液化石油氣槽罐車(chē)模擬訓(xùn)練設(shè)施的設(shè)計(jì)與研發(fā)

祝敬妥

(應(yīng)急管理部消防救援局南京訓(xùn)練總隊(duì),江蘇 南京 211133)

液化石油氣(LPG)是以天然氣或石油為基礎(chǔ)原料,經(jīng)過(guò)一系列工藝措施,最終加壓、降溫液化所得到的一種無(wú)色揮發(fā)性液體。它是一種常見(jiàn)的易燃易爆物質(zhì),燃燒發(fā)熱量高,用途廣泛,既可以作為生產(chǎn)、生活中的燃料,也可以作為氨、甲醇等合成的化工原料,逐漸成為日常生產(chǎn)生活中不可或缺的物質(zhì)之一。由于地理位置上分布的不平衡,液化石油氣在異地運(yùn)輸上通常采用管道運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸、公路運(yùn)輸和水路運(yùn)輸?shù)刃问健９艿肋\(yùn)輸由起點(diǎn)儲(chǔ)氣罐、起點(diǎn)泵站、中間泵站、管道、終點(diǎn)儲(chǔ)氣罐等組成,安全性較高,但是管道等設(shè)備的安裝設(shè)置的固定局限性使液化石油氣只能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)運(yùn)輸;鐵路運(yùn)輸和水路運(yùn)輸僅適用于靠近鐵路交通和江河湖海等水運(yùn)發(fā)達(dá)的區(qū)域;而公路運(yùn)輸即液化石油氣槽罐車(chē)運(yùn)輸,相對(duì)來(lái)講不受地域限制,更加顯得靈活便利,這也成為液化石油氣運(yùn)輸?shù)闹饕绞健ｋS著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的不斷發(fā)展,液化石油氣槽罐車(chē)的運(yùn)輸量呈逐年上升趨勢(shì)。因罐車(chē)存在缺陷、違規(guī)超裝、違章作業(yè)、交通事故等引發(fā)的液化石油氣槽罐車(chē)事故頻發(fā)[1],事故中多伴隨著液化石油氣泄漏、爆炸、燃燒等,容易造成現(xiàn)場(chǎng)人員傷亡、建筑損毀等。如2020年6月浙江溫嶺附近高速公路,一輛液化石油氣槽罐車(chē)發(fā)生爆炸后車(chē)尾和槽罐沖向附近廠房引發(fā)二次爆炸,造成20人死亡,24人重傷[2]。液化石油氣的易燃易爆性和槽車(chē)車(chē)輛事故處置交織在一起,在一定程度上極大地增加了救援的難度,逐漸成為目前消防救援隊(duì)伍面臨的重要任務(wù)和研究課題。本文從液化石油氣槽罐車(chē)常見(jiàn)災(zāi)情出發(fā),依據(jù)消防救援常見(jiàn)災(zāi)情及處置措施,探索設(shè)計(jì)一款液化石油氣槽罐車(chē)泄漏模擬訓(xùn)練設(shè)施,在充分展示槽罐車(chē)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,通過(guò)機(jī)械裝置輔以光、水、氣等充分模擬各種災(zāi)情下的液化石油氣槽罐車(chē)狀態(tài),為基層消防救援隊(duì)伍進(jìn)行此類(lèi)事故相關(guān)技戰(zhàn)術(shù)訓(xùn)練提供安全設(shè)施保障。

1 LPG槽罐車(chē)罐體結(jié)構(gòu)

LPG常溫常壓下為無(wú)色無(wú)味氣體,在公路運(yùn)輸中一般通過(guò)加壓液化來(lái)進(jìn)行運(yùn)輸,故此LPG罐車(chē)屬常溫壓力罐車(chē),罐體設(shè)計(jì)壓力為1.8～2.2 MPa,設(shè)計(jì)溫度為50 ℃[3]。

