車用LNG氣瓶副安全閥泄放口設置的思考

劉相庭 賀小剛 呂 洪

（北京市特種設備檢測中心，北京 100029）

0 概述

液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）作為一種替代原油車用燃料，因其具有緩解環境污染壓力、減少有害氣體排放和降低生產成本等優點，越來越受到人們的青睞。我國在2000 年左右，大力發展車用LNG 氣瓶技術，現已完成1 000 L 氣瓶商品化，正在研發1 350 L 氣瓶[1]。受惠于LNG 氣瓶存儲氣量大的優點，車用LNG 氣瓶在公交車和重卡車上得到了廣泛的應用。但是天然氣是易燃易爆和窒息性氣體，且LNG 在標準狀態下存儲溫度在-162℃以下，LNG 在異常狀態下導致的超壓危害和其次生危害成為車用LNG 氣瓶主要危害[2]。因此，LNG 氣瓶一般在內膽設計有兩級安全閥，對氣瓶進行超壓保護。某2 個廠家的2 類車用LNG 氣瓶工作壓力均為1.59 MPa，在超壓狀態下，主安全閥在1.90 MPa 開啟泄壓；當主安全閥失效時，副安全閥在2.41 MPa 開啟泄壓，安全閥的布置如圖1 所示。

圖1 車用LNG 氣瓶兩級安全閥

由圖1 可知，主安全閥由專用管路將超壓天然氣導出至瓶閥以外的安全區域，副安全閥用防塵橡膠塞封堵。車用LNG 氣瓶因低溫絕熱氣瓶設計原理和使用工況，在正常使用狀態下，主安全閥周期性開啟閉合，因此主安全閥存在異物堵塞或冰霜凍結而失效的可能性，這種情況下副安全閥在2.41 MPa 壓力開啟泄放。該文就目前市面流通的某兩廠家的兩類車用LNG 氣瓶副安全閥橡膠塞封堵設計提出質疑，并加以分析，認為該設計可能存在安全隱患，引發次生事故。

1 標準分析

車用LNG 氣瓶是一種焊接絕熱氣瓶，屬于《特種設備目錄》中的特種氣瓶。車用LNG 氣瓶的設計、制造、安裝和使用過程需要符合相關標準要求，這些過程中主要涉及9 項標準，見表1。

表1 車用LNG 氣瓶安裝監督檢驗涉及標準

在相關標準中，明確提出安全泄放裝置出口設置要求的標準有3 本，其名稱和內容有3 點。1）《氣瓶安全技術監察規程》，5.2.2.2（5）安全泄壓裝置上氣體泄放出口的設置不得對氣瓶本體的安全性能造成影響。2）《汽車用液化天然氣氣瓶》，6.5.6 氣瓶安裝在汽車上時應將泄壓管路的出口接引至安全位置排放。3）《液化天然氣汽車專用裝置安裝要求》，4.2.3.7 放空管路的放空口應位于車輛頂部或尾部，應設有防止雨水、灰塵進入和聚積的結構。

由上文標準可知：由安全閥泄放的超壓天然氣，應被導離車用LNG 氣瓶，特別是瓶閥范圍，否則超壓天然氣引起的冰凍或者明火會導致瓶閥上其余附件失效，引發更大的安全事故。標準中提出的泄放口或泄放管路并沒有明確是單一主安全閥或是全部安全閥，結合主副安全閥的開啟原理和實際使用工況，主安全閥在整車使用過程中存在失效的風險，因此車用LNG 氣瓶的主副安全閥泄放口的設置均應該響應標準的要求，所以某兩廠家的兩類車用LNG 氣瓶的副安全閥泄放口設置不規范。

2 超壓瞬時能量計算

目前市場流通的某兩廠家的兩類車用LNG 氣瓶副安全閥采用橡膠塞封堵（圖1 所示的副安全閥部位），在副安全閥開啟泄放超壓天然氣時，2.41 MPa 壓力會持續作用于橡膠塞直至其脫離副安全閥的銅管。這個過程會導致橡膠塞加速，最終導致其彈射。橡膠塞被加速的運動過程符合牛頓第一、二運動定律，據此可以計算橡膠塞彈射脫離副安全閥瞬間所具有的能量。

