移動式氣瓶本質(zhì)安全研究進(jìn)展

李保緒 吉楠 高超 鄧濤 羅金恒

摘? ?要：移動式氣瓶的本質(zhì)安全直接關(guān)系到社會穩(wěn)定和人民生命財產(chǎn)安全。本文以移動式氣瓶的本質(zhì)安全為出發(fā)點，分析總結(jié)了氣瓶的產(chǎn)品選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計、失效因素與機(jī)理、缺陷檢測與安全評價、燃爆事故評估四個方面的國內(nèi)外研究進(jìn)展以及今后的研究方向。

關(guān)鍵詞：移動式氣瓶? 本質(zhì)安全? 失效機(jī)理? 缺陷? 燃爆事故

中圖分類號：TH49? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2020）01（b）-0090-03

Abstract：Essential safety of transportable gas cylinder have the direct bearing on social stability and peoples 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

隨著能源利用形式的多樣化，以及城市空氣污染防治的切實需求，使得各城市對清潔能源公共交通（如燃?xì)夤卉嚒⑷細(xì)獬鲎廛嚕┑耐茝V力度不斷加大。這樣就造成車載氣瓶的使用量不斷攀升以及加氣站所需的大口徑長管氣瓶等特殊氣瓶的需求也迅速增長。另外，由于天然氣的使用受到場地和審批的限制，造成有相當(dāng)數(shù)量的液化石油氣氣瓶還在餐飲行業(yè)與居民家中被廣泛使用，由于充裝氣體的易燃易爆的特征，以及氣瓶所具有的移動性使得移動式氣瓶服役的安全性成為威脅公共安全和社會穩(wěn)定的風(fēng)險因素。因此對氣瓶本質(zhì)安全的研究就顯得尤為重要。

國內(nèi)外關(guān)于液化石油氣氣瓶本質(zhì)安全的研究主要集中在以下4個方面：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與安全設(shè)計、失效因素與機(jī)理、缺陷檢測與安全評價、燃爆事故評估。

1? 產(chǎn)品選材與結(jié)構(gòu)設(shè)計

氣瓶的選材是其安全性的第一道屏障。半個多世紀(jì)以來，氣瓶用鋼的總體趨勢是從低碳鋼、中碳鋼、碳錳鋼向鉻鉬鋼及合金鋼發(fā)展。近年來隨著工業(yè)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，氣體需求量大大增加，使得氣體充裝運(yùn)量不斷提高。為提高氣體的運(yùn)輸效率，降低搬運(yùn)費(fèi)用，除繼續(xù)采用常壓氣瓶外，高壓氣瓶的研究工作得以不斷開展，目前CNG氣瓶的最高工作壓力可達(dá)25MPa。由于鋼瓶移動運(yùn)輸?shù)奶匦裕沟娩撈康闹亓渴遣辉试S隨著工作壓力提高而大幅增加的，這就要求鋼瓶材料強(qiáng)度需要大幅度的提高。這就意味在相同的設(shè)計參數(shù)下，鋼瓶壁厚的減薄，重量的減輕。相比于鋼質(zhì)氣瓶存在的增加車重、占用貨箱空間以及增加汽車行駛能耗等缺點，復(fù)合材料氣瓶表現(xiàn)出質(zhì)量輕、剛度好、容器特性系數(shù)高、抗疲勞性能好、負(fù)載工作壽命長、疲勞循環(huán)和槍擊失效模式安全、可設(shè)計性強(qiáng)、生產(chǎn)費(fèi)用低等特點。 盡管如此，復(fù)合材料氣瓶的發(fā)展仍處在一個不斷研究、不斷進(jìn)步的階段，沒有形成規(guī)模化、市場化的應(yīng)用格局，還需要科技工作者不斷的研究和探索，進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，保證氣瓶性能的可靠性和穩(wěn)定性，形成復(fù)合材料氣瓶的產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，以及性能評價檢測規(guī)范。

