周偉明,楊 超,張 雷
(1.上海市氣體工業(yè)協(xié)會(huì),上海 200030;2.全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì) 移動(dòng)式壓力容器分技術(shù)委員會(huì),上海 200237;3.華東理工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200237;4.臺(tái)積電(南京)有限公司,南京 211806)
隨著我國電子、信息、生物、新材料、海洋、空間等領(lǐng)域的一批新技術(shù)在社會(huì)經(jīng)濟(jì)中推廣和運(yùn)用,產(chǎn)生和發(fā)展起來一系列的新興產(chǎn)業(yè)部門。電子信息產(chǎn)業(yè)作為發(fā)展最為迅速的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè),越來越受到重視,發(fā)展速度之快超出了人們的預(yù)料,與之相配套的氧化亞氮、三氟化氮、硅烷及氯化氫等電子工業(yè)用高壓液化氣體的需求也在快速增長(zhǎng)。但在迅猛發(fā)展的同時(shí),由于硅烷等介質(zhì)屬于易燃、易爆,且還會(huì)發(fā)生相變爆炸的危險(xiǎn),將給社會(huì)的公共安全帶來不可忽視的威脅。因此,為避免重特大安全事故的發(fā)生,應(yīng)當(dāng)根據(jù)高壓液化氣體的危險(xiǎn)特性設(shè)計(jì)此類介質(zhì)的管束式集裝箱。
高壓液化氣體管束式集裝箱雖然在我國的使用已有一定的時(shí)間,但產(chǎn)品基本依賴進(jìn)口。2016年后,陸續(xù)有相關(guān)單位對(duì)該產(chǎn)品開展研制工作[1]。在研制過程中發(fā)現(xiàn),我國相關(guān)制造單位對(duì)介質(zhì)的危特性的理解不足,特別是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、管路設(shè)計(jì)要求的缺失,以及密封材料、安全泄放裝置、管路閥門和接頭的選用原則未做出明確規(guī)定等一些問題及不足逐漸突顯出來。因此,為了提高高壓液化氣體管束式集裝箱的整體安全性能、減少安全事故發(fā)生,本文通過對(duì)儲(chǔ)運(yùn)高壓液化氣體管束式集裝箱的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面展開研究,為我國制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)要求提供理論與實(shí)踐依據(jù)。
全世界最早生產(chǎn)管束式集裝箱的是美國CPI公司。CPI從專門生產(chǎn)大容積無縫氣瓶的制造商,慢慢發(fā)展為開始生產(chǎn)高壓液化氣體的管束式集裝箱。隨著高壓液化氣體儲(chǔ)運(yùn)裝備的大量需求,美國FIBA、WELDSHIP及韓國NK等公司也開始生產(chǎn)高壓液化氣體管束式集裝箱。主要的充裝介質(zhì)包括三氟化氮、硅烷、六氟化硫、氯化氫、氧化亞氮、四氟甲烷等,尤其是硅烷、氧化亞氮、三氟化氮這3種氣體在半導(dǎo)體行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用,因而更具備代表性。充裝3種不同介質(zhì)的集裝箱分別見圖1~3 。
(a)
(b)
圖1 硅烷管束式集裝箱
(a)
(b)
圖2 氧化亞氮管束式集裝箱
(a)
(b)
圖3 三氟化氮管束式集裝箱
