異常因素對CNG長管拖車爆破片疲勞壽命的影響

周日峰，張健中，劉全楨，王振中

(中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點實驗室，山東青島 266100)

1 研究背景

天然氣作為高質(zhì)清潔能源在汽車行業(yè)被越來越廣泛使用。其中，壓縮天然氣(Compressed Natural Gas)加氣站在我國具有相當(dāng)?shù)臄?shù)量，其氣源多采用長管拖車從母站運輸。由于CNG加氣子站常位于城市建城區(qū)，對安全具有較高的要求。移動式壓力容器上常用的安全泄放裝置有爆破片、安全閥、合金易熔塞等，其中爆破片和易熔塞組合裝置在長管拖車氣瓶上用的較多。美國壓縮空氣協(xié)會的CGA S1.1中規(guī)定，對于長管拖車移動式壓力容器[1,2]，爆破片與易熔塞組合裝置是首選的安全泄放裝置[3]。GB567-2012《爆破片安全裝置》對爆破片的材料、設(shè)計、選型、安裝、使用等給出了詳細的要求。爆破片結(jié)構(gòu)形式主要有正拱形、平板形、反拱形等，其中正拱形爆破片爆破和疲勞性能較穩(wěn)定，在長管拖車氣瓶上的應(yīng)用較多。國內(nèi)有數(shù)家公司對爆破片和易熔塞組合泄放裝置有各自的產(chǎn)品研究[4-7]。目前國內(nèi)CNG加氣子站長管拖車氣瓶的壓力使用范圍為3～20 MPa，為保護氣瓶安全，爆破片的起爆壓力通常設(shè)定為33 MPa。按照TSG_R0005-2011《移動式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，易熔塞在常壓下的起爆壓力較爆破片稍低，不得妨礙和影響爆破片裝置的正常泄放功能。所以，爆破片的疲勞性能決定了爆破片與易熔塞組合裝置的疲勞性能。

在沒有火災(zāi)等外在原因?qū)е录託庾诱鹃L管拖車氣瓶超壓的情況下，爆破片發(fā)生起爆的事故，被稱為爆破片異常起爆事故。國內(nèi)發(fā)生過數(shù)起CNG長管拖車氣瓶爆破片異常起爆事故，造成了不必要的液壓油或天然氣泄放，并對周圍環(huán)境造成污染，對周圍居民生活造成極大不便。所以，研究影響加氣子站長管拖車爆破片異常起爆的因素，對減少爆破片異常起爆事故發(fā)生具有重要意義。周日峰等[8]基于HAZOP分析和LOPA分析，提出了爆破片異常起爆防護對策，但對爆破片異常起爆機理缺乏足夠的認識。張毅等[9]實驗測試了液壓平推加氣子站管束車爆破片異常起爆過程，排除了管束車回油管路堵塞造成爆破片異常起爆的可能。由于CNG長管拖車氣瓶的工作壓力在3～20 MPa內(nèi)循環(huán)，所以氣瓶爆破片的疲勞特性是決定爆破片壽命的關(guān)鍵。本文基于CNG氣瓶超壓泄放裝置疲勞壽命測試平臺，對可能影響正拱形爆破片疲勞壽命的因素進行了分析，歸納了爆破片疲勞后異常起爆機理，為異常起爆事故防護對策提供科學(xué)依據(jù)。

2 爆破片冰凍實驗

本文搭建了爆破片與易熔塞疲勞壽命測試實驗平臺見圖1，由疲勞測試實驗壓力源(高壓油泵)、油箱、壓力表、流路切換控制閥塊、壓力分配管路、被測試件等組成。進行爆破片疲勞壽命測試時，油泵連續(xù)運行，通過閥塊控制油泵往壓力分配測試管路輸油，進行升壓；當(dāng)壓力達到疲勞測試壓力上限時，控制閥塊將油泵輸油管路切換至油箱，同時截住壓力分配管路進行保壓；保壓結(jié)束后，控制閥塊開通壓力分配管路與油箱間管路，壓力分配管路中的油回到油箱，完成降壓；壓力降到疲勞測試壓力下限時，開始進行低壓保壓；低壓保壓結(jié)束后，繼續(xù)進行升壓。當(dāng)爆破片因疲勞導(dǎo)致爆破后，記下當(dāng)前的疲勞測試循環(huán)次數(shù)，即為被測試爆破片的疲勞壽命。

圖1 爆破片疲勞性能測試平臺示意

2.1 冰凍實驗方案

進行爆破片冰凍損傷實驗時，首先將正拱形爆破片與易熔塞組合裝置中的易熔塞融掉，然后在爆破片非承壓側(cè)裝滿水，放入冷凍箱冷凍。冷凍參數(shù)選擇兩種：冷凍溫度和冷凍時間，其中冷凍溫度以冬季東北地區(qū)和山東地區(qū)的最低溫度為參照，分別選取-40 ℃和-20 ℃；冰凍時間設(shè)置為兩種，分別為24 h和48 h。

