高海拔條件液化石油氣鋼瓶充裝過程承壓性能的研究

黃鵬 馬俊 次仁朗杰 格桑加措 段守富

（1、西藏自治區山南市市場監督管理局，西藏 山南 856000 2、武漢秉奕和鑫科技有限公司，湖北 武漢 430000）

液化石油氣(Liquefied Petroleum Gas，簡稱LPG) 實際用途比較多，在市場上的需求量也較大。通常情況下，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、石油泄露、遇到明火而引燃石油氣等問題，都是目前比較常見的安全隱患。2015 年10 月10 日，蕪湖市某小吃店發生LPG 鋼瓶爆炸事故，造成17 人死亡；2016 年10 月31 日，六安市，一處液化氣換氣點發生鋼瓶爆炸事故，直接經濟損失100 余萬元；2018 年9 月某市一居民家LPG 鋼瓶發生爆炸，導致廚房東。

北角墻體被炸開；2019 年10 月13 日上午，無錫市錫山區一處LPG 罐發生爆炸，造成9 人死亡，等等。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。我國各地區的海拔高度不同，通過總結安全事故的發生規律來看，在高海拔條件下，由于外部大氣壓低，氣溫變化大，使得鋼瓶內外壓差增大，是引發安全風險的根本因素。因此，在新時期相關專業人才都在積極研究提升鋼瓶承壓性能的方法。

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，對承壓性能的變化問題進行了詳細的分析。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分析，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 Q[5]等研究了會對鋼瓶爆炸產生直接影響的因素，并進行了量化分析。BARIHA N[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，機械碰撞是引發爆炸的重要因素。LEAL C A[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3600 米以上，個別使用液化石油氣的鄉鎮在4500 米以上，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指導意義。

1 介質與鋼瓶

以鋼瓶充裝工作過程為例，在分析承壓性能的變化情況時，要充分了解液化石油氣的主要成分，分析是否存在易燃易爆的成分。實際上，在氣體形態下，主要有丙烷、丙烯和丁烯，密度是空氣的1.5-2.0 倍，要將氣體經過一系列工藝處理，將其變成液體。從液體的性質來看，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16.0kg/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16.0kg/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，為保證瓶身內的密閉性，通常在加工制作鋼瓶時，會在焊縫位置上設置環狀襯圈。

鋼瓶承壓性能差會先引起物理爆炸。這種爆炸主要是因為物體的物理性質被改變，比如，形態、外部承壓能力的變化。爆炸后，如果產生了化學反應，就會由物理爆炸轉變為化學爆炸。這種爆炸的危害更大。

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2.1MPa。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355Mpa，通過專業計算公式和基礎的屈服強度模型（TDYS Model）的構建工作，分別計算在室溫20℃和60℃的屈服強度，確定不同溫度狀態下，鋼瓶材料使用性能的變化情況。

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1495℃，σ (T0)、VT0、ET0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℃。

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349Mpa、354 Mpa，其所能承受的應力大小分別取為116.33Mpa、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，特點是壁厚要小于半徑。在試驗過程中可以發現，圓筒斷面處的承壓能力弱，而瓶身主要會受到拉力和壓力的影響。在鋼瓶充裝過程中，應力會沿著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，是最薄弱的地方。

再考慮鋼瓶的底部，其受壓力所產生的應力大小。大多數鋼瓶都是橢圓形的瓶蓋和底座，瓶身以圓柱體為主。結合這個特點進行承壓性能分析，應關注橢圓形的曲率變化問題，分析相關數據的變化是否會對受力情況產生影響。試驗表明，橢圓形的瓶蓋可以讓應力分布的更加均勻，是提升承壓性能的關鍵所在。所以，在進行瓶蓋和底座制造工作時，都會將形狀設置成橢圓形。從瓶蓋封口處來分析，目前已經有了明確的規定，要求工作人員在采購鋼瓶進行液化石油氣充裝工作時，要保證橢圓形封頭的長短軸之比為2.5～1.66，相關應力分布情況見圖1。

圖1 橢圓形封頭應力分布規律大致示意圖

應力的分布范圍廣，在鋼瓶接口處、邊緣處都會分布一些邊緣應力。基于這種應力對充裝過程中的承壓性能影響較小，因而在應力計算時可以忽略不計。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。

2 試驗

進行承壓性能的研究工作時，工作人員需要選擇標準規格的鋼瓶，規范試驗流程，詳細記錄試驗數據。本文選擇了15 kg 的鋼瓶，經測量，鋼瓶的瓶身厚度大約為2.5 毫米，內部壓力為0.5 MPa～1.2MPa。鋼瓶上下部位都不適合粘貼應變片，如何科學選擇應變片的粘貼位置，就是工作人員在試驗過程中的一項難題。具體可以參照圖2 的布局方式，注意根據貼片的數量來編號，方便記錄瓶身不同位置上的應力變化情況。

