爆破片—易熔合金泄壓裝置在C NG長管拖車火災環境下的響應行為研究

金明哲 荊 博 謝 飛 駱 輝 趙保頔 馬晨昕

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029)

隨著天然氣工業的快速發展，國內用于運輸CNG氣體的長管拖車占長管拖車總量已經超過90%，長管拖車已經成為CNG氣體公路運輸的主要方式。長管拖車又多運行于交通要道、居民區等人口密集地區，而CNG氣體屬于易燃易爆氣體，一旦發生泄漏或火災，將對人民生命財產造成嚴重的危害。我國標準規范[1]規定，每只長管拖車氣瓶都要安裝安全泄壓裝置。

爆破片—易熔合金塞組合裝置是國內常采用的泄壓裝置中的一種，也是美國壓縮氣體協會標準CGA S-1．1推薦的泄壓裝置[2]。組合裝置中易熔合金串聯在爆破片外側，一方面能保護爆破片結構，降低爆破片非正常起跳的概率，另一方面使泄壓裝置在超溫超壓工況下才能動作。雖然在火災環境下能形成超溫超壓工況，但在此工況下爆破片和易熔合金的動作響應情況尚缺少公開報道和相關研究工作。

研究指出[3]，CNG長管拖車在發生火災事故的受火情況具有一定的規律性，并非所有的泄壓裝置都能起到安全泄放的作用，泄壓裝置能否及時動作響應與受火環境的影響較大。本文通過分析組合泄壓裝置的結構特點和CNG長管拖車的火災事故中氣瓶和泄壓裝置的受火情況，制定了不同受火工況下的組合結構泄壓裝置動作響應試驗，對該裝置在不同受火環境下的泄放響應行為進行研究。

1 CNG長管拖車組合泄壓裝置結構特點

CNG長管拖車上常見的組合泄壓裝置結構形式主要有四種，如圖1中a~d型所示，其中a型、b型僅用于長管拖車前端，c型、d型既可用于長管拖車前端又可用于長管拖車后端。

組合泄壓裝置的爆破片結構與瓶內CNG氣體直接接觸，用扭矩扳手將爆破片與兩瓣夾持器緊密貼合，形成承壓和密封結構，爆破片公稱爆破壓力應為氣瓶水壓試驗壓力[4]；其動作特點為僅對壓力敏感，當瓶內壓力達到爆破壓力時，爆破片起爆。爆破片外側裝設厚度為6~12mm，對溫度響應敏感的易熔合金材料其動作溫度設定為102．5℃±5℃，當易熔合金持續受熱時溫度達到該溫度后熔化。

因此只有溫度壓力同時分別滿足其響應條件時，泄壓裝置才能實現超壓泄放的功能。根據國內長管拖車使用經驗和歷年定期檢驗的結果來看，由于該設計泄放條件較為苛刻，長管拖車在非火災工況下的安全運行過程中一般不會發生動作。

圖1 CNG長管拖車典型組合泄壓裝置結構

2 CNG長管拖車火災事故中組合泄壓裝置響應特征

中國特種設備檢測研究院對2009~2016年間所收集到的長管拖車火災事故案例進行了統計和分析，根據事故發生地可火災事故分為加氣站起火和道路起火，如圖2、圖3所示。

圖2道路起火事故現場

圖3加氣站起火事故后的長管拖車形貌

分析認為[4]，當起火位置位于后倉且起火范圍有限時，火災形成的高溫環境能使得后端易熔合金持續受熱而融化，并導致爆破片強度和實際爆破壓力降低時，可能在沒有達到設計爆破壓力的情況下起爆，而長管拖車前端組合泄壓裝置則未受到高溫影響，在火災過程中易熔合金達不到動作溫度，安全裝置不會發生動作；在其他受火環境下泄壓裝置可能不起超壓泄放的作用。由于事故發生突然，且危險性較大，無法獲取泄放瞬間泄壓裝置的溫度壓力參數，也無從評估受火條件對組合泄壓動作的影響，以及易熔合金和爆破片泄壓裝置動作響應條件的內在關聯性。

