長管拖車用安全泄放裝置及其在火災事故中的作用

薄 柯程 亮李哲偉鄧貴德古純霖

(1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029)

(2.石家莊安瑞科氣體機械有限公司 石家莊 051430)

長管拖車用安全泄放裝置及其在火災事故中的作用

薄 柯1程 亮1李哲偉2鄧貴德1古純霖1

(1.中國特種設備檢測研究院 北京 100029)

(2.石家莊安瑞科氣體機械有限公司 石家莊 051430)

通過分析國內外標準許用的幾種長管拖車用安全泄放裝置的優缺點，提出優選的結構形式；統計分析了近年來長管拖車火災案例與安全泄放裝置的響應情況，指出火災條件下，瓶內氣體不僅可以通過安全泄放裝置泄放，也可通過密封件損壞及管件變形部位泄放；安全泄放裝置在部分火災事故下有所動作，一定程度上能夠保證氣瓶的安全，但隨機性較大；極端火災情況下，安全泄放裝置很難起到作用。

長管拖車 安全泄放裝置 火災事故

20世紀90年代以來,國內天然氣和工業氣體產業快速發展,長管拖車以其高效、靈活和便捷的特點在氣體運輸方面得到廣泛應用。截至2016年底,我國長管拖車保有量從2005年的2000多臺增加到12000臺,國內11家企業具備長管拖車生產或組裝資質,產量居世界第一。[1]

長管拖車主要運輸天然氣、氫氣等易燃易爆氣體,又多運行于交通要道、居民區等人口密集地區,一旦發生事故,將對人民生命財產造成嚴重的危害。近年來,隨著長管拖車數量的增加,火災事故呈逐年上升趨勢。2015年4月,山東某加氣站起火,火焰直接噴射到長管拖車上,引發長管拖車氣瓶爆裂事故,造成較大的社會影響。

為減低長管拖車在火災事故中的風險,通用做法是在長管拖車氣瓶上安裝安全泄放裝置,希望氣瓶在超溫超壓的狀態下通過安全泄放裝置排氣泄壓,以保護瓶體不致爆破。但長管拖車是否需要安裝安全泄放裝置,長管拖車氣瓶安全泄放裝置在火災情況下的動作規律如何,國內外一直存在爭議。本文在分析長管拖車常用安全泄放裝置優缺點的基礎上,系統收集整理國內長管拖車在火災事故下安全泄放裝置動作的特點,并針對我國長管拖車安全泄放裝置結構,提出若干建議。

1 國內外長管拖車用安全泄放裝置

因我國95%以上的長管拖車用于運輸天然氣和氫氣,這里只介紹天然氣和氫氣長管拖車安全泄放裝置的結構。國內TSG R0005—2011《移動式壓力容器安全技術監察規程》規定了長管拖車安全泄壓裝置的選用和設計要求。對安全泄放裝置,美國聯邦法規49CFR-173.301直接引用美國壓縮氣體協會CGA S1.1《泄壓裝置標準-第一部分-壓縮氣體鋼瓶》的要求”[2]。CGA S1.1-2011共規定了11種型式的安全泄放裝置,根據不同的充裝介質,規定選取不同結構型式的安全泄放裝置。對天然氣和氫氣,CGA S1.1規定允許使用的安全泄放裝置類型為單爆破片裝置(CG-1)、爆破片-易熔塞串聯組合裝置(CG-4和CG-5)和安全泄放閥(CG-7)。

在美國,充裝氫氣的長管拖車可不安裝安全泄壓裝置,也可安裝在一端或兩端,充裝天然氣的長管拖車氣瓶可一端安裝安全泄壓裝置;在國內,天然氣、氫氣的長管拖車都必須裝設安全泄壓裝置。選型的要求見表1。

表1 國內外法規標準對長管拖車用安全泄放裝置的要求

1.1 單爆破片結構

單爆破片結構簡單、密閉性強、排放能力大、適應面廣,對超壓反應靈敏,是國內外普遍選用的結構形式,如圖1、圖2所示,但爆破片泄放壓力有所區別,美國規定爆破片的爆破壓力為氣瓶水壓試驗壓力的90%,我國規定爆破片爆破壓力為水壓試驗壓力。

1.2 爆破片與易熔合金組合結構

易熔塞-爆破片結構與單爆破片結構相似,只是在爆破片遠離氣體側設置了易熔合金。與單爆破片結構相比,爆破片外側設置了易熔合金,一方面在使用過程中避免雨水、冰塊與爆破片直接接觸,降低爆破片非正常起跳的概率,另一方面,易熔合金與爆破片的串聯結構決定了該裝置只有在同時超溫超壓下才會動作,如圖3、圖4所示。目前,國內外該結構型式應用廣泛,但在技術方面區別如下:

圖1 單爆破片典型結構圖（氣瓶前端）

圖2 單爆破片典型結構圖（氣瓶后端）

1)爆破片設定壓力不同。美國規定,爆破片的爆破壓力為氣瓶水壓試驗壓力的90%,我國規定爆破片的爆破壓力為水壓試驗壓力。

2)易熔合金塞的動作溫度不同。美國允許選取爆破片——易熔合金組合裝置有兩種形式CG-4和CG-5,其中CG-4中易熔合金的動作溫度設定為73.9℃,CG-5的易熔合金的動作溫度設定為100℃,我國組合結構中易熔合金塞的動作溫度設定為102.5℃,與CG-5比較接近。

圖3 易熔塞-爆破片典型結構圖（氣瓶前端）

圖4 易熔塞-爆破片典型結構圖（氣瓶后端）

3)易熔合金塞的動作壓力不同。美國的組合結構需要壓力和溫度同時達到動作條件,安全泄壓裝置才可以開啟,如果僅僅是壓力作用,易熔合金塞不融化,則安全泄壓裝置不會動作,因此該裝置不能阻止在室溫下由過量充裝引起的壓力上升,導致氣瓶的破裂。國內法規要求的易熔合金塞裝置不得妨礙和影響爆破片裝置的正常泄放功能,易熔合金的擠出壓力不應當高于爆破片的最大爆破壓力,國內的爆破片——易熔塞組合結構中易熔塞僅相當于爆破片上方增加了不影響爆破片泄放的防護結構,在一定意義上等同于美國的單爆破片結構(CG-1)。

1.3 安全閥

安全閥是廣泛使用的安全泄壓裝置,它的特點是結構簡單、緊湊,是可重閉式安全泄放裝置,在國外部分氫氣長管拖車使用安全閥作為安全泄放裝置。但其泄壓反應慢(因閥的開啟具有滯后作用)、對介質的潔凈度要求高、密封性能差,對安全閥的精度要求較高,國內不允許選用安全閥作為長管拖車氣瓶的安全泄壓裝置。

1.4 爆破片——安全閥串聯組合裝置

爆破片——安全閥串聯組合裝置為CGA S1.1-2011中規定的CG-8型安全泄放裝置。按照CGA S1.1-2011的規定,該安全泄放裝置不允許用于長管拖車。但我國允許設計者選用這種結構形式。TSG R7001—2011《移動式壓力容器安全技術監察規程》規定:充裝易燃、易爆介質的氣瓶,設計者認為有必要時,可以設置爆破片——安全閥串聯組合裝置或爆破片——易熔塞串聯組合裝置。

該類裝置在動作前,由于爆破片較好的密封作用,瓶裝介質不會泄漏;當由于外界原因導致瞬時高壓使爆破片超壓爆破時,安全閥快速起跳,同時又能迅速回座,防止瓶裝介質進一步泄放。但考慮到爆破片爆破后產生的殘片可能會影響安全泄放閥的正常動作,且在火災條件下,當該類裝置在壓力達到設計爆破壓力而有所動作時,安全閥的重閉性會使瓶內壓力始終較高,而氣瓶瓶體由于高溫作用力學性能下降,因此它不太適合用于火災條件下防止氣瓶爆裂的場合。國內長管拖車制造單位也沒有選用該類結構型式,它在長管拖車上的適用性值得商榷。

2 安全泄放裝置在火災事故中的作用

中國特種設備檢測研究院長期從事長管拖車定期檢驗工作,對2009～2015年因火災事故送到檢驗站檢驗的車輛數據進行了整理分析,結合火災發生的地點,將事故分為兩類,一類是長管拖車運輸過程起火,一類是加氣站場內起火,需要說明的是,因部分車輛發生火災事故后未送到檢驗站,因此該數據僅為目前能夠掌握的部分數據,見表2?；馂氖鹿实牡湫驼掌妶D5、圖6。

表2 火災事故下長管拖車安全泄放裝置基本情況

圖5 后倉受火端安全裝置全部起爆

圖6 輪胎起火典型事故案例

從表2可知,長管拖車的道路火災事故33臺,占總火災事故的90%以上。據調查統計,除極少數外來火源外,起火原因主要由于車輛行進過程中剎車片長時間摩擦輪轂產生高溫,通過熱傳導將熱量傳遞到輪胎上,達到一定溫度后引發后輪胎著火。輪胎起火的熱值較低,且后端輪胎數量為2～3只,總燃燒熱量有限,不足以對氣瓶本體本質安全造成影響。截至2016年底,檢驗中沒有發現1只氣瓶因道路火災引起爆破。

加氣站內的環境較道路復雜得多,既包括站內壓縮天然氣和相關設備如壓縮機、加氣機、緩沖罐等,也包括站內停放的其他車輛,既有可燃介質也有相關高壓設備,一旦發生火災爆炸,其后果較公路更為嚴重。長管拖車加氣站內的火災事故有3起,其中最嚴重的1臺長管拖車加氣軟管突然斷裂起火,火焰直接噴射到氣瓶本體上,并引燃周邊3只長管拖車輪胎。消防隊員在滅火過程中,2只氣瓶爆破。

