长管拖车、管束式集装箱安全泄放装置的选用探讨

周伟明1，史斐菲，吴全龙

(1.上海市气体工业协会，上海 200030；2.上海华理安全装备有限公司，上海 201108)

符号说明：

Ws——气瓶安全泄放量，kg/h;

Wc——气瓶水容积，kg；

V0——气瓶体积，L；

Qa——在0.1 MPa，15 ℃时空气的当量排放量，m3/min；

Q′a——在0.1 MPa，15 ℃时空气的当量排放量，m3/h；

p——泄放压力(绝对压力)，MPa；

P——泄放压力(绝对压力)，kPa；

K——泄放系数，无量纲；

T——泄放压力下饱和气体绝对温度，K；

Z——气体压缩系数，无量纲；

M——介质摩尔质量，kg/kmol；

k——气体绝热指数，无量纲。

0 引言

长管拖车、管束式集装箱作为工业气体、能源行业的重要运输装备，在国民经济的发展中具有极其重要的作用。由于很多压缩空气(比如天然气、氢气)在储运过程存在潜在的泄漏和爆炸风险，一旦发生火灾爆炸事故，会造成生命安全及财产的重大损失，因此,各国标准法规均要求安装泄压装置，以保证气瓶在超温、超压工况下能安全泄放，降低事故风险[1]。

我国早期的长管拖车、管束式集装箱大多从国外引进，气瓶制造与管理遵循CFR49《美国联邦规程》和美国运输部(DOT)相关技术规范，气瓶安全泄放装置设置遵循CGA S-1.1规定，通常选用爆破片或爆破片与易熔合金塞串联组合装置。尽管实际使用已有很长时间，但大多数工程设计人员对运输设备的使用工况、大容积无缝气瓶的失效模式、充装介质的危险特性，以及各种安全泄放装置适用工况并没有很好理解，对不同介质的气瓶究竟应该如何科学合理设置安全泄放装置，仍然概念模糊，国内也没有相关标准予以明确规定。

本文从CGA S-1.1—2011 《Pressure Relief Device Standards—Part 1—Cylinders for Compressed Gases》[2]对长管拖车、管束式集装箱气瓶安全泄放装置类型选择、规格尺寸确定两方面展开研究，为国内标准编制人员和产品设计人员提供参考。

1 CGA S-1.1安全泄放装置类型介绍

CGA(Compressed Gas Association)为美国压缩气体协会简称，包括美国和加拿大等十几个会员单位。CGA S-1.1是一个关于充装压缩气体的气瓶安全泄放装置设置的标准，对水容积超过454 L的气瓶，如果满足美国运输部(DOT)相关技术规范及加拿大运输规程(TC)的要求(DOT-3AX，DOT-3AAX及DOT-3T)，可按该标准进行安全泄放装置的设置。CGA S-1.1中推荐的安全泄放装置类型共有11种，具体如表1所示。

表1 CGA S-1.1中安全泄放装置类型

这十一种安全泄放装置各有优缺点，适用的温度范围和压力范围也各不相同，在实际选用时应根据压缩气体介质的危特性、可能存在的气瓶失效工况等因素综合考虑。

对于长管拖车、管束式集装箱气瓶而言，存在以下几种可能的失效模式：

Ⅰ——充装或其他原因导致的工艺物理超压；

Ⅱ——公称工作压力时的火灾超压；

Ⅲ——远低于公称工作压力时的火灾超压。

需要注意的是，由于长管拖车、管束式集装箱气瓶的长度基本超过10 m，安全泄放装置通常设置在前后端，如果是易熔塞或其组合装置，在火灾工况时又要考虑易熔塞熔化与否两种不同的工况。易熔塞能否熔化取决于其安装位置和火灾大小，比如气瓶中间着火，则不一定能使两端的易熔合金塞熔化，而气瓶一端着火则可能无法使另一端的易熔塞熔化动作。