圖2 應變片的粘貼方式

1、2、3、4 號應變片承受壓縮變形，5、6、7、8 承受拉伸變形。圖3 是應變片電路連接順序。

圖3 八片應變片的連接方式

假設縱向應變為εx，橫向應變為εy，材料泊松比為μ，則

εx= -μεy

前4 個應變片主要測試εy，后4 個應變片主要測試εx。

鋼瓶不僅會受到外部壓力，內部充裝石油氣的過程中也會受到壓力，該壓力會使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

可以得到廣義胡克定律表達式：

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。

注意在進行試驗的過程中，要大膽假設。比如，假設8 個應變片的應力變化是均勻的，相應的電阻變化值可以用公式△Rx= Kεx來計算。

因而，圖3 中的U1和U2分別為：

海拔高度的變化，使得鋼瓶受到的氣壓和氣溫大小發生了變化。由于氣壓屬于外部環境壓力，因此，P外=P外（H），瓶內壓力取決于氣溫差△T 和加裝量加裝量m，P內=P內（△T,m），因此，上式變為：

圖5 信號放大電路

基于上式，選擇如下三個測試步驟：

（1）對鋼瓶分別加裝2kg、4kg、6kg、10kg、13kg、15kg 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，觀察內壓力變化情況。為保證數據收集的準確度，在溫度升高的過程中，每個溫度節點都應當持續3-4h，數據變化圖見圖6。

根據圖6 中的數據變化情況來分析，液化石油氣充裝數量越多，給瓶身內部帶來的壓力就越高，成正比關系。在溫度條件相同時，如充裝量小于10kg，壓力為線性變化，數據變化比較規律。而大于10kg 后，壓力出現了非線性變化。

圖6 不同加裝量、不同溫度對鋼瓶內壓力的影響

從溫度變化上來看，溫度越大，壓力越高，安全風險就越大。基于此，在具體進行充裝工作時，必須要密切關注環境溫度和鋼瓶的瓶身溫度變化情況，在監管時需要加強這方面的監管。

（2）在8 個不同海拔高度：5000 m、4500 m、4000 m、3500 m、3000 m、2500 m、2000 m、1500 m 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（atm 為一個大氣壓），就要對應力變化情況進行一次詳細的記錄，直到鋼瓶內壓力達到20 atm（理論極限為21 atm），這可以直觀、全面的判斷出標準規格的鋼瓶在不同海拔下的應力變化情況，相應數據變化見圖7。結果表明，海拔高度是造成鋼瓶使用性能發生變化的決定性因素。而其中的關系是：海拔越高，壓力差越大，承壓能力就越低。說明海拔高度和承壓性能成反比，在高海拔條件下，要展開鋼瓶運輸和液體充裝工作，必須要進行安全管理，并選擇合適的鋼瓶材質及規格。

（3）選擇海拔高度5000 米（西藏山南地區），展開鋼瓶壓力測試工作，在保證人員安全的前提下，不斷對鋼瓶施加新的應力，找出鋼瓶的承壓極限值。如果加壓到24.1 atm（極限值的115%），鋼瓶仍然完好無損，則可以記錄相應數據，終止本次研究，數據結果如圖8 所示。

圖8 爆破實驗數據結果

從圖中可以看出，加壓到24.1 atm，鋼瓶完好。不過，曲線不再是線性變化，證明壓力越高對鋼瓶的屈服變形影響越大。一般要將壓力控制在發生非線性變化時的壓力數據之下，可以將安全系數設置成1.3。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。注意記錄當地不同時間段的氣溫變化情況，計算出最佳的鋼瓶充裝時間，相關數據見表1。該地區每日的溫差變化明顯，主要是因為海拔和地域特點造成的晝夜溫差問題。同時，月溫差也比較大，最高差能夠達到37 ℃，以30 ℃為例，在這個溫度下進行鋼瓶充裝可以發現，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 曲線試驗數據查詢得到，許用壓升閾值11.7 atm 對應的充裝量為13.84 kg，這就表示，一般應盡量避免將鋼瓶充裝過滿。即便使用15kg 的鋼瓶，也要在瓶內預留一部分空間，這是降低鋼瓶爆炸幾率的常見方法。

表1 山南地區最近時段和歷史時段的氣溫統計表（單位：℃）

3 結論

綜上所述，得到以下結論：

3.1 海拔高度是降低承壓性能的主要因素，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。

3.2 瓶內充裝量越多，越容易增加內壓力，進而增加負荷，影響安全。

3.3 環境、瓶身的溫度都會影響承壓性能，應作為監管的重點。