焊接絕熱氣瓶充裝系數取值探討

古海波，劉 巖，宋薛思

(大連鍋爐壓力容器檢驗檢測研究院有限公司，遼寧 大連 西崗 新河街20號 116013)

0 引 言

焊接絕熱氣瓶是一種用來盛裝液氧、液氮、液氬、液體二氧化碳或LNG等低溫液體且可以重復充裝的氣瓶。焊接絕熱氣瓶主要由奧氏體不銹鋼內膽、外殼、絕熱層及管路閥門等組成。內膽用來儲存低溫液體，在其外壁纏繞有多層絕熱材料，內膽和外殼之間的夾層被抽成高真空，共同形成良好的絕熱系統(tǒng)；在內膽和外殼的兩端設計有支撐結構，保持結構的穩(wěn)定性；管路系統(tǒng)包括具有充裝、用氣及增壓功能的閥門以及安全閥、爆破片等安全附件；管路外部設置有保護圈，用以保護管路及閥門免受撞擊。

近年來，焊接絕熱氣瓶被越來越廣泛的應用于經濟社會的各個領域，其使用安全也越發(fā)重要。而對使用安全來說，防止過量充裝是非常重要的一項要求。

1 有關法規(guī)標準對焊接絕熱氣瓶充裝的規(guī)定

對于焊接絕熱氣瓶的充裝，TSG R0006—2014《氣瓶安全技術監(jiān)察規(guī)程》[1]第6.5.4條規(guī)定，應當對充裝量逐瓶復檢(車用焊接絕熱氣瓶除外)，嚴禁過量充裝，但未規(guī)定低溫液體的充裝系數。

GB/T 24159—2009《焊接絕熱氣瓶》[2]標準也未對氣瓶的最大充裝量予以規(guī)定，但卻要求在銘牌中刻印“最大充裝量”。

對于汽車用液化天然氣氣瓶，GB/T 34510—2017《汽車用液化天然氣氣瓶》[3]規(guī)定：氣瓶內應具有足夠的安全空間，充裝飽和蒸氣壓為0.8 MPa(表壓，下同)的LNG，且安全閥的排放壓力為1.6 MPa時，安全空間至少應為內膽總容積的10%。對于允許充裝飽和蒸氣壓低于0.8 MPa的LNG的氣瓶，則應根據LNG的充裝壓力和安全閥開啟壓力下的密度差來設計安全空間的容積。

《聯邦法典49號-危險物質規(guī)則》(CFR 49)[4]第1章第173.316條規(guī)定：具有不同設定壓力安全閥的DOT-4L氣瓶的最大充裝量按照給定的表格規(guī)定(見表1)。

表1 CFR 49規(guī)定的充裝密度

2 明確充裝系數的必要性

充裝系數(單位一般為kg/L)指的是標準規(guī)定的氣瓶單位水容積允許充裝的最大氣體重量。我們知道，氣瓶如果過量充裝，會造成重大安全隱患，最大充裝量作為重要的參數，設計時必須予以明確，且應標示在氣瓶銘牌中。對于氣瓶來說，充裝量的計算通常是由充裝系數乘以氣瓶公稱容積得到?！稓馄堪踩O(jiān)察規(guī)程》對液化氣體氣瓶規(guī)定了充裝系數的選取方法及常見液化氣體氣瓶的充裝系數，而對于焊接絕熱氣瓶，沒有明確的取值規(guī)定。因此在計算焊接絕熱氣瓶最大充裝量時，設計單位一般從其他相近的標準尋找依據。如，通常參考GB/T 18442.3—2011《固定式真空絕熱深冷壓力容器 第3部分：設計》[5]對額定充滿率的規(guī)定進行取值。該標準對額定充滿率的規(guī)定為：盛裝深冷介質的容器，在初始充裝狀態(tài)下，充裝非易燃易爆介質的液相空間應不大于內容器幾何容積的95%，充裝易爆介質的液相容積應不大于內容器幾何容積的90%。因此，焊接絕熱氣瓶的設計單位設計時一般也按上述規(guī)定選取有效容積。但是，在計算最大充裝量時液體的密度又無據可查，因此在設計時還是會造成疑惑。因此，對于焊接絕熱氣瓶來說，在法規(guī)或標準中明確介質的充裝系數極為必要。

3 充裝系數的影響因素

低溫液體在氣瓶內的狀態(tài)為氣液雙相共存狀態(tài)，在平衡狀態(tài)下，瓶內液體密度為飽和液體的密度，氣相壓力為飽和蒸氣壓。飽和液體的溫度越高，對應的飽和蒸氣壓越大，密度則越小。使用過程中，隨著傳熱的累積，瓶內液體溫度上升，體積膨脹，氣瓶內壓升高，當飽和蒸氣壓達到安全閥開啟壓力時，安全閥排放。焊接絕熱氣瓶中低溫液體的物態(tài)參數變化規(guī)律與液化氣體氣瓶中液化氣體的物態(tài)參數變化規(guī)律非常相似。因此，對焊接絕熱氣瓶充裝量的控制原則也應該是確保液體溫度升高體積膨脹的情況下不滿液。

根據以上分析，充裝系數的影響因素可以歸納為以下幾點。

3.1 介質種類

顯而易見，介質不同，其密度自然不同，充裝系數也就不同。不同介質在不同溫度下的密度可以通過查閱氣體手冊獲取。

另外，在設置安全系數時，還應考慮介質的危險特性。對于危險性高的介質，可以適當降低其充裝系數。

3.2 規(guī)定的氣相安全空間的大小

氣相安全空間的大小是充裝系數確定的前提，而氣相安全空間的大小是人為設定的，如可以規(guī)定液體極限膨脹后剩余的氣相安全空間量為3%或5%。TSG R0006—2014第6.6.1.1條對低壓液化氣體氣瓶充裝系數的要求為：充裝系數應不大于在氣瓶最高使用溫度下液體密度的97%，也就是說，低壓液化氣瓶充裝后，瓶內液體溫度升高至最高使用溫度下膨脹至最大體積后，還應有3%的氣相安全空間。焊接絕熱氣瓶也可以參考這一規(guī)定來進行要求，同時兼顧介質的危險特性以及氣瓶使用的經濟性，設置合理的安全空間。

3.3 安全閥開啟壓力

通過前述分析，焊接絕熱氣瓶充裝液體后，如果長時間未使用液體，液體溫度會升高，體積膨脹，氣瓶內壓升高，直至安全閥開啟。安全閥的整定壓力設置越高，瓶內液體的飽和蒸氣壓上升越高，其體積膨脹越多，液體膨脹所需的安全空間也越大，則應規(guī)定越小的充裝系數。反之對于較低的安全閥整定壓力，則可以規(guī)定相對大的充裝系數。

因此，在確定充裝系數時，應綜合考慮以上幾方面的因素。

4 結 論

1.應盡快在法規(guī)或標準中對低溫液體的充裝系數進行明確。

2.確定焊接絕熱氣瓶的安全系數時，建議在確保安全的原則下，兼顧氣瓶的使用經濟性，按介質種類和不同的安全閥整定壓力分別規(guī)定。