CG-2，CG-3，CG-9，CG-10均为易熔合金塞装置，属于热动作泄放装置，不能防止由于不正常充装引起的超压破坏，且由于装置本身密封性能和抗蠕变性能不佳，因此很少在长管拖车、管束式集装箱气瓶上单独使用。CG-2，CG-3，CG-9在GB/T 8337—2011《气瓶用易熔合金塞装置》[3]中有相对应的产品规定。4种装置的动作温度、最小挤出压力如表2所示。

表2 CG-2，CG-3，CG-9，CG-10性能

注*：动作时间取决于火灾大小及对易熔合金温度传递的快慢，通常从起火至动作可能达20 min以上

为了克服CG-2，CG-3本身缺陷，出现了表1中CG-4，CG-5两种结构。由于其避免了爆破片(抗疲劳性差)和易熔合金塞(抗蠕变性能差)单独使用时的各自缺陷，因此成了CGA S-1.1中常见的两种安全泄放装置。但是这两种组合装置要求压力和温度同时超过设定值才能动作，因此不能阻止气瓶由于不恰当的充装引起的超压或易熔金属未熔化时的火灾超压所导致的失效。换句话说，只有火灾下且易熔合金塞熔化时，安全泄放装置才能起到保护气瓶的作用。试验表明，在常温下对这两种结构的装置进行爆破验证，其压力可能高达气瓶耐压试验压力的1.5～2.0倍，此时选用CG-4，CG-5或其他单一易熔塞合金装置就存在气瓶破裂的风险。

目前，CG-9，CG-10，CG-11，CG-12这4种安全泄放装置国内还未见相应产品，在CGA S-1.1中也还未大范围推广(见CGA S-1.1 Table 3)。如果有成熟可靠的产品，显然这些产品的单独使用(比如CG-12)或与爆破片的并联使用(比如CG-9，CG-10)，将可以保护长管拖车、管束式集装箱气瓶在物理超压、工作压力下火灾超压、低压力下火灾超压等工况时的安全。

CG-1(爆破片装置)、CG-7(压力泄放阀)较常见，本文不再赘述。

2 CGA S-1.1中常见介质安全泄放装置的选用

从CGA S-1.1中Table 3可以看出，相同介质某些场合采用爆破片单一泄压装置，而另外一些场合又采用爆破片与易熔塞组合装置，究竟安装哪种泄压装置，需经过风险识别分析后具体选择其中一种。

表3根据CGA S-1.1中Table 3列举了一些常见介质安全泄放装置的选用型式和要求。

表3 CGA S-1.1中常见介质安全泄放装置的选用型式和要求

注：★表示安全泄放装置是必备的；▲表示安全泄放装置是可选的；☆表示安全泄放装置应并联其他泄放装置(通常是CG-1)

爆破片显然是CGA S-1.1推荐的首选安全泄放装置，但国内很多工程技术人员却认为CGA S-1.1更偏向于选择CG-4和CG-5,并且实际中也是以设置这两种结构为主。这其实忽略了一个重要前提条件，即CGA S-1.1 Table 3中的一个注意事项，表格前面的Note 3(CG-4和CG-5不适应于110%的过充工况)。

对于一旦泄漏在大气中容易引起燃烧和爆炸的介质，比如氢气，CGA S-1.1中并不强制要求设置安全泄放装置，是否设置由设计人员综合权衡决定。

对于天然气，CGA S-1.1中推荐了CG-9与CG-1的并联组合装置，这其实就能很好地防止前面提到的所有3种气瓶失效工况，特别是解决了“远低于公称工作压力时的火灾超压”气瓶失效工况。如果CG-9和CG-1这两种结构的产品在使用性能上能得到充分保证，则两者的并联组合可以推广到其他介质。