3 組合泄壓裝置動作響應試驗

3.1 試驗設計

試驗設計時，人為定義試驗氣瓶裝閥門和充氣管路一端為后端，另一端為前端，與長管拖車結構命名方式相同。借鑒氣瓶火燒試驗方法[5、6]模擬兩種火災場景下組合泄壓裝置動作響應試驗：

場景Ⅰ：模擬長管拖車后倉泄壓裝置被火焰包覆、前倉泄壓裝置遠離火源的情況，驗證此工況下泄壓裝置的動作響應，試驗用1只大容積鋼制無縫氣瓶，受場地條件限制，試驗氣瓶長度小于真實長管拖車氣瓶，但氣瓶外徑、壁厚與真實長管拖車氣瓶相同，氣瓶參數見表1。

場景Ⅱ：模擬長管拖車底部受火，泄壓裝置被氣瓶兩端支撐立板隔離，未直接接觸火焰的情況。在此場景下，通過在易熔合金內部嵌入熱電偶的方式檢測易熔合金內部溫度變化情況行為。試驗氣瓶技術參數見表1。根據文獻[1]的調研結果，考慮到此工況下氣瓶前后兩端泄壓裝置有可能都不動作，氣瓶有可能因受火導致超壓爆炸，為保證安全，決定采用空瓶進行火燒試驗。試驗用氣瓶兩端組合泄壓裝置規格參數見表2。#氣瓶與2#氣瓶前端均采用圖1中b型泄壓裝置，后端均采用圖1中d型泄壓裝置。為了使模擬效果更佳真實，試驗所用的安全裝置與真實長管拖車前后端泄壓裝置結構形式完全一致，并且在場景Ⅱ所采用擋板與真實長管拖車兩側多孔支撐立板的材料和厚度完全一致。

表1 試驗氣瓶技術參數

表2 試驗用組合泄壓裝置技術參數

3.2 試驗前的準備

試驗前1#氣瓶充裝20MPa的空氣。試驗采用丙烷作為燃料，火源總長1．65m，氣瓶底部與火源最小距離為0．1m，為模擬后倉泄壓裝置被火焰包覆的受火環境，將氣瓶與試驗臺布置如圖4所示。將1只熱電偶插入氣瓶內部監測氣體溫度。在氣瓶外接管路上連接壓力傳感器，通過遠程數據采集系統對溫度和壓力數據進行實時采集和記錄。

圖4 試驗用1#氣瓶現場布置

2#氣瓶與1#氣瓶采用相同試驗臺和數據采集裝置，在試驗過程中，通過調節燃料出口閥門開度保證實際試驗過程中火焰高度保持一致。氣瓶與火源對稱放置，如圖5所示，氣瓶兩端采用與長管拖車支撐立板相同的鋼制隔板進行防護，使火焰與氣瓶完全隔離，為測定易熔合金受熱融化的溫度數據，將熱電偶測溫端嵌入前后端泄壓裝置的易熔合金塞中，見圖6和圖7。

圖5 試驗用2#氣瓶現場布置

圖6 氣瓶前端安全泄放裝置和熱電偶

圖7 氣瓶后端安全泄放裝置和熱電偶

3.3 試驗過程

試驗采用遠程點火和控制系統，并通過自動采集裝置實時記錄2只試驗氣瓶的數據，同時開啟監控系統，對試驗現場火燒過程進行實時監控。

1#氣瓶在點火后，氣瓶后端迅速被火焰覆蓋，后端泄壓裝置處于被高溫火焰直接包圍的環境下，如圖8所示。點火后384s氣瓶后端泄壓裝置動作，爆破片起爆瞬間瓶內壓力26MPa，氣瓶在整個試驗過程中前端遠離火源的泄壓裝置始終未發生動作，試驗結束后經宏觀檢查確認氣瓶本體完好。

圖8 試驗現場1#氣瓶監控視頻截圖

2#氣瓶由于兩端采用了擋板對泄壓裝置進行隔離，在點火后，氣瓶后端安全裝置不直接接觸火焰。如圖9所示。點火36min后，氣瓶前端易熔合金動作并呈液態流出，而后端易熔合金未動作，如圖10、圖11所示。

