某液化天然气公交车缓冲罐爆炸原因

黄焕东，沈正祥，陈文飞，张翰林，陈 虎

(宁波市特种设备检验研究院，宁波 315048)

0 引 言

发展液化天然气(LNG)汽车，是改善能源结构、解决能源危机、减少汽车排放污染的最佳路径之一。LNG汽车因具有高燃烧效率和节能减排等优势，在国家政策大力扶持下得到了迅猛发展，逐渐形成了产业化规模。作为绿色交通工具之一，LNG公交车广泛应用于全国各大城市，为出行提供了很大的便利[1-2]。LNG公交车供气系统主要由LNG气瓶、气化器、降压调压阀、缓冲罐、低压滤清器、稳压器、电磁阀、电控调压器、比例混合器以及供气管道等组成。气瓶中的LNG首先经过出液管路进入汽化器，气化成气体，再由调压阀将气体压力降至适当值后，通过缓冲罐和电磁阀供给发动机[3]。缓冲罐安装在供气系统的末端，储存有一定量的气体，当车辆功率较大或来自气瓶的气体量不足时，可提供额外的气体以避免供气不足。目前，LNG公交车仍面临许多技术问题[4-5]，如行驶途中发动机功率突然下降、动力不足及燃料消耗增加等，因此需要开展减缓LNG储存中的自然气化、减小日蒸发率、开发绝热新途径和开发新材料等方面的研究。另外，近年来LNG公交车自燃事件屡有发生，车载供气系统的稳定性和安全性问题逐渐引起重视[6-7]。

2019年12月某天傍晚，某地一辆LNG公交车在行驶途中出现发动机动力不足、车身抖动等异常状况，司机现场检查发现供气系统存在结霜现象，并发出“嘶嘶”响声，司机立即关闭了气瓶的截止阀。第二天上午8时左右，维修人员打开车身左侧舱盖，发现供气管道、汽化器及缓冲罐等均已严重冰冻，并伴有漏气的声音，初步判断是汽化器换热能力不足导致的。因汽化器表面结冰，无法正常装卸，维修人员遂采取常规的自来水浇淋方法进行除冰作业，结果引发缓冲罐爆炸。该缓冲罐材料为S30403钢。作者对回收的缓冲罐残片进行了理化检验，分析了缓冲罐的爆炸原因，并提出了预防措施。

1 理化检验及结果

1.1 化学成分

在缓冲罐残片上取样，采用MAXxLMM16型火花直读光谱仪测试化学成分。由表1可以看出，缓冲罐残片的化学成分满足GB/T 14976-2012标准要求。

表1 缓冲罐残片的化学成分Table 1 Chemical composition of buffer tank fragment %

1.2 显微组织

在缓冲罐残片上取样，用金相研磨机研磨至表面粗糙度约0.1 μm后用王水腐蚀，在JDX-Pro型显微镜上观察显微组织。由图1可以看出，缓冲罐残片中的奥氏体晶粒粗大，呈不规则状，晶界清晰可辨，晶粒内部出现大量滑移带，与S30403不锈钢的显微组织特征相符。晶粒内部的大量滑移带表明缓冲罐发生了滑移变形。

图1 缓冲罐残片的显微组织Fig.1 Microstructure of buffer tank fragment

1.3 宏观形貌和断口微观形貌

由图2(a)可以看出：缓冲罐残片外壁断口与内壁面成约45°角，断口粗糙、无光泽，局部存在塑性变形；裂纹扩展方向基本平行于轴向，垂直于圆周方向。采用Carl Zeiss EVO 18型扫描电镜(SEM)观察外壁断口微观形貌。由图2(b)可以看出，断口凹凸不平，出现大量的剪切型韧窝，韧窝大小和形状各不相同。综上，初步推断该缓冲罐残片的断裂是由高应变速率载荷作用引起的急剧增大的周向和径向(剪切)应力导致的韧性断裂。

图2 缓冲罐残片的宏观形貌和断口微观形貌Fig.2 Macromorphology (a)and fracture micromorphology (b) of buffer tank fragment