CGA S-1.1并不限制是只在气瓶一端设置还是两端均设置安全泄放装置，所有的规定都是可以一端设置、但也允许另一端同时设置。笔者认为，设置时可以遵循如下原则：

(1)CG-1只在一端设置即可，设置数量越少，则泄放装置本身失效(比如泄漏、提前动作)概率越小；

(2)CG-4或CG-5尽可能在两端都设置，这样可使火灾时易熔塞被熔化的概率更高。

从上述分析可以看出，对长管拖车、管束式集装箱气瓶用安全泄放装置，由于爆破片、易熔塞各自特点和可能存在的问题，目前，无论采用哪种结构都无法解决所有的安全隐患。

面对这种情况，应根据风险评估分析，选择更安全可靠的泄压装置。如果爆破片爆破(正常爆破或提前失效)所引起的后果非常严重，则建议采用CG-4或CG-5这种可靠度高的结构，而不再考虑长管拖车、管束式集装箱气瓶局部受火易熔塞无法熔化时存在的风险问题。如果气瓶局部受火概率高，且爆破片爆破引起的事故后果可以接受，则可采用单一爆破片结构。当然，对于单一爆破片装置，本文在后面还将提出更加科学可靠的改进措施。

综上所述，CGA S-1.1在如何选择安全泄放装置及如何确定安全泄放装置的设置位置时，需综合考虑气瓶失效模式、介质本身危特性、泄放装置技术特性等因素。

3 安全泄放装置规格的确定

安全泄放装置规格(即公称直径)的确定是一个非常重要的问题，直接关系到一旦发生超压能否及时泄压。在确定安全泄放装置规格之前要先计算出气瓶安全泄放量。

CGA S-1.1中5.4.2和5.6.2条款分别给出了设置非压力泄放阀(比如爆破片)和压力泄放阀时气瓶安全泄放量计算公式。

CGA S-1.1中5.6.2规定，对于充装压缩气体的气瓶设置压力泄放阀时，安全泄放量可按以下公式进行计算：

Qa=1.395×10-5PWc

(1)

实际上，当P=690 kPa时，代入上式可得:

Qa=9.6×10-3Wc

(2)

此即CGA S-1.1中5.4.2规定的充装压缩气体的气瓶设置非压力泄放阀时安全泄放量计算公式，显然两者计算结果是一致的。至于CGA S-1.1为何对于非压力泄放阀安全泄放量的计算要在5.4.2单独另行给出一个表达方式与5.6.2不一样的计算公式，则仍不得而知。

由于CGA S-1.1中给出的是标准空气(15 ℃，0.1 MPa)的当量体积排量，为了理解方便，下面按国内习惯推导出其在任意气体时质量流量的计算公式[4-5]。

15 ℃，0.1 MPa时空气密度ρ=1 230 kg/L,即可得：

Wa=1.03×103PV0

(3)

相同的安全泄放装置、以不同介质来衡量排放能力时，其泄放面积和泄放系数K相同，因此，由GB/T 150.1附录B[6]可建立如下关系式(下标带a的为标准空气性能参数)：

(4)

将式(3)及15 ℃，0.1 MPa时空气诸参数Ca=356,Za=1,Ta=288 K,Ma=29 kg/kmol,代入式(4)可得：

(5)

此即CGA S-1.1中充装压缩气体的气瓶在任意气体时质量流量的计算公式。

其实只需要令C=315，Z=1.0，T=288 K，并代入式(5)，即可得：

(6)

此即GB/T 33215—2016《气瓶安全泄压装置》[7]中计算公式。由于这一假设对安全泄放量的计算结果影响非常小，但却使计算公式简洁明了，因此在工程实践中采用是完全可行的。GB/T 33215—2016中对于长管拖车及管束式集装箱用气瓶，取其长度不少于3 m的圆筒部分的容积，该规定将导致安全泄放量要比CGA S-1.1的计算结果大为减小，笔者相信GB/T 33215—2016标准编制者肯定对此进行了大量的理论研究和试验验证，否则就将给设备带来安全隐患[8]。

