某液化天然氣公交車緩沖罐爆炸原因

黃煥東，沈正祥，陳文飛，張翰林，陳 虎

(寧波市特種設備檢驗研究院，寧波 315048)

0 引 言

發展液化天然氣(LNG)汽車，是改善能源結構、解決能源危機、減少汽車排放污染的最佳路徑之一。LNG汽車因具有高燃燒效率和節能減排等優勢，在國家政策大力扶持下得到了迅猛發展，逐漸形成了產業化規模。作為綠色交通工具之一，LNG公交車廣泛應用于全國各大城市，為出行提供了很大的便利[1-2]。LNG公交車供氣系統主要由LNG氣瓶、氣化器、降壓調壓閥、緩沖罐、低壓濾清器、穩壓器、電磁閥、電控調壓器、比例混合器以及供氣管道等組成。氣瓶中的LNG首先經過出液管路進入汽化器，氣化成氣體，再由調壓閥將氣體壓力降至適當值后，通過緩沖罐和電磁閥供給發動機[3]。緩沖罐安裝在供氣系統的末端，儲存有一定量的氣體，當車輛功率較大或來自氣瓶的氣體量不足時，可提供額外的氣體以避免供氣不足。目前，LNG公交車仍面臨許多技術問題[4-5]，如行駛途中發動機功率突然下降、動力不足及燃料消耗增加等，因此需要開展減緩LNG儲存中的自然氣化、減小日蒸發率、開發絕熱新途徑和開發新材料等方面的研究。另外，近年來LNG公交車自燃事件屢有發生，車載供氣系統的穩定性和安全性問題逐漸引起重視[6-7]。

2019年12月某天傍晚，某地一輛LNG公交車在行駛途中出現發動機動力不足、車身抖動等異常狀況，司機現場檢查發現供氣系統存在結霜現象，并發出“嘶嘶”響聲，司機立即關閉了氣瓶的截止閥。第二天上午8時左右，維修人員打開車身左側艙蓋，發現供氣管道、汽化器及緩沖罐等均已嚴重冰凍，并伴有漏氣的聲音，初步判斷是汽化器換熱能力不足導致的。因汽化器表面結冰，無法正常裝卸，維修人員遂采取常規的自來水澆淋方法進行除冰作業，結果引發緩沖罐爆炸。該緩沖罐材料為S30403鋼。作者對回收的緩沖罐殘片進行了理化檢驗，分析了緩沖罐的爆炸原因，并提出了預防措施。

1 理化檢驗及結果

1.1 化學成分

在緩沖罐殘片上取樣，采用MAXxLMM16型火花直讀光譜儀測試化學成分。由表1可以看出，緩沖罐殘片的化學成分滿足GB/T 14976-2012標準要求。

表1 緩沖罐殘片的化學成分Table 1 Chemical composition of buffer tank fragment %

1.2 顯微組織

在緩沖罐殘片上取樣，用金相研磨機研磨至表面粗糙度約0.1 μm后用王水腐蝕，在JDX-Pro型顯微鏡上觀察顯微組織。由圖1可以看出，緩沖罐殘片中的奧氏體晶粒粗大，呈不規則狀，晶界清晰可辨，晶粒內部出現大量滑移帶，與S30403不銹鋼的顯微組織特征相符。晶粒內部的大量滑移帶表明緩沖罐發生了滑移變形。

圖1 緩沖罐殘片的顯微組織Fig.1 Microstructure of buffer tank fragment

1.3 宏觀形貌和斷口微觀形貌

由圖2(a)可以看出：緩沖罐殘片外壁斷口與內壁面成約45°角，斷口粗糙、無光澤，局部存在塑性變形；裂紋擴展方向基本平行于軸向，垂直于圓周方向。采用Carl Zeiss EVO 18型掃描電鏡(SEM)觀察外壁斷口微觀形貌。由圖2(b)可以看出，斷口凹凸不平，出現大量的剪切型韌窩，韌窩大小和形狀各不相同。綜上，初步推斷該緩沖罐殘片的斷裂是由高應變速率載荷作用引起的急劇增大的周向和徑向(剪切)應力導致的韌性斷裂。

圖2 緩沖罐殘片的宏觀形貌和斷口微觀形貌Fig.2 Macromorphology (a)and fracture micromorphology (b) of buffer tank fragment