2016年5月,全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)移動(dòng)式壓力容器分技術(shù)委員會(huì)(以下簡(jiǎn)稱移動(dòng)分會(huì))組織專家對(duì)有關(guān)單位提交的關(guān)于充裝硅烷、氧化亞氮、三氟化氮等3種高壓液化氣體的管束式集裝箱的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行技術(shù)評(píng)審工作。移動(dòng)分會(huì)通過對(duì)國際規(guī)范的收集和研究,并以現(xiàn)場(chǎng)考察的方式多次開展針對(duì)管束式集裝箱充裝硅烷、氧化亞氮、三氟化氮等高壓液化氣體的大量技術(shù)調(diào)研工作,并且多次召集我國氣體行業(yè)專家進(jìn)行技術(shù)研討和交流,后續(xù)又相繼展開理論研究及產(chǎn)品研發(fā)等工作。本文以硅烷、氧化亞氮和三氟化氮3種介質(zhì)為例做重點(diǎn)說明。
GB 6944—2005《危險(xiǎn)貨物分類和品名編號(hào)》、GB 12268—2005《危險(xiǎn)貨物品名表》和《危險(xiǎn)化學(xué)品目錄》對(duì)?;方橘|(zhì)的名稱和分類均做了明確的規(guī)定。另外,根據(jù)《國際化學(xué)品安全卡手冊(cè)》和《化學(xué)品安全技術(shù)說明》可查詢?;方橘|(zhì)的物理、化學(xué)及危險(xiǎn)特性,本文對(duì)硅烷、氧化亞氮、三氟化氮3種介質(zhì)的物化特性均進(jìn)行具體的介紹。
硅烷為無色氣體,有特殊氣味,其物理危險(xiǎn)性:氣體比空氣重,可能積聚在低層空間,造成缺氧;化學(xué)危險(xiǎn)性:與空氣接觸時(shí),該物質(zhì)可能爆燃;加熱或燃燒時(shí),該物質(zhì)分解生成硅和氫氣,有著火和爆炸危險(xiǎn)。該物質(zhì)是一種強(qiáng)還原劑。硅烷其他特性見表1。
表1 硅烷物化特性
氧化亞氮為無色壓縮液化氣體,有特殊氣味,其物理危險(xiǎn)性:氣體比空氣重,可能積聚在低層空間,造成缺氧;化學(xué)危險(xiǎn)性:與亞硫(酸)酐、無定形硼、磷化氫、醚類、鋁、肼、苯基鋰和碳化鎢等激烈反應(yīng),有著火和爆炸的危險(xiǎn)。該物質(zhì)是一種強(qiáng)氧化劑。氧化亞氮其他特性見表2。
表2 氧化亞氮物化特性
三氟化氮為無色氣體,有特殊氣味,其物理危險(xiǎn)性:氣體比空氣重,可能積聚在低層空間,造成缺氧;化學(xué)危險(xiǎn)性:加熱時(shí),該物質(zhì)分解生成含氟化物有毒煙霧;該物質(zhì)是一種強(qiáng)氧化劑,與可燃物質(zhì)和還原性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng);與氨、一氧化碳、乙硼烷、氫、硫化氫和甲烷或四氟化肼激烈反應(yīng),有爆炸的危險(xiǎn);侵蝕金屬,該物質(zhì)可被電火花分解。三氟化氮其他特性見表3。
表3 三氟化氮物化特性
通過對(duì)上述三種介質(zhì)的物化特性表述可以看出,此類新興電子材料具備更加復(fù)雜的物理化學(xué)特性,尤其是在危害表述中呈現(xiàn)出復(fù)雜性、綜合性,并在危害程度上超越現(xiàn)有的普通工業(yè)氣體。
由于高壓液化氣體管束式集裝箱的儲(chǔ)運(yùn)介質(zhì)具有較高的工作壓力及復(fù)雜的物化特性,且臨界溫度在自然溫度變化范圍內(nèi),故當(dāng)管束式集裝箱處于運(yùn)輸和裝卸工況時(shí),其介質(zhì)不斷變化的溫度和壓力對(duì)管束式集裝箱產(chǎn)生各種物理和化學(xué)作用,易使與介質(zhì)直接接觸的氣瓶?jī)?nèi)壁及部分零部件產(chǎn)生腐蝕、裂紋等缺陷。因此,在選擇與介質(zhì)接觸的氣瓶、端塞、管子、閥門和密封等材料時(shí),不同物化特性的高壓液化氣體與材料的相容性就顯得尤為重要。
我國TSG R0006—2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和GB/T 33145—2016《大容積鋼質(zhì)無縫氣瓶》標(biāo)準(zhǔn)中,均對(duì)氣瓶用材料的力學(xué)性能和化學(xué)成分做了明確的規(guī)定,并基本與國際規(guī)范接軌。