高海拔條件液化石油氣鋼瓶充裝過程的承壓性能

黃 鵬，馬 俊，次仁朗杰，格桑加措，段守富，蒲琳琳，王 夢

(1.西藏自治區山南市市場監管管理局，西藏山南 856007；2.綿陽師范學院機電工程學院，四川綿陽 621006；3.綿陽職業技術學院電子與信息學院，四川綿陽 621000)

0 引言

液化石油氣(Liquefied Petroleum Gas，簡稱LPG)在日常生活中被廣泛使用，作為載體的液化石油氣鋼瓶(以下簡稱鋼瓶)是盛裝LPG的特種設備，其安全性受到人們普遍關注.鋼瓶爆炸、泄漏燃燒等事故嚴重威脅著人民群眾生命財產安全.鋼瓶爆炸原因主要有：過量充裝、高溫烘烤、機械碰撞、設備缺陷等，特別是在高海拔地區，外部大氣壓低，氣溫變化大，使得鋼瓶內外壓差增大，在液化石油氣充裝和使用過程中，鋼瓶承壓性能值得人們高度重視.

國內外學者對鋼瓶的安全性能進行了很多有益探索.李保緒[1]等采用鉆孔法對液化石油氣鋼瓶的環焊縫、角焊縫和封頭位置的殘余應力分布特性進行了研究.范曉東[2]等采用故障樹分析法(FTA)及失效模式與影響分析法(FMEA)對液化石油氣鋼瓶風險分析和全流程故障及失效模式進行了研究.王華明[3]等通過斷口電鏡分析、金相分析、能譜分析等手段，對YSP35.5型液化石油氣鋼瓶爆炸進行研究，現場勘查表明，斷口顯微形貌為韌窩狀，說明鋼瓶受熱導致瓶內介質壓力升高而爆裂.張小良[4]等通過改變設置剩余質量等不同參數，運用ALOHA軟件對比分析瓶裝LPG發生蒸氣云爆炸(UVCE)、沸騰液體擴展為蒸氣爆炸(BLEVE)的沖擊波及影響因素，結果表明，同樣條件下BLEVE比UVCE事故傷害范圍大.ZHANG[5]等研究了液化石油氣爆炸的影響因素，并進行了量化分析.BARIHA[6]等對運輸過程中液化石油氣鋼瓶的爆炸危險進行了分析發現：機械碰撞是引發爆炸的一個重要因素.LEAL[7]等對承壓容器內液化石油氣爆炸風險進行了評估與分析.眾多學者做了大量貢獻，但在高海拔條件下，對鋼瓶承壓性能進行專題研究甚少.

西藏山南地區平均海拔在3 600 m以上，個別使用液化石油氣的鄉鎮在4 500 m以上，大氣壓低，晝夜溫差大，具有典型的高原氣候特征，在山南地區進行試驗，以研究高海拔條件下液化石油氣鋼瓶充裝和使用過程中的承壓性能，對于高海拔鋼瓶監管就具有普遍參考價值.

1 介質與鋼瓶

LPG主要是丙烷、丙烯和丁烯的混合物.LPG在常壓下為氣態，密度是空氣的1.5～2.0倍，經過降溫和加壓處理后成為液態，其密度約為水的1/2，揮發性強，燃點低，熱值大，爆炸上限33.0%，爆炸下限5.0%.LPG在壓力作用下灌入鋼瓶并貯存，因此要求鋼瓶能承受一定的壓力.鋼瓶的設計壓力是16.0 kg/cm2，它是根據純丙烷在48.0℃時飽和蒸汽壓確定的.因為同樣的溫度下，液化石油氣的各種成分中，以丙烷的蒸汽壓最大.正常情況下，鋼瓶內的壓力不會達到16.0 kg/cm2.按照GB15380-2001標準和規范，液化石油氣鋼瓶均以優質鎮靜鋼制作，鐵含量大于97.0%，碳含量0.13%～0.18%，錳含量0.80%～1.50%，經沖壓拉伸成型，上下兩個橢圓型封頭構成瓶體和底座及瓶閥護罩等，鋼瓶內壁環焊縫處有一環狀襯圈.