在設(shè)定的冷凍溫度下達到冷凍時間后，從冷凍箱內(nèi)取出超壓泄放裝置，開展兩種形式的爆破片爆破實驗：一種是將冰融化后開展爆破實驗(不帶冰)；另一種是爆破片帶冰直接開展爆破實驗(帶冰)。

2.2 實驗結(jié)果及分析

爆破片冷凍后帶冰和不帶冰兩種形式的爆破實驗結(jié)果如表1所示。由數(shù)據(jù)可以看出，冰凍過的爆破片疲勞壽命均大于6萬次，與未冰凍的爆破片疲勞壽命相比，并未有顯著的降低，說明冰凍沒有對爆破片的疲勞壽命產(chǎn)生影響。分析認為因為-40 ℃的溫度并沒有影響316奧氏體不銹鋼的特性，與開展的靜壓爆破實驗原理相同，冰凍的爆破片因為冰膨脹擠壓使爆破片表面發(fā)生微變形，并沒有引起明顯的應(yīng)力集中，也沒有引起厚度的減薄，所以沒有引起疲勞性能的變化。

表1 冰凍工況下爆破片疲勞壽命測試結(jié)果

3 爆破片擠壓損傷實驗

3.1 實驗方案

爆破片可能發(fā)生的擠壓損傷主要為尖物按壓和鈍物按壓，本文利用自主設(shè)計的鈍物對爆破片造成不同區(qū)域和不同程度的擠壓損傷。設(shè)置了三種不同位置的損傷，對應(yīng)與中心軸線不同的夾角，分別在拱頂處(夾角0°夾角)、拱面1/2處(15°夾角)和加持邊緣處(30°夾角)，如圖2所示。根據(jù)實際可能發(fā)生的損傷情況，用擠壓損傷區(qū)域的直徑和深度兩個參數(shù)來表征爆破片損傷程度，如圖2所示。

圖2 帶擠壓損傷爆破片模型示意(其中，B為損傷缺陷半徑，A為損傷深度，W為損傷位置與中心軸線偏角)

3.2 實驗結(jié)果及分析

帶擠壓損傷的爆破片形貌如圖3所示，疲勞壽命測試實驗結(jié)果如表2、表3所示。

表2 小損傷擠壓爆破片疲勞壽命測試結(jié)果(損傷圓角半徑R=0.5 mm)

表3 大損傷擠壓爆破片疲勞壽命測試結(jié)果(損傷圓角半徑R=1 mm)

圖3 帶擠壓損傷爆破片發(fā)生疲勞爆破后形貌

從表2、表3可知，帶擠壓損傷爆破片的疲勞壽命在4 500～6 000次，總體疲勞壽命分布比較集中。損傷程度(損傷直徑和深度)越長，爆破片疲勞壽命越短。

從圖3(a)中受擠壓損傷爆破片爆破后形貌可以看出，爆破片在壓力循環(huán)過程中，點狀凹陷處出現(xiàn)細微裂紋，然后裂紋擴展，造成裝置泄漏。實驗過程中，裂紋出現(xiàn)以及裂紋擴展時壓力并沒有明顯下降，壓力上升速率也沒有明顯變化，但液壓油從裂紋處呈霧狀噴出。

在疲勞實驗中，爆破片擠壓損傷處的拱面凹陷雖然能恢復(fù)，但受損部位中心位置卻存在一個難以恢復(fù)的點狀凹陷，如圖3(b)所示，凹坑的大小和損傷錐頭的圓角半徑有關(guān)。圓角半徑大，點狀凹陷越大。在壓力循環(huán)過程中，此處由于結(jié)構(gòu)不連續(xù)存在應(yīng)力集中，所以在疲勞實驗過程中，此處為應(yīng)力最大點。

擠壓損傷對爆破片疲勞壽命的影響較大，完好的爆破片疲勞壽命超過10萬次，而受擠壓損傷后降為5 000次左右，而且損傷直徑和深度越大，爆破片的疲勞壽命越短。同樣的損傷程度，損傷物的圓角越大，受傷的爆破片疲勞壽命越短。

4 爆破片劃傷實驗

4.1 實驗方案

因超壓泄放裝置中爆破片非泄放端有易熔塞澆注，爆破片與外界不接觸，所以超壓泄放裝置安裝完成后爆破片幾乎不存在劃傷損傷的可能性。本文研究爆破片在加工制作過程中的劃傷損傷，通過刻槽來模擬爆破片的劃傷受損。

因爆破片預(yù)拱壓力為29 MPa，所以利用刻槽來模擬劃傷時，控制相同的壓槽深度，控制刻槽后爆破壓力大于預(yù)拱壓力。在爆破片三種位置上制造損傷，分別為拱頂處、1/2拱面處和夾持邊緣處，研究劃傷爆破片的爆破形式和機理。