其中,GB/T 33145—2016對(duì)氣瓶材料還提出了強(qiáng)度要求:對(duì)于盛裝氫氣、天然氣或者甲烷等有致脆性、應(yīng)力腐蝕傾向氣體的鋼瓶,其實(shí)際抗拉強(qiáng)度不應(yīng)大于880 MPa,屈強(qiáng)比不應(yīng)大于0.86,斷后伸長(zhǎng)率不應(yīng)小于20%;對(duì)于盛裝其他非致脆性、非應(yīng)力腐蝕傾向的鋼瓶,其實(shí)際抗拉強(qiáng)度不應(yīng)大于1 060 MPa,屈強(qiáng)比不應(yīng)大于0.9,斷后伸長(zhǎng)率不應(yīng)小于16%。但是,我國的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中并未針對(duì)不同的高壓液化氣體提出與材料相容性的具體安全技術(shù)要求,除此之外,我國技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中也并未對(duì)管子、閥門、密封等材料與高壓液化氣體相容性等技術(shù)要求作出明確規(guī)定。
國外的技術(shù)規(guī)范中,除了對(duì)瓶體用材料的化學(xué)成分和力學(xué)性能做出了明確規(guī)定,而且還將管束式集裝箱中與介質(zhì)接觸的材料依據(jù)其金屬或非金屬特性,分別對(duì)其與介質(zhì)的相容性提出了明確技術(shù)要求和規(guī)定。
(1)ISO 11114-1《Gas Cylinders—Compatibility of Cylinder and Valve Materials with Gas Contents—Part 1:Metallic Materials》[6]。
該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)高壓液化氣體不同的物化特性,分別對(duì)氣瓶、閥門、密封及其零部件等材料提出了明確的技術(shù)要求,如表4所示。
表4 高壓液化氣體與材料的相容性
NS-用于制造無縫和焊接鋼瓶的經(jīng)正火熱處理的碳鋼;QTS-用于制造無縫鋼瓶經(jīng)淬火和回火處理的合金鋼;SS-用于制造無縫和焊接鋼瓶以及一些閥體和閥門部件的奧氏體不銹鋼;AA-用于制造無縫鋼瓶且在ISO 7866中指定的鋁合金,ISO 7866中未指定的鋁合金材料也可用于制造閥體和閥門;B-用于制造氣瓶閥門的銅和銅合金;CS-用于制造氣瓶閥體的碳鋼;黑色字體表示為在正常工況下的常用材料
(2)ISO 11114-2《Transportable Gas Cylinder—Compatibility of Cylinder and Valve Materials with Gas Contents—Part 2:Non-metallic Materials》[7]。
該標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)高壓液化氣體不同的物化特性,對(duì)高壓液化氣體管束式集裝箱中采用的非金屬密封材料提出了明確的技術(shù)要求,如表5所示。
表5 非金屬密封材料的選取
通過對(duì)管束式集裝箱材料選擇的國內(nèi)外技術(shù)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比,可以看出,在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)化方面,仍然存在一些不足,值得我國進(jìn)一步探討和加強(qiáng)。
在我國相關(guān)安全技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)不同公稱工作壓力下常用高壓液化氣體的充裝系數(shù)做出了明確規(guī)定,如表6所示。
表6 高壓液化氣體充裝系數(shù)
對(duì)于其他高壓液化氣體的充裝系數(shù),計(jì)算公式如下:
式中Fr——高壓液化氣體充裝系數(shù),kg/L;
P——?dú)馄吭S用壓力(絕對(duì)),按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,取氣瓶的公稱工作壓力,MPa;
M——?dú)怏w分子量;
Z——?dú)怏w在壓力P、溫度T時(shí)的壓縮系數(shù);
