高海拔条件液化石油气钢瓶充装过程的承压性能

黄 鹏，马 俊，次仁朗杰，格桑加措，段守富，蒲琳琳，王 梦

(1.西藏自治区山南市市场监管管理局，西藏山南 856007；2.绵阳师范学院机电工程学院，四川绵阳 621006；3.绵阳职业技术学院电子与信息学院，四川绵阳 621000)

0 引言

液化石油气(Liquefied Petroleum Gas，简称LPG)在日常生活中被广泛使用，作为载体的液化石油气钢瓶(以下简称钢瓶)是盛装LPG的特种设备，其安全性受到人们普遍关注.钢瓶爆炸、泄漏燃烧等事故严重威胁着人民群众生命财产安全.钢瓶爆炸原因主要有：过量充装、高温烘烤、机械碰撞、设备缺陷等，特别是在高海拔地区，外部大气压低，气温变化大，使得钢瓶内外压差增大，在液化石油气充装和使用过程中，钢瓶承压性能值得人们高度重视.

国内外学者对钢瓶的安全性能进行了很多有益探索.李保绪[1]等采用钻孔法对液化石油气钢瓶的环焊缝、角焊缝和封头位置的残余应力分布特性进行了研究.范晓东[2]等采用故障树分析法(FTA)及失效模式与影响分析法(FMEA)对液化石油气钢瓶风险分析和全流程故障及失效模式进行了研究.王华明[3]等通过断口电镜分析、金相分析、能谱分析等手段，对YSP35.5型液化石油气钢瓶爆炸进行研究，现场勘查表明，断口显微形貌为韧窝状，说明钢瓶受热导致瓶内介质压力升高而爆裂.张小良[4]等通过改变设置剩余质量等不同参数，运用ALOHA软件对比分析瓶装LPG发生蒸气云爆炸(UVCE)、沸腾液体扩展为蒸气爆炸(BLEVE)的冲击波及影响因素，结果表明，同样条件下BLEVE比UVCE事故伤害范围大.ZHANG[5]等研究了液化石油气爆炸的影响因素，并进行了量化分析.BARIHA[6]等对运输过程中液化石油气钢瓶的爆炸危险进行了分析发现：机械碰撞是引发爆炸的一个重要因素.LEAL[7]等对承压容器内液化石油气爆炸风险进行了评估与分析.众多学者做了大量贡献，但在高海拔条件下，对钢瓶承压性能进行专题研究甚少.

西藏山南地区平均海拔在3 600 m以上，个别使用液化石油气的乡镇在4 500 m以上，大气压低，昼夜温差大，具有典型的高原气候特征，在山南地区进行试验，以研究高海拔条件下液化石油气钢瓶充装和使用过程中的承压性能，对于高海拔钢瓶监管就具有普遍参考价值.

1 介质与钢瓶

LPG主要是丙烷、丙烯和丁烯的混合物.LPG在常压下为气态，密度是空气的1.5～2.0倍，经过降温和加压处理后成为液态，其密度约为水的1/2，挥发性强，燃点低，热值大，爆炸上限33.0%，爆炸下限5.0%.LPG在压力作用下灌入钢瓶并贮存，因此要求钢瓶能承受一定的压力.钢瓶的设计压力是16.0 kg/cm2，它是根据纯丙烷在48.0℃时饱和蒸汽压确定的.因为同样的温度下，液化石油气的各种成分中，以丙烷的蒸汽压最大.正常情况下，钢瓶内的压力不会达到16.0 kg/cm2.按照GB15380-2001标准和规范，液化石油气钢瓶均以优质镇静钢制作，铁含量大于97.0%，碳含量0.13%～0.18%，锰含量0.80%～1.50%，经冲压拉伸成型，上下两个椭圆型封头构成瓶体和底座及瓶阀护罩等，钢瓶内壁环焊缝处有一环状衬圈.