對火災后的長管拖車和起跳的安全泄放裝置進行分析,主要特點如下:

1)起跳的安全泄放裝置均位于車輛后端,前端無泄放裝置起跳。

道路火災通常發生在車輛后端,氣瓶前端安全泄放裝置距離火源較遠,起跳概率極低。且如前端安全泄放裝置起跳,可燃介質噴出遇介質起火,容易對車輛前端駕駛室人員造成傷害,因此境外氣體公司充裝氫氣的長管拖車一般不在前端安裝安全泄壓裝置。

2)起跳的安全泄放裝置附近有受火痕跡。

對起跳的安全泄放裝置進行分析,起跳的安全泄放裝置既包括單爆破片結構也包括爆破片易熔塞組合結構,大部分起跳安全泄放裝置附近有受火痕跡,見圖5?；馂闹?易熔合金在高溫下融化,同時爆破片在高溫下強度降低,其爆破壓力隨之降低,可能在沒有達到設計爆破壓力的情況下起爆。

3)受火車輛的管路密封件被火焰燒損和管件遇火變形的情況,見圖7,說明在火災中介質也可能通過密封部位泄放。

圖7 火災事故中發生變形安全裝置底座

4)安全泄放裝置并非在所有情況下能夠起到安全泄放的作用。

API 521標準中指出:“對于極大火災的情況下,安全泄放裝置不能起作用”,加氣站火災氣瓶爆裂事故中,天然氣火焰直接噴到氣瓶上,導致氣瓶溫度急劇上升,材料強度急劇下降,安全爆破裝置未達到爆破壓力,氣瓶即發生破裂,見圖8。該類特殊工況下,安全泄放裝置不能動作。因此,安全泄放裝置并不是萬能的,它只有在特定的工況下才可能起到應有的作用。

圖8 火災事故中爆裂的氣瓶

3 問題與建議

長管拖車在火災情況下安全泄放裝置的動作規律一直是國內外關注的問題。美國Barlen & Associates公司組織BOC,AIR LIQUIDE和美國運輸部(DOT)等相關單位進行了氫氣長管拖車整車的火燒試驗,為美國運輸部規定氫氣長管拖車可不裝設安全泄放裝置提供了技術支撐。我國尚未針對長管拖車氣瓶安全泄放裝置不同結構型式在火災事故中的響應規律開展過系統研究,尤其是最近幾年新出現長管拖車用纖維纏繞氣瓶,其在火災下的纖維的傳熱規律與鋼瓶有較大區別,其安全泄放裝置的選型仍需進一步研究。

針對國內長管拖車氣瓶安全泄放裝置的使用現狀,提出以下建議:

1)綜合比較國內外法規標準對長管拖車用安全泄放裝置的規定,長管拖車用安全泄放裝置優先選擇單爆破片或爆破片易熔合金組合結構,不建議選擇爆破片-安全閥串聯組合裝置。

2)道路上火災基本為后輪胎著火引起,前端安全泄放裝置起跳概率極低,建議參考美國標準取消前端安全泄放裝置。

3)安全泄放裝置在部分火災事故下有所動作,但極端火災情況下,安全泄放裝置很難起到作用。

[1] 董紅磊，李邦憲，張君鵬，等．長管拖車鋼瓶硬度控制范圍和驗收標準的探討[J]．壓力容器，2012，29(10)：47-52+66．

[2] 周日峰，張健中，許光，等．長管拖車安全附件應用技術發展現狀[J]．山東化工，2015，24(44)：103-105．

[3] CGA S1．1-2011 Pressure Relief Device Standards-Part 1-Cylinder For Compressured Gases[S]．

[4] API 521 Sizing， Selection， and Installation of Pressure-Relieving Devices in Refineries[S]．

Safety Relief Device for Tube Trailer and Its Function in Fire Accident

Bo Ke1Cheng Liang1Li Zhewei2Deng guide1Gu Chunlin1
(1. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)
(2. Shijiazhuang EnRic Gas Equipment Co., Ltd. Shijiazhuang 051430)

The preference structure of safety relief devices for tube trailer is proposed through analyzing the advantages and disadvantages of severe safety relief devices allowed by standards at home and abroad. The response of safety relief device in the fre accident of tube trailer in recent years is analyzed, which shows that the gas in the cylinder can be discharged through not only the safety relief device but also the seal damaged and the pipe fitting deformation. The safety relief device can operate under partial fre cases and keeps the gas cylinder safe to some extent but with high randomness. Under extreme fre accident, the safety relief device is hard to play a role.

Tube trailer Safety relief device Fire accident

X933.4

B

1673-257X(2017)08-0024-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.08.007

薄柯（1979～)，男，碩士，高級工程師，從事固定式壓力容器、移動式壓力容器、氣瓶等定期檢驗及安全性能研究工作。

薄柯，E-mail： 120059183@qq．com。

總局科技計劃項目（編號：2015QK254)

2016-05-11）