1.4 应力校核

缓冲罐的结构和尺寸如图3所示。经测试，缓冲罐材料的屈服强度σs为180 MPa，缓冲罐容积为0.011 m3，设计压力为2.0 MPa。缓冲罐爆炸时的断裂位置为筒体，根据GB 150.3-2011，通过液压试验对筒体进行应力校核。

图3 缓冲罐结构及尺寸Fig.3 Structure and size of buffer tank

液压试验压力下筒体的实际应力水平σT为

(1)

δe=δn-C1-C2

(2)

(3)

式中：PT为液压试验压力；Di为筒体内径；δe为筒体有效厚度；φ为焊接接头系数；δn为筒体名义厚度；C1为筒体厚度负偏差；C2为厚度腐蚀裕量；Pc为计算压力；[σ]为试验温度许用应力；[σ]t为设计温度许用应力。

缓冲罐筒体的内径为214 mm，名义厚度为2.5 mm，厚度负偏差为0.11 mm，厚度腐蚀裕量为0；计算压力为2.0 MPa，设计温度为100 ℃，设计温度许用应力为120 MPa，试验温度为常温，试验温度许用应力为120 MPa，焊接接头系数为0.85。将这些数据代入式(1)式(3)，计算得到缓冲罐筒体的实际应力水平为133.14 MPa，小于0.9σs。缓冲罐筒体的实际应力水平满足应力校核要求，说明筒体强度满足正常使用要求。

2 爆炸原因分析

由理化检验结果可知，缓冲罐的化学成分符合标准要求，显微组织正常，实际应力水平满足应力校核要求，尺寸设计满足要求。因此，从爆炸压力角度分析爆炸原因。

筒体爆炸压力[Pt]的计算公式[8]为

[Pt]=2σtδe/(Di+2δe)

(4)

式中：σt为强度，取设计温度许用应力值。

将缓冲罐的各项参数代入式(4),计算得到缓冲罐筒体的爆炸压力为2.62 MPa。

车辆发生故障后，LNG气瓶截止阀立即被手动关闭，LNG积液残留在供气管道内，其最低温度在-100 ℃左右，导致管道表面温度骤降，空气中的水蒸气接触管道后立即结冰；第二天早上(环境温度3～13 ℃)供气系统仍存在大面积冰冻，并伴有天然气泄漏的声音，表明此时仍有部分LNG积液残留在管道中，且LNG汽化速率与泄漏速率相当，系统内外压力达到动态平衡。冬季的水温略高于环境温度，维修人员采用自来水除冰时，直接浇淋阀门和管道所产生的较大温差使得管道内的LNG积液吸收热量，加速气化。当浇淋的部位为天然气泄漏点时，水与LNG积液接触导致LNG快速相变，汽化速率瞬间提高，天然气在管道内迅速膨胀。当泄漏口来不及释放多余的气体时，平衡状态被打破，系统内压力急剧升高，一旦超过缓冲罐的爆炸压力，缓冲罐就会发生爆炸。

LNG快速相变引起的系统比能可达50～80 kJ·kg-1，内压力可达2～6 MPa[9]；当实际压力大于计算爆炸压力时，罐体发生爆炸失效。S30403不锈钢具有良好的强韧性，因此缓冲罐体爆炸时仅碎裂成片，未引发二次伤害；由于LNG积液量不多且快速相变的能量释放率较低，爆炸冲击波只对邻近的车窗、底板和管路造成破坏。在LNG相变引起的较大系统内压力作用下，缓冲罐整体未产生明显变形但局部发生减薄。由于有限空间内LNG相变引起的爆炸的反应速率高、破坏性大，建议在缓冲罐顶部加装二级安全阀，同时在车顶为安全阀设置专门的排空管。一旦供气管路压力超过安全阀开启压力限值，排空管就会自动泄压，从而有效降低缓冲罐爆炸的风险。

3 结论及措施

(1)该LNG公交车发生故障后其截止阀关闭，导致LNG积液残留在供气管道内，引发管道冰冻和天然气泄漏；采用常温水除冰导致LNG快速相变，系统内压力急剧升高并超过缓冲罐的爆炸压力，最终缓冲罐爆炸。

(2)建议在缓冲罐顶部加装二级安全阀，同时在车顶为安全阀设置专门的排空管，通过排空管泄压来有效降低缓冲罐爆炸的风险。