氣瓶結(jié)構(gòu)設(shè)計是其安全性的重要保障。美國的氣瓶設(shè)計生產(chǎn)已有數(shù)百年的歷史，具有完備成熟的氣瓶設(shè)計制造與質(zhì)量監(jiān)督體系。《美國聯(lián)邦規(guī)章》（CFR）。中第49篇《運(yùn)輸》的第171～180 部分規(guī)定了政府的職能、制造廠的責(zé)任、檢驗機(jī)構(gòu)的作用，同時也規(guī)定了氣瓶設(shè)計、制造、檢驗、充裝等方面的技術(shù)要求，包括詳細(xì)的計算公式以及技術(shù)要求，引用了氣瓶有關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)或文件，因此，它不僅是行政法規(guī)，也是技術(shù)規(guī)范，簡稱 DOT 規(guī)范，DOT共規(guī)定了21類氣瓶的設(shè)計規(guī)范。除此之外，還有其他氣瓶設(shè)計制造標(biāo)準(zhǔn)，如：國家標(biāo)準(zhǔn)（ANSI 標(biāo)準(zhǔn)）、協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)（美國天然氣協(xié)會所制定的有關(guān)車用壓縮天然氣氣瓶的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、美國消防協(xié)會技術(shù)手冊）等，這些標(biāo)準(zhǔn)都是非強(qiáng)制性的，但被法律、法規(guī)引用部分為強(qiáng)制執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。我國氣瓶生產(chǎn)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范經(jīng)過多年發(fā)展，逐步形成了由法律、法規(guī)、規(guī)章、安全技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)組成的氣瓶設(shè)計制造監(jiān)督檢驗體系，主要有特種設(shè)備安全法、特種設(shè)備安全監(jiān)察條例、氣瓶安全監(jiān)察規(guī)定、氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程（TSG R0006-2014）和氣瓶制造監(jiān)督檢驗規(guī)則 （TSG R7003-2011）。在這些法規(guī)體系中規(guī)定了各類氣瓶制造監(jiān)督檢驗主要內(nèi)容， 包括對圖樣資料、 型式試驗報告、材料、焊接、熱加工和熱處理、試驗環(huán)、無損檢測、性能試驗、纏繞層、水壓試驗、氣密性試驗、填料、安全附件、出廠檢驗等控制過程的核查對受檢單位監(jiān)督檢驗一次合格率、 質(zhì)量保證體系發(fā)現(xiàn)的問題等進(jìn)行評價。

2? 失效因素與機(jī)理

氣瓶失效事故往往造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡，嚴(yán)重影響公共安全和社會穩(wěn)定。氣瓶失效因素的較多，其失效模式可廣泛借鑒壓力管道和壓力容器等的失效學(xué)原理。氣瓶失效的主要來源包括設(shè)計、選材、制造工藝（特別是熱加工工藝等）、檢查、試驗、質(zhì)量控制、使用條件、氣體充裝、貯存狀態(tài)等。借鑒“失效學(xué)”原理，氣瓶的失效模型與其他壓力容器的相似，有彈性失效、屈服失效、塑性斷裂失效、脆性斷裂失效、疲勞斷裂失效、腐蝕失效、沖擊斷裂失效等。但失效總是復(fù)雜的，因此，以上的失效模型總是會成雙結(jié)隊的出現(xiàn)在不同的失效事故中。氣瓶缺陷與失效模式的關(guān)系是國內(nèi)外學(xué)者研究氣瓶失效因素和機(jī)理的焦點。

3? 缺陷檢測與評價

氣瓶可能存在外表面缺陷（如凹陷、凹坑、裂紋等）、內(nèi)表面缺陷（如皺折、裂紋、環(huán)溝）、焊接接頭缺陷等，這些缺陷可能是制造過程中形成的先天缺陷，也可能是在后期使用過程中形成的后天缺陷。不論哪種缺陷都可能誘發(fā)氣瓶失效，因此氣瓶缺陷的檢測是保障氣瓶安全的必要過程，也是進(jìn)行氣瓶安全評價的基礎(chǔ)。目前氣瓶缺陷的檢測方法主要有人工法、超聲波法、紅外成像法、聲發(fā)射法、射線檢測法等，隨著CCD技術(shù)的不斷成熟，機(jī)器視覺檢測手段開始得到發(fā)展應(yīng)用。總之，氣瓶缺陷的檢測精度與無損檢測技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，因此目前的研究焦點依然在于探頭的設(shè)計優(yōu)化和檢測儀器的發(fā)展。