鋼瓶承壓性能差會先引起物理爆炸，物理爆炸是指物質因狀態或壓力發生突變等物理變化引起的爆炸.物理爆炸后往往會引起化學爆炸.化學爆炸是指由物質發生極迅速的化學反應，產生高溫、高壓而引起的爆炸，化學爆炸前后物質的性質和成分均發生了根本的變化，危害更大.在監管過程中需要對已有的鋼瓶，進行強度校核和應力分析，保證鋼瓶的安全使用.鋼瓶公稱工作壓力一般為鋼瓶的耐壓試驗壓力，是指60 ℃時的飽和壓力，通常鋼瓶公稱工作壓力為2.1 MPa.鋼瓶的試驗壓力包括耐壓試驗壓力和氣密性試驗壓力，按照國家規定，在做焊接鋼瓶的耐壓試驗時，水壓是1.5倍公稱工作壓力，鋼瓶的另外一項爆破安全系數是指實際水壓爆破壓力與公稱工作壓力的比值，鋼瓶的爆破安全系數應當大于或者等于3.0.

考慮溫度對材料各項性能的影響，其對材料的屈服強度也會產生一定的影響，現取鋼瓶材料屈服強度為355 Mpa，利用已建立的溫度相關性屈服強度模型(TDYS Model)，分別計算在室溫20 ℃和60 ℃的屈服強度，從而確定溫度變化對屈服強度的影響.溫度相關性屈服強度模型(TDYS Model)如(1)式所示，式中VT、ET和σ(T)分別是T溫度下材料的泊松比、彈性模量和屈服強度，Tm是熔點溫度，取為1 495 ℃，σ(To)、VTo、ETo分別是材料參考溫度T0下的屈服強度、泊松比和楊氏模量，一般將T0設置為室溫20 ℃.

(1)

由上式計算得到，假設安全系數為3.0，在60 ℃、20 ℃時，其屈服強度分別為349、354 Mpa，其所能承受的應力大小分別取為116.33、117.94 Mpa.因此，在海拔不同的地方，由于溫度的變化，將會導致材料屈服極限發生改變，使得它的最大充裝量也會發生改變.試驗用鋼瓶，屬薄壁高壓鋼瓶，其圓筒的壁厚相對于半徑小很多時，圓筒斷面上承受彎矩的能力很小，筒壁主要承受的是拉力或壓力，因此，可近似的認為應力在整個筒壁上，沿壁厚方向是均勻分布的，在整個筒壁上，在兩端與中部連接處有焊縫連接的地方，是最薄弱的位置.

再考慮鋼瓶的底部受壓力所產生的應力大小.常見的鋼瓶上下部分是橢圓形封頭和中間圓筒兩部分組成.由于橢圓部分的曲率是連續變化的，所以，它的應力分布比較均勻，受力情況較好.橢圓形封頭的高度比較球形封頭為小，制造比較方便，在壓力容器、石油化工設備中也廣泛應用.為了保證橢圓形封頭的形狀準確，橢圓形封頭均采用模壓成型，橢圓形封頭已有統一的標準，標準橢圓形封頭的長短軸之比為2.5～1.66.在此范圍內封頭的應力分布規律大致如圖1所示，其環向應力及徑向應力的最大值均在封頭頂部.橢圓形封頭在半橢球殼與直邊連接處是存在邊緣應力的，由于其值不大，所以在計算中沒有考慮.可知其在底部由于受壓所產生的應力大小，沒有前面在瓶身上所產生的正應力大，所以不是最危險的地方.

圖1 橢圓形封頭應力分布規律大致示意圖

2 試驗

以規格15 kg鋼瓶為例.壁厚2.5 mm左右，內部壓力為0.5～1.2 MPa.采用標稱電阻350 Ω的應變片檢測鋼瓶應變，按照鋼瓶外形和應變片的特征，在鋼瓶內部和鋼瓶外部的上下部位，都不適合粘貼應變片，選擇將應變片貼在鋼瓶豎直部位，共8片，分布在前后左右四個位置，沿周向展開的8片應變片按照圖2所示方式粘貼，數字是各應變片的編號.由于鋼瓶內部氣壓特征，1、2、3、4號應變片承受壓縮變形，5、6、7、8承受拉伸變形.將8片應變片按照圖3方式連接成橋接電路.

假設縱向應變為εx，橫向應變為εy，材料泊松比為μ，則εx=-μεy

1、2、3、4號應變片主要測試εy，5、6、7、8號應變片主要測試εx.

但是，在鋼瓶內壓力作用下，環向界面受力，會導致εx、εy反向變化，不再滿足泊松比的關系.取一微小單元，三維受力情況如圖4所示.Z向是壁厚方向，其變形量很小，因此，忽略Z向受力變形，而X、Y向剛好就是我們應變片粘貼方位，于是，壁面受力可以近似為平面應力狀態.

圖4 壁面微小單元受力分布情況

體應變θ=(V’-V)/V=εx+εy+εz，用應力表達體應變如下式所示：

式中：σm=(σ1+σ2+σ3)/3是平均應力，E/(3(1-2μ))是體積彈性模量.