4.2 實驗結(jié)果及分析

將三種不同位置的劃傷爆破片進行疲勞實驗，疲勞壽命如表4～6所示，疲勞爆破后形貌如圖4～6所示。由三個表中數(shù)據(jù)可知，同樣劃傷程度的拱頂和拱面1/2處損傷工況相比，拱面1/2處損傷的爆破片平均疲勞壽命為1 684次，拱頂損傷的爆破片平均疲勞壽命為2 712次，拱面1/2處劃傷爆破片比拱頂處的疲勞壽命更短，說明同樣程度的劃傷損傷拱面1/2處的對爆破片疲勞性能的影響更大。另外，邊緣處劃傷的爆破片平均疲勞壽命為3816次，可能原因是爆破片邊緣處較厚，損傷位置處應(yīng)力集中程度沒有另外兩個位置的明顯，故在邊緣處劃傷的爆破片疲勞壽命稍大于另外兩個部位損傷的壽命。

表4 拱頂劃傷爆破片疲勞壽命測試結(jié)果

表5 拱面1/2處劃傷爆破片疲勞壽命測試結(jié)果

表6 邊緣處劃傷爆破片疲勞壽命測試結(jié)果

圖4 拱頂處劃傷爆破片爆破后形貌

圖5 拱面1/2處劃傷爆破片爆破后形貌

圖6 邊緣處劃傷爆破片爆破后形貌

從爆破片破裂后的形貌圖可知，爆破片多為從劃傷口處泄漏，少部分為沿劃傷口撕裂。實驗過程中，爆破片從劃傷口泄漏時，壓力并沒有立刻下降，只是壓力上升速率由原來的4.75 MPa/s降為2 MPa/s，且液壓油呈細柱狀噴射而出。爆破片沿劃傷口撕裂而爆破時，壓力立刻下降為0，液壓油瞬間涌出。

對比爆破壓力測試結(jié)果可知，相比爆破壓力的變化，劃傷對疲勞壽命的影響更大，原因是在爆破片劃傷破壞處存在連續(xù)的應(yīng)力集中，峰值應(yīng)力過大，且厚度減薄處爆破片的抗拉強度大大減小，所以在連續(xù)的壓力循環(huán)過程中也在此處最先破壞。

5 結(jié)論

本文分析了影響CNG長管拖車爆破片疲勞壽命的因素，搭建了CNG長管拖車爆破片疲勞壽命測試平臺，研究了冰凍、擠壓損傷、劃傷等對爆破片疲勞壽命的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下。

a)由于-40 ℃低溫并不影響316奧氏體不銹鋼的特性，冬季的低溫對爆破片的疲勞性能沒有顯著影響。

b)受尖鈍物擠壓損傷的爆破片較正常爆破片疲勞壽命大幅降低，超過95%，且受損部位直徑和深度越大，疲勞壽命越短。

c)通過拱頂、拱面1/2處和邊緣處三個部位劃傷爆破片的疲勞試驗發(fā)現(xiàn)，拱面1/2處疲勞壽命最短，邊緣處劃傷的爆破片疲勞壽命最長。

d)劃傷對爆破片疲勞壽命的影響最大，其次為擠壓損傷。

[1] 王洪海. DOT-3AAX氣瓶及其運輸設(shè)備的安全設(shè)計[J]. 化工設(shè)備與管道, 2000, 37 (1): 10-14.

[2] 王洪海. 美國長管拖車氣瓶安全監(jiān)察法規(guī)介紹[J]. 中國鍋爐壓力容器安全, 2003, 20 (1): 56-60.

[3] 周日峰, 張健中, 許光，等. 長管拖車安全附件應(yīng)用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].山東化工, 2015, (24): 103-105.

[4] 吳全龍, 陳紅親, 喻炳，等. 長管拖車專用爆破片裝置[P]. 中國: CN202418786U, 2012-09-05.

[5] 李岳, 喻友良, 宮盛強，等. 長管拖車用爆破片裝置[P]. 中國: CN203146951U, 2013-08-21.

[6] 盧川川. 長管拖車氣瓶用爆破片裝置的設(shè)計與開發(fā)[J]. 石油化工設(shè)備, 2014, 17 (11): 72-74.

[7] 劉玉紅. 長管拖車安全泄放裝置的選擇[J]. 安全技術(shù), 2015, 27 (9): 9-10.

[8] 周日峰，張健中，喻健良.加氣站長管拖車爆破片異常起爆事故分析及對策[J].安全、健康和環(huán)境，2017，(09):5-9.

[9] 張毅，徐光，張健中，等.液壓平推加氣子站管束車爆破片異常起爆實驗測試[J].安全、健康和環(huán)境，2015，(02)：34-37+46.