钢瓶承压性能差会先引起物理爆炸，物理爆炸是指物质因状态或压力发生突变等物理变化引起的爆炸.物理爆炸后往往会引起化学爆炸.化学爆炸是指由物质发生极迅速的化学反应，产生高温、高压而引起的爆炸，化学爆炸前后物质的性质和成分均发生了根本的变化，危害更大.在监管过程中需要对已有的钢瓶，进行强度校核和应力分析，保证钢瓶的安全使用.钢瓶公称工作压力一般为钢瓶的耐压试验压力，是指60 ℃时的饱和压力，通常钢瓶公称工作压力为2.1 MPa.钢瓶的试验压力包括耐压试验压力和气密性试验压力，按照国家规定，在做焊接钢瓶的耐压试验时，水压是1.5倍公称工作压力，钢瓶的另外一项爆破安全系数是指实际水压爆破压力与公称工作压力的比值，钢瓶的爆破安全系数应当大于或者等于3.0.

考虑温度对材料各项性能的影响，其对材料的屈服强度也会产生一定的影响，现取钢瓶材料屈服强度为355 Mpa，利用已建立的温度相关性屈服强度模型(TDYS Model)，分别计算在室温20 ℃和60 ℃的屈服强度，从而确定温度变化对屈服强度的影响.温度相关性屈服强度模型(TDYS Model)如(1)式所示，式中VT、ET和σ(T)分别是T温度下材料的泊松比、弹性模量和屈服强度，Tm是熔点温度，取为1 495 ℃，σ(To)、VTo、ETo分别是材料参考温度T0下的屈服强度、泊松比和杨氏模量，一般将T0设置为室温20 ℃.

(1)

由上式计算得到，假设安全系数为3.0，在60 ℃、20 ℃时，其屈服强度分别为349、354 Mpa，其所能承受的应力大小分别取为116.33、117.94 Mpa.因此，在海拔不同的地方，由于温度的变化，将会导致材料屈服极限发生改变，使得它的最大充装量也会发生改变.试验用钢瓶，属薄壁高压钢瓶，其圆筒的壁厚相对于半径小很多时，圆筒断面上承受弯矩的能力很小，筒壁主要承受的是拉力或压力，因此，可近似的认为应力在整个筒壁上，沿壁厚方向是均匀分布的，在整个筒壁上，在两端与中部连接处有焊缝连接的地方，是最薄弱的位置.

再考虑钢瓶的底部受压力所产生的应力大小.常见的钢瓶上下部分是椭圆形封头和中间圆筒两部分组成.由于椭圆部分的曲率是连续变化的，所以，它的应力分布比较均匀，受力情况较好.椭圆形封头的高度比较球形封头为小，制造比较方便，在压力容器、石油化工设备中也广泛应用.为了保证椭圆形封头的形状准确，椭圆形封头均采用模压成型，椭圆形封头已有统一的标准，标准椭圆形封头的长短轴之比为2.5～1.66.在此范围内封头的应力分布规律大致如图1所示，其环向应力及径向应力的最大值均在封头顶部.椭圆形封头在半椭球壳与直边连接处是存在边缘应力的，由于其值不大，所以在计算中没有考虑.可知其在底部由于受压所产生的应力大小，没有前面在瓶身上所产生的正应力大，所以不是最危险的地方.

图1 椭圆形封头应力分布规律大致示意图

2 试验

以规格15 kg钢瓶为例.壁厚2.5 mm左右，内部压力为0.5～1.2 MPa.采用标称电阻350 Ω的应变片检测钢瓶应变，按照钢瓶外形和应变片的特征，在钢瓶内部和钢瓶外部的上下部位，都不适合粘贴应变片，选择将应变片贴在钢瓶竖直部位，共8片，分布在前后左右四个位置，沿周向展开的8片应变片按照图2所示方式粘贴，数字是各应变片的编号.由于钢瓶内部气压特征，1、2、3、4号应变片承受压缩变形，5、6、7、8承受拉伸变形.将8片应变片按照图3方式连接成桥接电路.

假设纵向应变为εx，横向应变为εy，材料泊松比为μ，则εx=-μεy

1、2、3、4号应变片主要测试εy，5、6、7、8号应变片主要测试εx.

但是，在钢瓶内压力作用下，环向界面受力，会导致εx、εy反向变化，不再满足泊松比的关系.取一微小单元，三维受力情况如图4所示.Z向是壁厚方向，其变形量很小，因此，忽略Z向受力变形，而X、Y向刚好就是我们应变片粘贴方位，于是，壁面受力可以近似为平面应力状态.