1.4 應力校核

緩沖罐的結構和尺寸如圖3所示。經測試，緩沖罐材料的屈服強度σs為180 MPa，緩沖罐容積為0.011 m3，設計壓力為2.0 MPa。緩沖罐爆炸時的斷裂位置為筒體，根據GB 150.3-2011，通過液壓試驗對筒體進行應力校核。

圖3 緩沖罐結構及尺寸Fig.3 Structure and size of buffer tank

液壓試驗壓力下筒體的實際應力水平σT為

(1)

δe=δn-C1-C2

(2)

(3)

式中：PT為液壓試驗壓力；Di為筒體內徑；δe為筒體有效厚度；φ為焊接接頭系數；δn為筒體名義厚度；C1為筒體厚度負偏差；C2為厚度腐蝕裕量；Pc為計算壓力；[σ]為試驗溫度許用應力；[σ]t為設計溫度許用應力。

緩沖罐筒體的內徑為214 mm，名義厚度為2.5 mm，厚度負偏差為0.11 mm，厚度腐蝕裕量為0；計算壓力為2.0 MPa，設計溫度為100 ℃，設計溫度許用應力為120 MPa，試驗溫度為常溫，試驗溫度許用應力為120 MPa，焊接接頭系數為0.85。將這些數據代入式(1)式(3)，計算得到緩沖罐筒體的實際應力水平為133.14 MPa，小于0.9σs。緩沖罐筒體的實際應力水平滿足應力校核要求，說明筒體強度滿足正常使用要求。

2 爆炸原因分析

由理化檢驗結果可知，緩沖罐的化學成分符合標準要求，顯微組織正常，實際應力水平滿足應力校核要求，尺寸設計滿足要求。因此，從爆炸壓力角度分析爆炸原因。

筒體爆炸壓力[Pt]的計算公式[8]為

[Pt]=2σtδe/(Di+2δe)

(4)

式中：σt為強度，取設計溫度許用應力值。

將緩沖罐的各項參數代入式(4),計算得到緩沖罐筒體的爆炸壓力為2.62 MPa。

車輛發生故障后，LNG氣瓶截止閥立即被手動關閉，LNG積液殘留在供氣管道內，其最低溫度在-100 ℃左右，導致管道表面溫度驟降，空氣中的水蒸氣接觸管道后立即結冰；第二天早上(環境溫度3～13 ℃)供氣系統仍存在大面積冰凍，并伴有天然氣泄漏的聲音，表明此時仍有部分LNG積液殘留在管道中，且LNG汽化速率與泄漏速率相當，系統內外壓力達到動態平衡。冬季的水溫略高于環境溫度，維修人員采用自來水除冰時，直接澆淋閥門和管道所產生的較大溫差使得管道內的LNG積液吸收熱量，加速氣化。當澆淋的部位為天然氣泄漏點時，水與LNG積液接觸導致LNG快速相變，汽化速率瞬間提高，天然氣在管道內迅速膨脹。當泄漏口來不及釋放多余的氣體時，平衡狀態被打破，系統內壓力急劇升高，一旦超過緩沖罐的爆炸壓力，緩沖罐就會發生爆炸。

LNG快速相變引起的系統比能可達50～80 kJ·kg-1，內壓力可達2～6 MPa[9]；當實際壓力大于計算爆炸壓力時，罐體發生爆炸失效。S30403不銹鋼具有良好的強韌性，因此緩沖罐體爆炸時僅碎裂成片，未引發二次傷害；由于LNG積液量不多且快速相變的能量釋放率較低，爆炸沖擊波只對鄰近的車窗、底板和管路造成破壞。在LNG相變引起的較大系統內壓力作用下，緩沖罐整體未產生明顯變形但局部發生減薄。由于有限空間內LNG相變引起的爆炸的反應速率高、破壞性大，建議在緩沖罐頂部加裝二級安全閥，同時在車頂為安全閥設置專門的排空管。一旦供氣管路壓力超過安全閥開啟壓力限值，排空管就會自動泄壓，從而有效降低緩沖罐爆炸的風險。

3 結論及措施

(1)該LNG公交車發生故障后其截止閥關閉，導致LNG積液殘留在供氣管道內，引發管道冰凍和天然氣泄漏；采用常溫水除冰導致LNG快速相變，系統內壓力急劇升高并超過緩沖罐的爆炸壓力，最終緩沖罐爆炸。

(2)建議在緩沖罐頂部加裝二級安全閥，同時在車頂為安全閥設置專門的排空管，通過排空管泄壓來有效降低緩沖罐爆炸的風險。