缺陷評價和壽命預(yù)測是移動式氣瓶安全評價的核心內(nèi)容，是判斷含缺陷氣瓶能否正常使用的主要依據(jù)。美國于1971年公布的“ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范”是世界上第一部以線彈性斷裂理論為基礎(chǔ)的評定標(biāo)準(zhǔn)，這種方法在預(yù)測高強(qiáng)度材料制造的壓力容器的裂紋容限上成效顯著，而對用中、低強(qiáng)度材料卻因為超出線彈性斷裂力學(xué)的適用范圍而不合使用;英國中央電力局于1976年公布的“含缺陷結(jié)構(gòu)完整性評定（R6）”最早提出了失效評定圖方法，它以裂紋張開位移COD為理論依據(jù)，從D-M模型推導(dǎo)出其失效評定曲線，可將脆性斷裂、塑性失穩(wěn)和彈塑性斷裂三種失效形式用一張評定圖表示。COD判據(jù)法在中、低壓強(qiáng)度鋼焊接結(jié)構(gòu)斷裂分析中得到了廣泛應(yīng)用，但由于其本身并不是一個直接而嚴(yán)密的裂紋尖端彈塑性應(yīng)力應(yīng)變場的表征量，這給其理論分析和實驗測定帶來了困難;美國電力研究院針對COD方法的局限性，提出了以J積分為基礎(chǔ)的失效評定圖，并于1982年發(fā)布了EPRINP-2431《含缺陷壓力容器及管道的完整性評定規(guī)程》;美國石油學(xué)會在2000年頒布的API 579標(biāo)準(zhǔn)在很廣的范圍內(nèi)給出了設(shè)備及其材料劣化損傷的安全評估方法，該標(biāo)準(zhǔn)首次以規(guī)范的形式給出了高溫、局部金屬損失、點蝕、鼓泡、分層及火災(zāi)損傷評定等方法[3]。

我國的移動式氣瓶缺陷評定技術(shù)的發(fā)展研究方面經(jīng)歷了三個階段。第一階段以1984年頒布的《壓力容器缺陷評定規(guī)范》（CVDA-1984）為代表，該規(guī)范建立在以D-M模型為基礎(chǔ)的COD設(shè)計曲線之上，針對壓力容器常見失效方式給出了具體的評定方法，對應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞等給出了一般性的指導(dǎo)原則并廣泛應(yīng)用于壓力容器的缺陷評定工作中。第二階段以1995年公布的《在役含缺陷壓力容器安全評定規(guī)程》（SAPV-1995）為代表。SAPV-1995保留了CVDA-1984的精華，相關(guān)成果達(dá)到了20世紀(jì)90年代初國際先進(jìn)水平。第三階段則是以2004年正式發(fā)布的 GB/T 19624-2004《在用含缺陷壓力容器安全評定》為代表。這一標(biāo)準(zhǔn)以CVDA規(guī)范中的裂紋張開位移和應(yīng)力強(qiáng)度因子為主要參量，以彈塑性雙判據(jù)法為基礎(chǔ)，適用于在用鋼制含超標(biāo)缺陷壓力容器的安全評定[4]。

近些年，以移動式氣瓶為代表的壓力容器安全評價技術(shù)發(fā)展迅速。安全評價的核心在于識別氣瓶的風(fēng)險因素，建立氣瓶的缺陷模型，進(jìn)而建立氣瓶的風(fēng)險評估模型，獲得氣瓶的風(fēng)險等級和剩余壽命。國內(nèi)外尚未形成普適的缺陷模型，從而獲得精確的剩余強(qiáng)度或剩余壽命。因此，仍是國內(nèi)外研究的熱點。