计算出安全泄放量之后，根据GB/T 150.1附录B相关公式即可得到安全泄放装置泄放面积(公称尺寸)。

4 国内长管拖车气瓶安全泄放装置现状

CGA S-1.1中爆破片、易熔合金塞及相互之间的组合装置都可以作为长管拖车气瓶的安全泄放装置，但国内一般只选用爆破片或爆破片与易熔合金塞组合装置。

不选用安全阀，最主要原因是安全阀会回座，从而反复开启，即泄压过程要持续很长一段时间，因此，如果火灾延续时间足够长(尤其是移动容器消防措施更难及时到位)，最终气瓶可能因瓶壁温度升高而导致材料在内压作用下失效破裂。当然，安全阀的结构复杂、需定期校验，也限制了它在长管拖车气瓶上的使用。

国内的易熔合金塞泄压装置虽然有标准GB/T 8337—2011对产品的制造进行规范，但由于缺乏监管部门的有效监督，产品质量参差不齐，几乎很难满足长管拖车的安全性能要求，因此，没有厂家敢单独选择其作为超压泄放装置。

以下对国内几种常见的长管拖车气瓶用安全泄放装置进行简单介绍。

4.1 单独爆破片

爆破片作为一种精准的压力敏感元件，其能否在设定的压力下爆破，取决于很多因素。与固定式压力容器不同，长管拖车、管束式集装箱气瓶这类移动式压力容器的使用工况更复杂，比如气瓶在充装站充装及在使用单位卸载时需承受交变载荷作用，且国内加气站为追求充装速度，提高充装压力的情况普遍存在，这些因素都极易引起操作比增加，而操作比对爆破片疲劳寿命的影响非常显著，如果爆破片经常处于超出操作比的工况，则极易发生爆破片在低于设计爆破压力下的异常提前爆破事故。所以，在选择爆破片结构类型时，应特别注意考虑操作比的要求。平板形爆破片由于其操作比仅为0.5，显然不适应；正拱带槽型爆破片操作比虽然可达到0.8，但由于其爆破时为拉伸破裂，因此在我国北方寒冷地带极易因槽而导致爆破片冰裂。实践证明，反拱带槽型爆破片是长管拖车气瓶用爆破片的最佳选择[9]。

国内对于单独使用爆破片作为长管拖车、管束式集装箱气瓶安全泄放装置最大的争议就是爆破片可能因疲劳损伤或本身产品质量问题导致提前爆破。由于长管拖车、管束式集装箱上每个气瓶均安装泄放装置，因此频繁的低压工况下提前爆破将为长管拖车、管束式集装箱的安全使用带来巨大隐患。本文后面将介绍一种能有效避免这种隐患的装置(见第4.3节)。

4.2 平板形爆破片与易熔合金塞无间隙组合装置[10]

平板形爆破片与易熔合金塞无间隙组合装置是在平板形爆破片泄压侧浇铸易熔合金(带有防挤出结构)，易熔合金与爆破片密切接触、无间隙，浇铸的易熔合金结构具有非常高的抗挤出压力。当环境温度未达到易熔合金熔化温度，易熔塞不动作，爆破片也基本不发生任何拉伸变形，具体结构如图1所示。装置中易熔合金熔化温度早期取73.9 ℃或100 ℃，相当于CGA S-1.1中的CG-4和CG-5。但目前对高压长管拖车气瓶用易熔合金塞，均按GB/T 8337—2011《气瓶用易熔合金塞装置》要求，易熔合金熔化温度为102.5 ℃，这相当于CGA S-1.1中的CG-9与平板形爆破片的组合结构。