假設橡膠塞與安全閥之間的摩擦力忽略不計，橡膠塞被加速過程空氣阻力不計（因為安全閥直管段表面光滑，超壓泄放狀態下2.41 MPa 壓力連續作用且壓力會略有升高），橡膠塞質量為m，內徑為r，內表面面積s，包裹安全閥直段長度為l，超壓泄放時作用在橡膠塞內表面的壓強為P，壓力為F，脫離瞬間速度為v，橡膠塞彈射能量為E，符合如下公式計算：

市面上某兩廠家的兩類車用LNG 氣瓶，在副安全閥設置的橡膠塞m 一般為4 g～6 g，r 約為22 mm，l 為18 mm～30 mm。

副安全閥超壓泄放時，橡膠塞的瞬時能量計算取最嚴苛工況的耦合條件，即m 為6 g，l 為30 mm，帶入公式計算后E=109.9J。

根據計算結果，在副安全閥泄壓時，橡膠塞的彈射具有較大能量。雖然目前尚無文獻介紹沖擊能量對人體器官傷害閾值，但參考國家標準 GB6675—2003《國家玩具安全技術規范》中關于彈射玩具能量動能不能大于0.08 J，如大于則單位面積動能不能大于 0.16 J / cm2的規定，橡膠塞彈射時，動能109.9 J，單位面積動能為7.23 J/cm2，超過標準閾值。解讀該條標準要求，彈射玩具主要預防對兒童眼球的傷害。眼球是人體里較脆弱器官，成人眼球比兒童眼球強韌有限，裝配好的車用LNG 氣瓶，副安全閥距地面高度約1.71 m～1.77 m，恰好處于成人直立眼球高度范圍內。車用LNG 氣瓶雖然有面罩遮擋，但在實際運行過程中面罩時常丟失，并且在檢驗過程中面罩始終處于拆卸狀態，因此副安全閥泄放引起的橡膠塞彈射存在人眼受傷風險。

3 優化思路

針對副安全閥的安全隱患，泄放口的設置應符合標準規范的要求，并且兼顧避免橡膠塞彈射和異物堵塞2 個方面的需求，該文提供了以下3 種優化方案。1）將橡膠塞平端封面開孔，內襯高目數濾網，同時在副安全閥泄放口直對氣瓶保護罩對應處開直徑大于橡膠塞直徑的圓孔或橢圓孔。橡膠塞的濾網設計會保證其防塵性，在副安全閥超壓泄放時，開孔的橡膠塞不會彈射，同時開孔的氣瓶保護罩會將大部分泄放的天然氣導離氣瓶，降低氣瓶其余安全附件失效風險。此方案增加了氣瓶制造成本，并且只在一定程度上降低了安全風險，并未徹底解決問題。2）取消橡膠塞設計，每一個安全閥設置一條導氣管路，參照主安全閥泄放管路結構，將超壓天然氣直接導離氣瓶。此方案泄放口設置安全可靠，但增加氣瓶制造成本，同時對氣瓶外觀一致性產生不利影響。3）取消橡膠塞設計，利用三通或四通，將副安全閥泄放管路并入主安全閥泄放管路。此方案相比于第二、三種方案，泄放口設置安全可靠，制造成本增加較少，氣瓶外觀改變不大，一致性較好，如圖2 所示。

圖2 副安全閥泄放口設置優化思路

4 結論

該文從標準分析和超壓瞬時能量計算2 個角度，對市面某兩廠家的兩類車用LNG 氣瓶副安全泄放口的設置合規性和安全性提出質疑并加以分析。依據車用LNG 氣瓶相關規范標準，關于安全閥泄放口設置不得對氣瓶本體安全性造成危害的要求，推論得出無法導離氣瓶瓶閥的超壓天然氣存在導致氣瓶其余附件失效的安全隱患；同時依據牛頓第一、二運動定律計算出副安全閥在工作時，現有方案橡膠塞將有109.9 J 的彈射能量，可能存在人眼受傷風險，進而總結出了某2 個廠家的2 類車用LNG 氣瓶副安全泄放口設置不合理的結論。最后提出3 種優化思路，建議取消橡膠塞設計，采用管路模式，利用三通或四通將副安全閥泄放管路并入主安全閥泄放管路，從而增加了車用LNG 氣瓶的副安全閥泄放口設置的合規性和安全性。