图4 壁面微小单元受力分布情况

体应变θ=(V’-V)/V=εx+εy+εz，用应力表达体应变如下式所示：

式中：σm=(σ1+σ2+σ3)/3是平均应力，E/(3(1-2μ))是体积弹性模量.

再假设各应变片测试的应变分布均匀，由εx引起的应变电阻变化值为△Rx=Kεx，则由εy引起的应变片电阻变化值为△Ry=Kεy.

因而，图3中的U1和U2分别为：

(2)

(3)

于是，电压输出：

(4)

材料的弹性模量E近似为常数，应力σm与瓶内外压力差成正比：

图5 信号放大电路

(5)

不同海拔高度对气瓶强度的影响主要是气压和气温差，而气压只影响环境压力，因此，P外=P外(H)，瓶内压力取决于气温差ΔT和加装量m，P内=P内(ΔT，m)，因此，(5)式可变换为：

(6)

基于(6)式，选择如下三个测试步骤：

(1)对钢瓶分别加装2、4、6、10、13、15 kg液化气，在同一加装量情况下，分别在实验室环境温度为5、10、15、20、25、30 ℃下，每个温度点持续4 h，然后采集对应温度的钢瓶内压力，得到的曲线如图6所示.由图6中数据可见，充装量对瓶内压力有影响，随着充装量增加，瓶内压力增大.在同一温度下，充装量在10 kg以下，瓶内压力随充装量增加线性增加；在充装量大于10 kg以上，瓶内压力增加了非线性成分.这是因为随着充装量增加，瓶内剩余气相空间所占比例改变，引起瓶内压力非线性增加.但温度变化对瓶内压力的影响更加明显.随着环境温度的增加，瓶内压力增加幅度较大.这表明钢瓶对工作环境温度灵敏度较大，在监管时需要特别留意.

(2)在8个不同海拔高度：5.0、4.5、4.0、3.5、3.0、2.5、2.0、1.5 km下进行加压试验.在每个海拔高度，采用高压氮气给钢瓶加压，注入过程中，每增加2 atm，采集一次应变值，直到钢瓶内压力P内达到20 atm(理论极限为21 atm)，从而测得不同海拔高度下，钢瓶内压力和钢瓶体结构应变值的关系曲线，如图7所示.测试结果表明，海拔高度对钢瓶体强度有影响.随着海拔增高，钢瓶内外压差增加，钢瓶体应变值增加，钢瓶的承压强度变小.在测试范围内，瓶内外压差和钢瓶的变形呈现线性关系.这是因为试验压力处于钢瓶材料的比例阶段范围内.

(3)选择海拔高度5.0 km(西藏山南地区)，进行极限加压实验，加压过程中，连续采集得到的试验数据，在条件允许的情况下，直到钢瓶爆破.如果加压到24.1 atm(极限值的115%)，钢瓶没有爆破，停止加压，结束爆破实验.采集加压全过程对应的应变值，经换算得到的试验数据结果如图8所示.从图中可以看出，实验压力加到24.1 atm，钢瓶没有爆破，但曲线在23.6 atm时，偏离了线性变化，说明此时气瓶出现屈服变形.

图8 爆破实验数据结果

选择安全系数为1.3，则许用压力：[p]=23.6/1.3≈18 atm.如果加装过程初始压力为6.3 atm(实测数据)，则因温度升高瓶内许用压升阈值为11.7 atm.西藏山南地区最近时段和历史时段的气温统计如表1所示.

表1 山南地区最近时段和历史时段的气温统计表

可见，山南地区日温差接近20 ℃，月温差达到30 ℃以上，最大值达到37 ℃.按照30 ℃作为钢瓶工作环境温差，由图6测试数据结果可知，瓶内压力变化将达到12.36 atm，超过了因温度升高的许用压升阈值11.7 atm.从图6曲线查询得到，许用压升阈值11.7 atm对应的充装量为13.84 kg，因此，为了保障安全，在高海拔地区，钢瓶加装量应该适当减少.

3 结论

(1)海拔高度对钢瓶承压性能有影响，随着海拔增高，瓶内外压差增加；温差大，钢瓶承压性能减弱.在山南等高海拔地区，钢瓶石油液化气充装量不应超过13.84 kg；

(2)随着充装量增大，瓶内压力增大，近似线性关系；

(3)工作环境温度对钢瓶内压力的影响明显，应作为监管的重点.