長管拖車爆破片冬季異常起爆或開裂分析

張新建，張君鵬

（中國特種設備檢測研究院，北京 100000）

作為移動式壓力容器之一的長管拖車快速發展，在全國范圍內已具規模，長管拖車具有運送介質易燃易爆、工作壓力高、運行環境復雜多變的現狀，爆破片與易熔塞組合超壓安全泄放裝置作為重要安全附件，在長管拖車中得到了廣泛應用。但是在我國北方冬季，爆破片與易熔塞組合超壓安全泄放裝置發生異常起爆或異常開裂泄漏的事件屢見不鮮，此類事件發生在充裝母站、加氣站、高速公路收費站以及其他人員、建筑密集區域造成天然氣泄漏甚至引發燃爆事故，對人民群眾的人身財產安全造成了巨大威脅。

1 原因分析

圖1 端塞、爆破片裝置與放空管彎頭組合剖視圖

以內蒙鄂爾多斯運輸井口的車輛為例，該批車輛共計16臺車，其中爆破片異常起爆或開裂5臺，表現在：（1）爆破片夾持裝置（旋塞）外側連接放空管彎頭（圖1）管件積水，冬季內蒙地區天氣寒冷導致結冰，而管件積水在長管拖車充泄壓過程中瓶體的溫度變化環境下難以避免，水體積膨脹通過易熔塞對爆破片造成擠壓，研究表明，水結冰的膨脹力等于冰的機械強度（與溫度有關），CNG在充裝過程中瓶體內溫度升高造成冰融化，而停止充裝后，因氣溫降低水又會結冰體積膨脹造成爆破片重復受力，爆破片在這種條件下疲勞影響異常開裂從而起爆的重要原因。（2）異常擾動：①長期未排污，大量重質成分殘留在氣瓶內部，運輸過程中剎車造成液體倒灌入沖擊爆破片，②氣質過濾不足含有泥沙，殘液過多倒灌后泥沙與爆破片摩擦，有研究表明：70%的爆破片異常起爆為異常擾動起爆。（3）內蒙地區溫差較大，二次充裝后白天運輸瓶內壓力有一定幅度升高。經過對該批檢驗車輛中爆破片異常起爆或開裂的2臺車輛進行拆檢，現場拆卸發現抽檢車輛爆破片異常開裂對應氣瓶的放空管彎頭均存在積水結冰。

2 改進措施

在受限空間內部，水受到外界溫度的作用迅速凝固成冰，隨之體積膨脹對易熔合金產生力的作用，水結冰對外界最大壓力達到5.5kg/cm2，這個壓力會作用在易熔合金上，易熔合金通常材質柔軟，而易熔合金與爆破片貼合在一起，上述壓力間接作用在爆破片上，特別是長管拖車在泄壓時瓶體內壓力減小至0.3MPa，上述壓力大于瓶體內部壓力爆破片就會發生變形內凹，而當氣瓶再次充氣至20MPa的過程中，爆破片變形恢復，這樣經過數次充裝泄壓循環造成爆破片疲勞。

針對以上情況車輛可以對放空管彎頭結構采取一些改進措施：（1）黃焱、史慶增、宋安在對冰溫度膨脹力作用機理作簡要分析的基礎上，將有限元方法引入冰溫度膨脹力的計算中，得到結論：溫升率對直立墻上冰膨脹力沿冰厚分布的影響遠大于對斜坡的影響。本文建議將旋塞易熔合金結構制作成45°圓錐形結構。（2）將放空管彎頭的內部通道的直角結構換成圓滑過渡通道半徑不小于15mm，既有利于緩解水結冰產生的反作用力，同時爆破片緊急狀態下起爆也有利于天然氣快速放散。

3 有限元模擬

3.1 幾何模型建立

利用三維建模建立2個計算模型進行對比模擬分析：（1）依據該事故長管拖車的爆破片裝置建立模型，結構尺寸（如圖2），放空管彎頭與易熔合金組成的內腔直徑32mm，放空管彎頭灌滿水時的水深80mm。（2）改變易熔合金端面結構建立與端面成45°的錐形面，改變彎頭結構建立圓滑過渡，過渡半徑16mm（如圖3）。（3）易熔合金屬鉍、鉛、錫和鎘等元素按重量比制成的低熔點合金，難以確定其力學性質，本文采用鋁合金代替，現實中易熔合金的強度比鋁合金強度低。（4）放空管彎頭材質為銅。

圖2 模型1

圖3 模型2

3.2 施加載荷

水結冰是復雜的過程，數據表明結冰相變發生膨脹，體積變化明顯且短暫強烈，本文僅模擬冰在-25～0℃的應力情況，未涉及水結冰相變的過程。穩態熱分析：初始溫度設置為0℃，模型與環境接觸所有外表面設置為-25℃；結構靜應力分析：長管拖車在空車狀態時最低壓力通常為0.3～0.5MPa，因此在易熔合金外部端面施加0.3Mpa的壓力，將彎頭與易熔合金連接端固定進行計算，如圖4。

圖4

3.3 模擬結果

提取易熔合金與冰的結合面的沿Z軸（垂直于易熔合金外部端面方向）的應力，模型1在該結合面的最大應力為0.4515MPa，大于外部端面施加的壓力0.3MPa（如圖5），模型2為0.1865MPa（如圖6）。結果表明，模型1在此次模擬條件下可以導致易熔合金Z軸方向向外移動，爆破片受到擠壓發生變形進而造成疲勞異常起爆或開裂；模型2為在此次模擬條件下未導致易熔合金移動，現實條件下，若考慮水相變體積膨脹的作用仍可能導致類似情況發生。

圖5

圖6

4 結語

（1）爆破片夾持裝置（旋塞）外側連接放空管彎頭管件積水。冬季內蒙地區天氣寒冷導致結冰，水體積膨脹通過易熔塞對爆破片造成擠壓是導致爆破片異常起爆或開裂的重要原因。（2）采用ANSYS有限元模擬軟件對上述情況進行了模擬計算，結果表明，冰可以造成爆破片異常起爆和開裂。在未對水結冰發生相變充分考慮的情況下，計算結果依然表明可以導致爆破片異常起爆或開裂，從而間接證實了水結冰膨脹對爆破片的力的作用。