按照功能分,液化石油氣槽罐車(chē)主要包括底盤(pán)、罐體、裝卸系統(tǒng)和安全附件四個(gè)部分。其中裝卸系統(tǒng)主要包括液相和氣相的進(jìn)出料閥門(mén)及附屬管路;安全附件主要包括緊急切斷閥、消除靜電裝置、安全泄放裝置、液位計(jì)、壓力表、溫度計(jì)等。槽罐車(chē)操作箱位于罐體中部,左右兩側(cè)各一個(gè),操作箱內(nèi)主要裝有壓力表、溫度計(jì)、氣相進(jìn)出料閥門(mén)、液相進(jìn)出料閥門(mén)、緊急切斷閥等。緊急切斷閥用于控制罐體與氣相管和液相管的連通,應(yīng)急處置中可實(shí)現(xiàn)關(guān)閥斷料的功能,常見(jiàn)的緊急切斷閥有液壓式和機(jī)械牽引式兩種,其操作手柄均安裝在閥門(mén)箱和車(chē)體尾部,實(shí)現(xiàn)快速、便捷的關(guān)閥斷料。液壓式緊急切斷閥,通過(guò)液壓手動(dòng)泵加壓給液壓油路傳遞壓力,開(kāi)啟氣液相緊急切斷閥,常見(jiàn)于半拖掛式槽罐運(yùn)輸車(chē)上;機(jī)械牽引式緊急切斷閥,通過(guò)鋼絲繩物理牽引緊急切斷閥的啟閉,常見(jiàn)于固定式槽罐運(yùn)輸車(chē)上。液位計(jì)用于觀察、控制罐車(chē)充裝量,應(yīng)急處置時(shí)用于核查罐體內(nèi)裝液體量,為起吊、轉(zhuǎn)運(yùn)等處置提供依據(jù),一般設(shè)于罐車(chē)尾部,常用的有螺旋式、浮筒式和滑竿式。安全泄放裝置主要包括安全閥在內(nèi)的安全泄放裝置,當(dāng)罐內(nèi)壓力增大時(shí),安全閥起跳泄壓,在一定程度上保證罐體整體安全。安全閥主要由凸起式和下凹式兩種,以下凹式彈簧安全閥最為常見(jiàn)。

2 LPG槽罐車(chē)常見(jiàn)事故類(lèi)型

據(jù)資料統(tǒng)計(jì)[4],60%以上LPG槽罐車(chē)事故是因交通事故引發(fā)。因雨雪等惡劣天氣影響、追尾、超速、彎道等導(dǎo)致事故現(xiàn)場(chǎng)LPG槽罐車(chē)一般處于傾翻和正常追尾撞擊的直立狀態(tài)。

從事故表現(xiàn)形式講,事故類(lèi)型可分為未泄漏、泄漏、燃燒三種。未泄漏事故指槽罐車(chē)受損未泄漏或傾翻受損未泄漏的事故類(lèi)型,事故中罐體發(fā)生受損現(xiàn)象,其耐壓性能降低,任何偶然因素都可能造成罐體、管線、閥門(mén)等發(fā)生災(zāi)難性瞬間泄漏。如湖南常吉高速某隧道口處液化氣槽罐發(fā)生側(cè)翻事故,現(xiàn)場(chǎng)無(wú)泄漏,但是3 h后,槽罐車(chē)在沒(méi)有任何預(yù)兆的情況下尾部突然發(fā)生撕裂,白色液化氣體呈噴射狀泄漏并快速擴(kuò)散,5～6 s后發(fā)生爆炸,造成3名現(xiàn)場(chǎng)消防救援人員犧牲[5]。泄漏事故,指罐車(chē)因撞擊、碰擦、翻滾、墜落等道路交通事故,導(dǎo)致罐體或管線閥門(mén)等受損而發(fā)生的氣相或液相泄漏事故類(lèi)型。泄漏出來(lái)的液化石油氣能夠與空氣形成爆炸性蒸汽云。如浙江溫嶺槽罐車(chē)事故,液化石油氣泄漏氣化造成的蒸汽云發(fā)生兩次蒸汽云爆炸,造成20人死亡,175人受傷的嚴(yán)重后果。燃燒事故指罐體受損、傾翻導(dǎo)致罐體或管路組件受損,發(fā)生液化石油氣泄漏并燃燒的事故類(lèi)型。液化石油氣為易燃易爆氣體,一般大量泄漏后更容易出現(xiàn)燃燒爆炸現(xiàn)象。

從槽罐車(chē)受損部位看,事故類(lèi)型有罐體受損、管路受損和閥門(mén)受損等。罐體常見(jiàn)受損部位為罐體封頭焊接處,如浙江溫嶺事故槽罐車(chē);槽罐車(chē)事故中發(fā)生的傾翻、翻滾、撞擊碰擦等容易造成操作箱及罐體底部管路受損,通常液相管路泄漏比氣相管路泄漏的危險(xiǎn)性更大,如2009年行駛至臨安市的液化石油氣槽罐車(chē)因彎道超速發(fā)生車(chē)輛側(cè)翻,導(dǎo)致右側(cè)操作箱因沖擊嚴(yán)重受損,發(fā)生氣液相管路閥門(mén)斷裂[6];罐體閥門(mén)法蘭由于使用頻次較多,容易損壞;或因法蘭密封墊片老化、開(kāi)裂、受外力撞擊等,造成物料泄漏[7]。

