长管拖车用安全泄放装置及其在火灾事故中的作用

薄 柯程 亮李哲伟邓贵德古纯霖

(1.中国特种设备检测研究院 北京 100029)

(2.石家庄安瑞科气体机械有限公司 石家庄 051430)

长管拖车用安全泄放装置及其在火灾事故中的作用

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(1.中国特种设备检测研究院 北京 100029)

(2.石家庄安瑞科气体机械有限公司 石家庄 051430)

通过分析国内外标准许用的几种长管拖车用安全泄放装置的优缺点，提出优选的结构形式；统计分析了近年来长管拖车火灾案例与安全泄放装置的响应情况，指出火灾条件下，瓶内气体不仅可以通过安全泄放装置泄放，也可通过密封件损坏及管件变形部位泄放；安全泄放装置在部分火灾事故下有所动作，一定程度上能够保证气瓶的安全，但随机性较大；极端火灾情况下，安全泄放装置很难起到作用。

长管拖车 安全泄放装置 火灾事故

20世纪90年代以来,国内天然气和工业气体产业快速发展,长管拖车以其高效、灵活和便捷的特点在气体运输方面得到广泛应用。截至2016年底,我国长管拖车保有量从2005年的2000多台增加到12000台,国内11家企业具备长管拖车生产或组装资质,产量居世界第一。[1]

长管拖车主要运输天然气、氢气等易燃易爆气体,又多运行于交通要道、居民区等人口密集地区,一旦发生事故,将对人民生命财产造成严重的危害。近年来,随着长管拖车数量的增加,火灾事故呈逐年上升趋势。2015年4月,山东某加气站起火,火焰直接喷射到长管拖车上,引发长管拖车气瓶爆裂事故,造成较大的社会影响。

为减低长管拖车在火灾事故中的风险,通用做法是在长管拖车气瓶上安装安全泄放装置,希望气瓶在超温超压的状态下通过安全泄放装置排气泄压,以保护瓶体不致爆破。但长管拖车是否需要安装安全泄放装置,长管拖车气瓶安全泄放装置在火灾情况下的动作规律如何,国内外一直存在争议。本文在分析长管拖车常用安全泄放装置优缺点的基础上,系统收集整理国内长管拖车在火灾事故下安全泄放装置动作的特点,并针对我国长管拖车安全泄放装置结构,提出若干建议。

1 国内外长管拖车用安全泄放装置

因我国95%以上的长管拖车用于运输天然气和氢气,这里只介绍天然气和氢气长管拖车安全泄放装置的结构。国内TSG R0005—2011《移动式压力容器安全技术监察规程》规定了长管拖车安全泄压装置的选用和设计要求。对安全泄放装置,美国联邦法规49CFR-173.301直接引用美国压缩气体协会CGA S1.1《泄压装置标准-第一部分-压缩气体钢瓶》的要求”[2]。CGA S1.1-2011共规定了11种型式的安全泄放装置,根据不同的充装介质,规定选取不同结构型式的安全泄放装置。对天然气和氢气,CGA S1.1规定允许使用的安全泄放装置类型为单爆破片装置(CG-1)、爆破片-易熔塞串联组合装置(CG-4和CG-5)和安全泄放阀(CG-7)。

在美国,充装氢气的长管拖车可不安装安全泄压装置,也可安装在一端或两端,充装天然气的长管拖车气瓶可一端安装安全泄压装置;在国内,天然气、氢气的长管拖车都必须装设安全泄压装置。选型的要求见表1。

表1 国内外法规标准对长管拖车用安全泄放装置的要求

1.1 单爆破片结构

单爆破片结构简单、密闭性强、排放能力大、适应面广,对超压反应灵敏,是国内外普遍选用的结构形式,如图1、图2所示,但爆破片泄放压力有所区别,美国规定爆破片的爆破压力为气瓶水压试验压力的90%,我国规定爆破片爆破压力为水压试验压力。

1.2 爆破片与易熔合金组合结构

易熔塞-爆破片结构与单爆破片结构相似,只是在爆破片远离气体侧设置了易熔合金。与单爆破片结构相比,爆破片外侧设置了易熔合金,一方面在使用过程中避免雨水、冰块与爆破片直接接触,降低爆破片非正常起跳的概率,另一方面,易熔合金与爆破片的串联结构决定了该装置只有在同时超温超压下才会动作,如图3、图4所示。目前,国内外该结构型式应用广泛,但在技术方面区别如下:

图1 单爆破片典型结构图（气瓶前端）

图2 单爆破片典型结构图（气瓶后端）

1)爆破片设定压力不同。美国规定,爆破片的爆破压力为气瓶水压试验压力的90%,我国规定爆破片的爆破压力为水压试验压力。

2)易熔合金塞的动作温度不同。美国允许选取爆破片——易熔合金组合装置有两种形式CG-4和CG-5,其中CG-4中易熔合金的动作温度设定为73.9℃,CG-5的易熔合金的动作温度设定为100℃,我国组合结构中易熔合金塞的动作温度设定为102.5℃,与CG-5比较接近。

图3 易熔塞-爆破片典型结构图（气瓶前端）

图4 易熔塞-爆破片典型结构图（气瓶后端）

3)易熔合金塞的动作压力不同。美国的组合结构需要压力和温度同时达到动作条件,安全泄压装置才可以开启,如果仅仅是压力作用,易熔合金塞不融化,则安全泄压装置不会动作,因此该装置不能阻止在室温下由过量充装引起的压力上升,导致气瓶的破裂。国内法规要求的易熔合金塞装置不得妨碍和影响爆破片装置的正常泄放功能,易熔合金的挤出压力不应当高于爆破片的最大爆破压力,国内的爆破片——易熔塞组合结构中易熔塞仅相当于爆破片上方增加了不影响爆破片泄放的防护结构,在一定意义上等同于美国的单爆破片结构(CG-1)。

1.3 安全阀

安全阀是广泛使用的安全泄压装置,它的特点是结构简单、紧凑,是可重闭式安全泄放装置,在国外部分氢气长管拖车使用安全阀作为安全泄放装置。但其泄压反应慢(因阀的开启具有滞后作用)、对介质的洁净度要求高、密封性能差,对安全阀的精度要求较高,国内不允许选用安全阀作为长管拖车气瓶的安全泄压装置。

1.4 爆破片——安全阀串联组合装置

爆破片——安全阀串联组合装置为CGA S1.1-2011中规定的CG-8型安全泄放装置。按照CGA S1.1-2011的规定,该安全泄放装置不允许用于长管拖车。但我国允许设计者选用这种结构形式。TSG R7001—2011《移动式压力容器安全技术监察规程》规定:充装易燃、易爆介质的气瓶,设计者认为有必要时,可以设置爆破片——安全阀串联组合装置或爆破片——易熔塞串联组合装置。

该类装置在动作前,由于爆破片较好的密封作用,瓶装介质不会泄漏;当由于外界原因导致瞬时高压使爆破片超压爆破时,安全阀快速起跳,同时又能迅速回座,防止瓶装介质进一步泄放。但考虑到爆破片爆破后产生的残片可能会影响安全泄放阀的正常动作,且在火灾条件下,当该类装置在压力达到设计爆破压力而有所动作时,安全阀的重闭性会使瓶内压力始终较高,而气瓶瓶体由于高温作用力学性能下降,因此它不太适合用于火灾条件下防止气瓶爆裂的场合。国内长管拖车制造单位也没有选用该类结构型式,它在长管拖车上的适用性值得商榷。

2 安全泄放装置在火灾事故中的作用

中国特种设备检测研究院长期从事长管拖车定期检验工作,对2009～2015年因火灾事故送到检验站检验的车辆数据进行了整理分析,结合火灾发生的地点,将事故分为两类,一类是长管拖车运输过程起火,一类是加气站场内起火,需要说明的是,因部分车辆发生火灾事故后未送到检验站,因此该数据仅为目前能够掌握的部分数据,见表2。火灾事故的典型照片见图5、图6。

表2 火灾事故下长管拖车安全泄放装置基本情况

图5 后仓受火端安全装置全部起爆

图6 轮胎起火典型事故案例

从表2可知,长管拖车的道路火灾事故33台,占总火灾事故的90%以上。据调查统计,除极少数外来火源外,起火原因主要由于车辆行进过程中刹车片长时间摩擦轮毂产生高温,通过热传导将热量传递到轮胎上,达到一定温度后引发后轮胎着火。轮胎起火的热值较低,且后端轮胎数量为2～3只,总燃烧热量有限,不足以对气瓶本体本质安全造成影响。截至2016年底,检验中没有发现1只气瓶因道路火灾引起爆破。

加气站内的环境较道路复杂得多,既包括站内压缩天然气和相关设备如压缩机、加气机、缓冲罐等,也包括站内停放的其他车辆,既有可燃介质也有相关高压设备,一旦发生火灾爆炸,其后果较公路更为严重。长管拖车加气站内的火灾事故有3起,其中最严重的1台长管拖车加气软管突然断裂起火,火焰直接喷射到气瓶本体上,并引燃周边3只长管拖车轮胎。消防队员在灭火过程中,2只气瓶爆破。

对火灾后的长管拖车和起跳的安全泄放装置进行分析,主要特点如下:

1)起跳的安全泄放装置均位于车辆后端,前端无泄放装置起跳。

道路火灾通常发生在车辆后端,气瓶前端安全泄放装置距离火源较远,起跳概率极低。且如前端安全泄放装置起跳,可燃介质喷出遇介质起火,容易对车辆前端驾驶室人员造成伤害,因此境外气体公司充装氢气的长管拖车一般不在前端安装安全泄压装置。

2)起跳的安全泄放装置附近有受火痕迹。

对起跳的安全泄放装置进行分析,起跳的安全泄放装置既包括单爆破片结构也包括爆破片易熔塞组合结构,大部分起跳安全泄放装置附近有受火痕迹,见图5。火灾中,易熔合金在高温下融化,同时爆破片在高温下强度降低,其爆破压力随之降低,可能在没有达到设计爆破压力的情况下起爆。

3)受火车辆的管路密封件被火焰烧损和管件遇火变形的情况,见图7,说明在火灾中介质也可能通过密封部位泄放。

图7 火灾事故中发生变形安全装置底座

4)安全泄放装置并非在所有情况下能够起到安全泄放的作用。

API 521标准中指出:“对于极大火灾的情况下,安全泄放装置不能起作用”,加气站火灾气瓶爆裂事故中,天然气火焰直接喷到气瓶上,导致气瓶温度急剧上升,材料强度急剧下降,安全爆破装置未达到爆破压力,气瓶即发生破裂,见图8。该类特殊工况下,安全泄放装置不能动作。因此,安全泄放装置并不是万能的,它只有在特定的工况下才可能起到应有的作用。

图8 火灾事故中爆裂的气瓶

3 问题与建议

长管拖车在火灾情况下安全泄放装置的动作规律一直是国内外关注的问题。美国Barlen & Associates公司组织BOC,AIR LIQUIDE和美国运输部(DOT)等相关单位进行了氢气长管拖车整车的火烧试验,为美国运输部规定氢气长管拖车可不装设安全泄放装置提供了技术支撑。我国尚未针对长管拖车气瓶安全泄放装置不同结构型式在火灾事故中的响应规律开展过系统研究,尤其是最近几年新出现长管拖车用纤维缠绕气瓶,其在火灾下的纤维的传热规律与钢瓶有较大区别,其安全泄放装置的选型仍需进一步研究。

针对国内长管拖车气瓶安全泄放装置的使用现状,提出以下建议:

1)综合比较国内外法规标准对长管拖车用安全泄放装置的规定,长管拖车用安全泄放装置优先选择单爆破片或爆破片易熔合金组合结构,不建议选择爆破片-安全阀串联组合装置。

2)道路上火灾基本为后轮胎着火引起,前端安全泄放装置起跳概率极低,建议参考美国标准取消前端安全泄放装置。

3)安全泄放装置在部分火灾事故下有所动作,但极端火灾情况下,安全泄放装置很难起到作用。

[1] 董红磊，李邦宪，张君鹏，等．长管拖车钢瓶硬度控制范围和验收标准的探讨[J]．压力容器，2012，29(10)：47-52+66．

[2] 周日峰，张健中，许光，等．长管拖车安全附件应用技术发展现状[J]．山东化工，2015，24(44)：103-105．

[3] CGA S1．1-2011 Pressure Relief Device Standards-Part 1-Cylinder For Compressured Gases[S]．

[4] API 521 Sizing， Selection， and Installation of Pressure-Relieving Devices in Refineries[S]．

Safety Relief Device for Tube Trailer and Its Function in Fire Accident

Bo Ke1Cheng Liang1Li Zhewei2Deng guide1Gu Chunlin1
(1. China Special Equipment Inspection and Research Institute Beijing 100029)
(2. Shijiazhuang EnRic Gas Equipment Co., Ltd. Shijiazhuang 051430)

The preference structure of safety relief devices for tube trailer is proposed through analyzing the advantages and disadvantages of severe safety relief devices allowed by standards at home and abroad. The response of safety relief device in the fre accident of tube trailer in recent years is analyzed, which shows that the gas in the cylinder can be discharged through not only the safety relief device but also the seal damaged and the pipe fitting deformation. The safety relief device can operate under partial fre cases and keeps the gas cylinder safe to some extent but with high randomness. Under extreme fre accident, the safety relief device is hard to play a role.

Tube trailer Safety relief device Fire accident

X933.4

B

1673-257X(2017)08-0024-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.08.007

薄柯（1979～)，男，硕士，高级工程师，从事固定式压力容器、移动式压力容器、气瓶等定期检验及安全性能研究工作。

薄柯，E-mail： 120059183@qq．com。

总局科技计划项目（编号：2015QK254)

2016-05-11）