4? 燃爆事故評估

氣瓶由于高壓和介質(zhì)可燃爆兩大事故因素，無論發(fā)生何種事故，都可能引發(fā)泄漏、火災(zāi)、化學(xué)爆炸和物理爆炸。如果事故得不到有效控制，還可相互作用，相互影響，促使事故擴(kuò)大蔓延及至產(chǎn)生巨大的沖擊波危害，因此開展燃爆事故評估具有重大的意義，也是國內(nèi)外公共安全領(lǐng)域的研究焦點。

美國Prugh教授對50次液化石油氣瓶BLEVE事故進(jìn)行分析，提出了液化氣氣瓶的TNT爆炸當(dāng)量計算方法，并給出了通過閃蒸率、液體過熱極限溫度的簡單計算公式以及爆炸沖擊波對周圍環(huán)境的影響程度的估算方法。日本汽車研究所的Y.Tamura等開展了高壓氣瓶火燒試驗研究，綜合分析了燃料種類、流量及充裝介質(zhì)種類對氣瓶傳熱特性以及安全泄放裝置動作規(guī)律的影響。Zalosh等對未安裝超壓泄放裝置的儲氫氣瓶進(jìn)行了火燒試驗研究，對氣瓶爆炸沖擊波以及爆炸火球進(jìn)行了觀測，驗證了氣瓶爆炸的危害性。D.Halm等針對復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行了全包圍火燒試驗研究，并分析了氣瓶在機(jī)械損傷和溫差耦合作用下的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律，并準(zhǔn)確的預(yù)測了氣瓶爆炸時間。

周國發(fā)[16]等采用分區(qū)耦合法對車用CNG鋼瓶在全包圍火災(zāi)作用下的熱響應(yīng)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到火災(zāi)環(huán)境下氣體介質(zhì)的壓力及溫度變化規(guī)律，研究了火災(zāi)環(huán)境下的氣瓶力學(xué)響應(yīng)行為，并提出了消防安全對策。鄭津洋[]等開展了高壓儲氫氣瓶的局部火燒試驗研究以及基于試驗結(jié)果的數(shù)值模擬工作，分析了充裝壓力，火燒位置及充裝介質(zhì)等對PRD動作規(guī)律的影響，提出了局部火災(zāi)環(huán)境下氣瓶耐火時間的預(yù)測方法。趙保頔[18]等對長管拖車氣瓶開展局部火燒試驗研究，探究了氣瓶在局部火災(zāi)作用下的熱響應(yīng)規(guī)律，并驗證了GB/T 33215中的氣瓶泄放裝置泄放量計算方法。

但這些國內(nèi)外所作的研究工作一般都是從傳熱學(xué)方面進(jìn)行，考慮充裝氣體的傳熱、傳質(zhì)特征。在熱響應(yīng)數(shù)值模擬時一般只考慮比較特殊的火災(zāi)環(huán)境，同時作一些假設(shè)如內(nèi)部液化氣體分區(qū)溫度分布均勻。對于受熱不均的火災(zāi)環(huán)境如部分包圍火焰、噴射火焰等，至今仍沒有很好的解決。從結(jié)構(gòu)方面考慮氣瓶的力學(xué)響應(yīng)行為，及火災(zāi)高溫對于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響、氣瓶在火災(zāi)中的結(jié)構(gòu)失效模式及模型的修訂等，還是今后要進(jìn)行深入研究的主要方向[5]。

5? 結(jié)語

綜上所述，對液化石油氣氣瓶本質(zhì)安全的研究將對氣瓶的事故評估與調(diào)查、防災(zāi)減災(zāi)、安全使用、風(fēng)險評估與燃爆試驗等方面的理論和方法的研究起到很大的促進(jìn)作用，有助于為氣瓶事故應(yīng)急救援預(yù)案的制定和方法的選擇提供重要的依據(jù)，降低事故所造成的財產(chǎn)損失與人員傷亡，從而保障公共安全和社會穩(wěn)定。

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