3 LPG槽罐車(chē)模擬訓(xùn)練設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

知己知彼才能百戰(zhàn)不殆,液化石油氣槽罐車(chē)模擬訓(xùn)練設(shè)施首先要解決的是槽罐車(chē)結(jié)構(gòu)認(rèn)知、辨識(shí)問(wèn)題。液化石油氣槽罐車(chē)模擬訓(xùn)練設(shè)施以1∶1的實(shí)物罐車(chē)為原型進(jìn)行半剖設(shè)計(jì),整體結(jié)構(gòu)主要包括罐體、安全附件、管路、增壓系統(tǒng)、支撐與動(dòng)作系統(tǒng)等(如圖1所示),最大程度地全真展示氣液相管路、進(jìn)出料閥門(mén)、緊急切斷裝置、安全閥等結(jié)構(gòu)。

LPG槽罐車(chē)模擬訓(xùn)練設(shè)施罐體是訓(xùn)練設(shè)施的主要部分,由圓柱形筒體、封頭、各種接口凸緣、防波板及導(dǎo)軌等零部件組成,最大程度地展現(xiàn)實(shí)物結(jié)構(gòu)。罐體底部設(shè)緊急切斷閥及配套的氣相、液相兩套管路,分別與罐體左右兩側(cè)操作箱相連通,便于參訓(xùn)人員理解緊急切斷閥的功能作用及操作要求;操作箱內(nèi)依照實(shí)物設(shè)計(jì)安裝進(jìn)出料閥門(mén)、緊急切斷閥、壓力表、溫度計(jì)等,能夠?qū)嶋H查看壓力、溫度、操作緊急切斷閥動(dòng)作。模擬訓(xùn)練設(shè)施為了更多地進(jìn)行實(shí)物展示及模擬訓(xùn)練,左右兩側(cè)的操作箱采取與常規(guī)實(shí)物不同的設(shè)計(jì),分別設(shè)計(jì)安裝機(jī)械式和油壓式緊急切斷閥,同時(shí)對(duì)車(chē)尾部的緊急切斷閥作出相應(yīng)的調(diào)整;安全附件中的安全泄放裝置(安全閥)選用容易發(fā)生事故的凸起式安全閥,安裝在罐體頂部;液位計(jì)選用需手動(dòng)操作較為復(fù)雜的滑竿式液位計(jì),安裝在罐體尾部。罐體內(nèi)各零部件用反光線條或燈帶勾勒出完整形狀,提升學(xué)習(xí)效果。

根據(jù)液化石油氣槽罐車(chē)常見(jiàn)災(zāi)情及常見(jiàn)受損位置,模擬訓(xùn)練設(shè)施在充分展示內(nèi)部結(jié)構(gòu)的同時(shí),額外增設(shè)小型水箱(如圖2所示)模擬罐體儲(chǔ)存介質(zhì)的狀態(tài),小型水箱內(nèi)設(shè)置一套與操作箱相連接的氣液相管路,實(shí)現(xiàn)模擬各種狀態(tài)下氣液相管口與液面的位置狀態(tài)和氣液相進(jìn)出料情況,為后期的倒罐、放空等相關(guān)處置措施的訓(xùn)練提供依據(jù)。模擬訓(xùn)練設(shè)施設(shè)置底座作為整體結(jié)構(gòu)的支撐系統(tǒng),配置升降、旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),通過(guò)前后左右4個(gè)舉升/旋轉(zhuǎn)軸可真實(shí)模擬事故中罐車(chē)的各種異常狀況,如罐體側(cè)翻、仰翻、前傾、后傾等各種三維空間姿態(tài)。添加增壓系統(tǒng),由氣泵、氣罐、控制箱組成,可為模擬訓(xùn)練設(shè)施罐體提供穩(wěn)定壓力的壓縮空氣氣源,用于模擬安全閥起跳。在罐體、封頭焊接處、氣相管路、液相管路等常見(jiàn)受損部位開(kāi)鑿孔洞,確保孔洞與增設(shè)的供水、供氣管路相連接,通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)特定泄漏口的泄漏模擬,實(shí)現(xiàn)液化石油氣的氣相、液相泄漏的災(zāi)情。設(shè)計(jì)動(dòng)作控制系統(tǒng),將模擬訓(xùn)練設(shè)施所涉及的氣、液、電集中于一個(gè)手持式遙控器中,通過(guò)相應(yīng)按鍵操作實(shí)現(xiàn)指定動(dòng)作。