再假設各應變片測試的應變分布均勻，由εx引起的應變電阻變化值為△Rx=Kεx，則由εy引起的應變片電阻變化值為△Ry=Kεy.

因而，圖3中的U1和U2分別為：

(2)

(3)

于是，電壓輸出：

(4)

材料的彈性模量E近似為常數，應力σm與瓶內外壓力差成正比：

圖5 信號放大電路

(5)

不同海拔高度對氣瓶強度的影響主要是氣壓和氣溫差，而氣壓只影響環境壓力，因此，P外=P外(H)，瓶內壓力取決于氣溫差ΔT和加裝量m，P內=P內(ΔT，m)，因此，(5)式可變換為：

(6)

基于(6)式，選擇如下三個測試步驟：

(1)對鋼瓶分別加裝2、4、6、10、13、15 kg液化氣，在同一加裝量情況下，分別在實驗室環境溫度為5、10、15、20、25、30 ℃下，每個溫度點持續4 h，然后采集對應溫度的鋼瓶內壓力，得到的曲線如圖6所示.由圖6中數據可見，充裝量對瓶內壓力有影響，隨著充裝量增加，瓶內壓力增大.在同一溫度下，充裝量在10 kg以下，瓶內壓力隨充裝量增加線性增加；在充裝量大于10 kg以上，瓶內壓力增加了非線性成分.這是因為隨著充裝量增加，瓶內剩余氣相空間所占比例改變，引起瓶內壓力非線性增加.但溫度變化對瓶內壓力的影響更加明顯.隨著環境溫度的增加，瓶內壓力增加幅度較大.這表明鋼瓶對工作環境溫度靈敏度較大，在監管時需要特別留意.

(2)在8個不同海拔高度：5.0、4.5、4.0、3.5、3.0、2.5、2.0、1.5 km下進行加壓試驗.在每個海拔高度，采用高壓氮氣給鋼瓶加壓，注入過程中，每增加2 atm，采集一次應變值，直到鋼瓶內壓力P內達到20 atm(理論極限為21 atm)，從而測得不同海拔高度下，鋼瓶內壓力和鋼瓶體結構應變值的關系曲線，如圖7所示.測試結果表明，海拔高度對鋼瓶體強度有影響.隨著海拔增高，鋼瓶內外壓差增加，鋼瓶體應變值增加，鋼瓶的承壓強度變小.在測試范圍內，瓶內外壓差和鋼瓶的變形呈現線性關系.這是因為試驗壓力處于鋼瓶材料的比例階段范圍內.

(3)選擇海拔高度5.0 km(西藏山南地區)，進行極限加壓實驗，加壓過程中，連續采集得到的試驗數據，在條件允許的情況下，直到鋼瓶爆破.如果加壓到24.1 atm(極限值的115%)，鋼瓶沒有爆破，停止加壓，結束爆破實驗.采集加壓全過程對應的應變值，經換算得到的試驗數據結果如圖8所示.從圖中可以看出，實驗壓力加到24.1 atm，鋼瓶沒有爆破，但曲線在23.6 atm時，偏離了線性變化，說明此時氣瓶出現屈服變形.

圖8 爆破實驗數據結果

選擇安全系數為1.3，則許用壓力：[p]=23.6/1.3≈18 atm.如果加裝過程初始壓力為6.3 atm(實測數據)，則因溫度升高瓶內許用壓升閾值為11.7 atm.西藏山南地區最近時段和歷史時段的氣溫統計如表1所示.

表1 山南地區最近時段和歷史時段的氣溫統計表

可見，山南地區日溫差接近20 ℃，月溫差達到30 ℃以上，最大值達到37 ℃.按照30 ℃作為鋼瓶工作環境溫差，由圖6測試數據結果可知，瓶內壓力變化將達到12.36 atm，超過了因溫度升高的許用壓升閾值11.7 atm.從圖6曲線查詢得到，許用壓升閾值11.7 atm對應的充裝量為13.84 kg，因此，為了保障安全，在高海拔地區，鋼瓶加裝量應該適當減少.

3 結論

(1)海拔高度對鋼瓶承壓性能有影響，隨著海拔增高，瓶內外壓差增加；溫差大，鋼瓶承壓性能減弱.在山南等高海拔地區，鋼瓶石油液化氣充裝量不應超過13.84 kg；

(2)隨著充裝量增大，瓶內壓力增大，近似線性關系；

(3)工作環境溫度對鋼瓶內壓力的影響明顯，應作為監管的重點.