算方法，并给出了通过闪蒸率、液体过热极限温度的简单计算公式以及爆炸冲击波对周围环境的影响程度的估算方法。日本汽车研究所的Y.Tamura等开展了高压气瓶火烧试验研究，综合分析了燃料种类、流量及充装介质种类对气瓶传热特性以及安全泄放装置动作规律的影响。Zalosh等对未安装超压泄放装置的储氢气瓶进行了火烧试验研究，对气瓶爆炸冲击波以及爆炸火球进行了观测，验证了气瓶爆炸的危害性。D.Halm等针对复合材料气瓶进行了全包围火烧试验研究，并分析了气瓶在机械损伤和温差耦合作用下的力学响应规律，并准确的预测了气瓶爆炸时间。
周国发[16]等采用分区耦合法对车用CNG钢瓶在全包围火灾作用下的热响应过程进行了数值模拟，得到火灾环境下气体介质的压力及温度变化规律，研究了火灾环境下的气瓶力学响应行为，并提出了消防安全对策。郑津洋[]等开展了高压储氢气瓶的局部火烧试验研究以及基于试验结果的数值模拟工作，分析了充装压力，火烧位置及充装介质等对PRD动作规律的影响，提出了局部火灾环境下气瓶耐火时间的预测方法。赵保頔[18]等对长管拖车气瓶开展局部火烧试验研究，探究了气瓶在局部火灾作用下的热响应规律，并验证了GB/T 33215中的气瓶泄放装置泄放量计算方法。
但这些国内外所作的研究工作一般都是从传热学方面进行，考虑充装气体的传热、传质特征。在热响应数值模拟时一般只考虑比较特殊的火灾环境，同时作一些假设如内部液化气体分区温度分布均匀。对于受热不均的火灾环境如部分包围火焰、喷射火焰等，至今仍没有很好的解决。从结构方面考虑气瓶的力学响应行为，及火灾高温对于结构强度的影响、气瓶在火灾中的结构失效模式及模型的修订等，还是今后要进行深入研究的主要方向[5]。
5 结语
综上所述，对液化石油气气瓶本质安全的研究将对气瓶的事故评估与调查、防灾减灾、安全使用、风险评估与燃爆试验等方面的理论和方法的研究起到很大的促进作用，有助于为气瓶事故应急救援预案的制定和方法的选择提供重要的依据，降低事故所造成的财产损失与人员伤亡，从而保障公共安全和社会稳定。
参考文献
[1] 陈国华.液化石油气钢瓶事故综论[J].中国特种设备安全，2009，25（9）：29-32. [2] 吴红.钢质无缝气瓶材料简述[J].中国锅炉压力安全，2000（16）：22-24.
[3] 冯刚，徐开杰，周才根.复合材料气瓶的结构、性能与应用研究[J].工程塑料应用，2011，39（7）：50-52.
[4] 王红海，陈俊德，陈冬，等.关于国内外大容积钢质无缝气瓶标准的对比分析[J].中国特种设备安全，2018，34（12）：1-7.
[5] 陈祖志，薄柯，续宏毅.气瓶设计常见问题分析[J].中国特种设备安全，2015，31（4）：34-39.
[6] 候昱昇.气瓶缺陷分类及其失效分析[J].黑龙江科技信息，2015（7）：64-65.
[7] 张利权，李佳木.车用气瓶缺陷在线检测技术研究[J].内蒙古石油化工，2015（17）：126-127.
[8] 李志安.压力容器断裂理论与缺陷评定[M].大连：大连理工大学出版社，1994.
[9] 韩毅，淡勇，李小勇，等.含缺陷压力容器安全评定的发展歷程与趋势[J].石油化工设备技术，2012，33（4）：47-50.
[10]钟群鹏，李培宁.国家标准《在用含缺陷压力容器安全评定》的特色和创新点综述[J].管道技术与设备，2006（1）：1-5.
[11]古晋斌.火灾环境下长管拖车气瓶热响应规律[D].华东理工大学，2018.
[12]Y Tamura，J Suzuki，S Watanabe.Survey of the bonfire testing method of high pressure hydrogen cylinder：part 2-effect of flame scales and fuels for the fire source[J]. JARI Research Journal，2005，27（7）：331-334.
[13]R W Prugh.Quantiatative evaluation of BLEVE hazards[J].Journal of Loss Prevetion in the Progress Industries，1991，3（1）：9-24.
[14]R zalosh，N Weyandt.Hydrogen fuel tank fire exposure burst test[C].SAE papers，2005：2005-01-1886.
[15]Halm Damien，Fouillen Fabien，Laine Eric，ect.Composite pressure vessels for hydrogen storge in fire conditons：Fire tests and burst simulation[J].International Journal of Hydrogen Energy，2017，42（31） ：20056-20070.
[16]周国发，李红英.气瓶火烧试验的热及力学响应数值模拟研究[J].工业安全与环保，2013，39（1）：1-3，68.
[17]Zheng Jinyang，Ou Kesheng，Hua Zhengli，Zhao Yongzhi.Experimental and numerical investigation of localized fire test for high-pressure hydrogen storge tanks[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2013，38（25）：10963-10970.
[18]赵保頔，张博，胡熙玉，等.长管拖车气瓶火灾分析及局部起火超压泄放试验研究[J].压力容器，2018，35（1）：57-62.
转载注明来源:https://www.xzbu.com/1/view-15192411.htm