图1 平板形爆破片与易熔合金塞无间隙组合装置结构示意

由于在正常工作中气瓶内压力基本由易熔金属承受，因此，只要易熔金属有足够大的抗挤出压力即可。对爆破片性能要求较松，实际上爆破片在这种结构中主要起到密封作用。

显然，这是一种温度与压力共同控制的泄压装置，且主要还是温度控制，温度不到，即使气瓶内压力超过设定泄放压力但低于易熔合金的挤出压力，泄压装置也无法动作。只有在泄压装置安装处温度达到易熔合金熔化温度，且气瓶内压力也达到爆破片爆破压力时，泄压装置才能动作。前面已经提到过，长管拖车在火灾时存在易熔合金不熔化的可能性，因此安装这种结构有潜在安全隐患。

4.3 爆破片和易熔合金塞有间隙组合装置

依据TSG R0005[11]，TSG R0006[12]的规定，长管拖车气瓶超压泄放装置如果选择爆破片与易熔塞组合结构，要求采用爆破片在前、易熔塞在后的串联结构，且易熔塞不得影响爆破片的泄放功能，即要求气瓶不管因何种原因(充装、火灾等)超压，均要能对设备起到保护功能。为了满足这一要求，国内出现了一种新型安全泄放装置——爆破片和易熔合金塞有间隙组合装置，其结构如图2所示。该装置由夹持装置、爆破片组件、限流片、易熔塞等部件组成，爆破片与易熔塞相互独立，两者之间预留间隙。

图2 爆破片和易熔合金塞有间隙组合装置结构示意

这种结构具备如下功能：

(1)当长管拖车气瓶因火灾等外部原因导致压力达到爆破片设计爆破压力时爆破片爆破，且由于易熔塞挤出压力低于爆破片设计爆破压力，即使温度未达到易熔塞动作温度，易熔塞也将被挤出；

(2)当长管拖车气瓶因火灾等外部原因导致超温，但内部压力未达到爆破片设计爆破压力时，尽管外部易熔塞熔化，但爆破片不爆破，因此不会导致介质泄放；

(3)如果爆破片因损伤或疲劳导致在工作压力下提前失效，由于限流片(失效压力低于爆破片设计爆破压力、却高于气瓶公称工作压力)和易熔塞(挤出压力低于爆破片设计爆破压力、却高于气瓶公称工作压力)的存在，介质不会大量泄放，信号孔此时能给出警示，提醒操作人员进行处理；

(4)将反拱带槽型爆破片应用于组合泄放装置中，与现有的平板剪切型爆破片相比，大大提高了爆破片的抗疲劳性能；

(5)易熔塞作为防雨垫片的支撑，大大提高了防雨垫片的寿命，能有效避免爆破片发生冰裂，信号孔的存在可以避免爆破片泄放侧产生背压。

图2所示装置虽然结构稍复杂，但能有效避免前两种装置的缺陷，能同时防止气瓶的物理充装超压和火灾超压，因此是长管拖车气瓶安全泄放装置的一种理想结构。当然，也有工程人员提出疑问，认为该装置中的易熔合金塞未起到任何作用，因为防止雨水、冰冻、腐蚀甚至爆破片提前失效预警完全可以由限流片单独完成，这种观点有一定的道理，由此可延伸出另外一种更加科学的安全泄放装置，即取消其中的易熔合金塞，其结构如图3所示。

图3 带限流片的爆破片安全装置结构示意

图3所示的结构除了保留了图2结构的各项优点外，还与国外研究现状对接和成本两个方面上得到了提升，对设计人员今后设计选用安全泄放装置有很好的参考作用。

5 结语

通过分析可以看出，对长管拖车气瓶用安全泄放装置，由于各自特点和可能存在的问题，目前无论采用哪种装置都难以满足所有的气瓶超压失效模式。因此在具体选用时，应根据介质的不同，对长管拖车气瓶深入开展其风险及失效概率研究(比如是遭遇一端还是两端着火、或者仅遭遇中间着火、介质泄放后的危害性等因素的评估)，以确定真正适用且性能可靠的安全泄放装置。