圖9 試驗現場2#氣瓶監控視頻截圖

圖10 氣瓶前端易熔合金塞融化

圖11 氣瓶后端易熔合金塞未融化

3.4 試驗結果及分析

在試驗場景Ⅰ中，瓶內氣體溫度和后端安全泄壓裝置外表面溫度隨時間的變化關系如圖12所示；場景Ⅱ中氣瓶前后端安全泄壓裝置易熔合金溫度隨時間的變化關系如圖13所示。數據測量方法見3．2節。

圖12中可以看到，在試驗點火后300s內，泄壓裝置外部溫度始終維持在400~800℃的區間，遠高于易熔合金設定的動作溫度102．5℃和瓶內氣體溫度（實測最高80．9℃），而爆破片實測爆破片壓力（26MPa）也低于設計爆破壓力。分析認為，對易熔合金塞而言，由于塞體火焰直接接觸，火焰產生的輻射熱量和傳導熱量能迅速作用于塞體內的易熔合金，致使易熔合金在幾分鐘內迅速做出動作響應；對爆破片而言，由于其本體采用的是不銹鋼材料，具有良好的導熱性能，在組裝時與爆破片夾持器很好的接觸，在周圍火焰覆蓋形成的超過500℃的高溫環境下，泄壓裝置外表面溫度已經遠遠高于表2給出的設計爆破溫度（20℃），溫度。2#氣瓶受火過程持續了36min，氣瓶前端易熔合金動作，后端氣瓶兩端泄壓裝置易熔合金部分的受熱溫度變化情況如圖13所示。由于在兩側擋板的隔離作用下，氣瓶兩端泄壓裝置始終未直接接觸火焰，致使氣瓶前后端易熔合金升溫熔化過程緩慢。與1#氣瓶后端易熔合金裝置在試驗開始384s后迅速動作相比，2#氣瓶后端易熔合金在試驗開始36min后無任何可直接觀測的熔化跡象。顯然2#氣瓶泄壓裝置受氣瓶本體的熱傳遞作用弱于1#氣瓶泄壓裝置受火焰直接傳熱的作用。此外，2#氣瓶后端易熔合金在試驗過程中始終未動作，對比2#氣瓶前后端易熔合金不同的動作響應行為可以發現，此工況下后端易熔合金動作響應的滯后時間更長。

圖12 試驗場景Ⅰ測定溫度曲線

圖13 試驗場景Ⅱ測定溫度曲線

由于試驗所采集的溫度和壓力數據來源于熱電偶，屬于間接測量，且測點有限，只能對不同泄壓裝置響應行為的研究形成初步認識，而對溫度分布不均勻，傳熱過程熱輸入量和熱效率的變化情況仍需要進一步建立燃燒和傳熱的數值模型進行研究。

4 結論

本文針對CNG長管拖車常用組合泄壓裝置的結構特點及其在CNG長管拖車火災事故中的動作響應特性，設計了不同類型的火燒試驗對組合泄壓裝置的泄放響應行為進行研究，得到如下結論：

1）根據在用長管拖車上4種典型的爆破片-易熔合金組合裝置的結構特點，結合歷年來長管拖車火災事故案例指出，受火災高溫環境的影響，長管拖車前后端泄壓裝置動作響應行為呈現出一定的差異性。

2）針對不同的外部受火環境設計了火燒試驗，在被火焰包覆的高溫環境下，爆破片性能下降，易熔合金熔化時間較短，泄壓裝置能實現超壓泄放的功能；在火焰被鋼板隔絕的情況下熱傳導受阻，易熔合金熔化時間遠長于爆破片動作所需時間，將會導致氣瓶長期處于超溫超壓的環境下，增加了氣瓶爆炸的風險。

3）在場景Ⅱ火焰被鋼板隔絕的環境下，氣瓶兩端易熔合金受熱后的動作響應主要氣瓶本體的熱傳導作用。對于同一氣瓶，因泄壓裝置易熔合金在氣瓶上的安裝位置不同（前端裝于氣瓶端塞內部，見圖10，后端裝在端塞外接管路上，見圖11），導致氣瓶本體對兩端易熔合金的熱傳遞作用效果也不同，雖然裝于端塞內部的易熔合金熱傳導效果較好，但與直接接觸火焰的泄壓裝置相比，其動作響應滯后時間仍然較長，導致在此場景下若氣瓶內存有高壓氣體，會增大氣瓶的爆炸風險。效果也不相同。