圖2 液化石油氣槽罐車(chē)模擬訓(xùn)練設(shè)施水箱結(jié)構(gòu)圖

4 LPG槽罐車(chē)模擬訓(xùn)練設(shè)施實(shí)現(xiàn)功能

4.1 模擬LPG槽罐車(chē)各種翻車(chē)狀態(tài)

模擬訓(xùn)練設(shè)施接通電源后,通過(guò)動(dòng)作控制系統(tǒng)遙控器控制LPG罐體左側(cè)/右側(cè)舉升,模擬罐體的前傾/后傾狀態(tài);旋轉(zhuǎn)罐體至操作箱為水平位置時(shí),即呈現(xiàn)90°翻車(chē)狀態(tài),旋轉(zhuǎn)至安全閥為垂直向下位置時(shí),即呈現(xiàn)180°翻車(chē)狀態(tài),實(shí)現(xiàn)模擬事故中罐車(chē)的90°和180°翻車(chē)狀態(tài);甚至能夠充分模擬兩者同時(shí)存在的翻車(chē)和傾倒?fàn)顟B(tài)。

通過(guò)實(shí)地觀察水箱內(nèi)氣液相管口與液面的相對(duì)位置可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)氣液相管口進(jìn)行倒罐、泄壓等處置措施;同時(shí)便于參訓(xùn)者更好地理解翻車(chē)狀態(tài)下罐車(chē)隨車(chē)配備的液位測(cè)量裝置是否能有效提供數(shù)據(jù)。

4.2 模擬LPG槽罐車(chē)安全閥起跳及泄漏狀態(tài)

將供氣、供水管路連接到模擬訓(xùn)練設(shè)施罐體的相應(yīng)接口上,啟動(dòng)氣泵上的開(kāi)關(guān),通過(guò)點(diǎn)擊動(dòng)作控制系統(tǒng)遙控器安全閥起跳按鈕,壓縮空氣經(jīng)管路至安全閥并將其打開(kāi)排氣,數(shù)秒后自動(dòng)停止排氣。充分模擬事故中罐車(chē)由于壓力過(guò)大發(fā)生的泄壓狀態(tài),以及凸起式安全閥因限高導(dǎo)致的泄漏事故,為罐體冷卻等處置操作提供真實(shí)的模擬場(chǎng)景。

4.3 模擬LPG槽罐車(chē)泄漏狀態(tài)

模擬訓(xùn)練設(shè)施根據(jù)常見(jiàn)泄漏位置設(shè)置了罐體封頭焊縫泄漏點(diǎn)、封頭泄漏點(diǎn)、液相管法蘭泄漏點(diǎn)和液相管路漏點(diǎn)。通過(guò)點(diǎn)擊動(dòng)作控制系統(tǒng)遙控器相應(yīng)泄漏點(diǎn)按鈕,實(shí)現(xiàn)特定位置的泄漏模擬。該項(xiàng)功能尤其是液相管路或法蘭泄漏能夠通過(guò)關(guān)閉緊急切斷閥進(jìn)行及時(shí)止漏,實(shí)現(xiàn)參訓(xùn)者對(duì)關(guān)閥斷料處置措施的理解與靈活運(yùn)用。

5 結(jié)語(yǔ)

作為我國(guó)目前最為廣泛使用的燃料液化石油氣,由于地域差異化存儲(chǔ),公路運(yùn)輸是不可或缺的重要一環(huán)。在運(yùn)輸途中一旦發(fā)生事故則容易引發(fā)燃燒、爆炸等危險(xiǎn)。包括消防救援人員在內(nèi)的相關(guān)應(yīng)急處置人員,如果能第一時(shí)間進(jìn)行有效應(yīng)對(duì)處置則可以避免災(zāi)難的發(fā)生。這要求應(yīng)急處置人員首先要熟練掌握槽罐車(chē)罐體構(gòu)造,才能靈活采取利用車(chē)輛自身安全措施與消防處置措施相結(jié)合的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)法進(jìn)行處置。根據(jù)罐體結(jié)構(gòu)和常見(jiàn)災(zāi)情設(shè)計(jì)的此LPG槽罐車(chē)模擬訓(xùn)練設(shè)施,具有占地小、模擬災(zāi)情多、互動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn),在一定程度上能夠滿(mǎn)足示教示范、實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練等任務(wù)需求。