R——?dú)怏w常數(shù),MPa·m3/(kmol·K),R=8.314×10-3MPa·m3/(kmol·K);
T——?dú)馄孔罡呤褂脺囟?,K。
在國外技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的包裝物導(dǎo)則[8]中,給出不同高壓液化氣體充裝系數(shù)的計(jì)算公式:
式中Ph——?dú)馄克畨涸囼?yàn)壓力,MPa。
通過對(duì)國內(nèi)外技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)給出充裝系數(shù)的指標(biāo)對(duì)比發(fā)現(xiàn),國外IMDG《國際海運(yùn)危險(xiǎn)貨物規(guī)則》規(guī)范中將氣瓶的水壓試驗(yàn)壓力作為計(jì)算壓力,其水壓試驗(yàn)壓力為氣瓶公稱工作壓力的1.5倍,將試驗(yàn)壓力全部換算為氣瓶的公稱工作壓力,然后同我國TSG R0006—2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》給出的充裝系數(shù)進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn),我國規(guī)范給出的充裝系數(shù)普遍較低。出現(xiàn)這種結(jié)果的原因是:IMDG規(guī)范中給出的計(jì)算公式比TSG R0006—2014中給出的計(jì)算公式少了一個(gè)氣體壓縮系數(shù)。根據(jù)GB/T 33215—2016《氣瓶安全泄壓裝置》附錄A可知,不同介質(zhì)在不同溫度和壓力下的壓縮系數(shù)不同,壓縮系數(shù)在充裝系數(shù)計(jì)算公式中是不可或缺的計(jì)算因子。因此,我國TSG R0006—2014給出的充裝系數(shù)的指標(biāo)和計(jì)算公式在IMDG的基礎(chǔ)上得到進(jìn)一步的優(yōu)化,更符合實(shí)際的工況,也更具有合理性。
管路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是高壓液化氣體管束式集裝箱中的核心部分,在管路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,不僅要充分考慮高壓液化氣體的理化特性和危險(xiǎn)性,還要在裝卸時(shí)考慮高壓液化氣體的物理狀態(tài),例如:硅烷和三氟化氮裝卸狀態(tài)均為氣態(tài);氧化亞氮介質(zhì)充裝時(shí)為液態(tài),卸氣時(shí)為氣態(tài)。此部分由于為更加細(xì)化的部分,故國內(nèi)外技術(shù)規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)未進(jìn)行詳細(xì)的表述,筆者通過對(duì)國外相關(guān)行業(yè)技術(shù)調(diào)研、產(chǎn)品調(diào)研及現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果,做了如下研究:在管子材料的選擇上,3種介質(zhì)均可根據(jù)GB/T 14976選擇06Cr19Ni10,也可根據(jù)ASME SA-182選擇 F316和TP316等國外牌號(hào)的材料;3種介質(zhì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求具體介紹如下。
硅烷裝卸狀態(tài)均為氣態(tài),因此硅烷的裝卸管路設(shè)置在管束式集裝箱的后倉,如圖4所示。由于硅烷介質(zhì)遇空氣會(huì)發(fā)生自燃,并且硅烷在燃燒時(shí)用任何滅火劑都無濟(jì)于事,裝卸管路系統(tǒng)一旦發(fā)生泄漏,只能對(duì)瓶體采取物理降溫的方法,使其避免溫度升高而發(fā)生瓶體爆炸的危害,考慮到上述原因,在硅烷管束式集裝箱前倉的每支氣瓶加裝一個(gè)備用卸氣口(見圖5),后倉管路系統(tǒng)一旦發(fā)生緊急情況,就可以從備用口將硅烷介質(zhì)移出,避免發(fā)生更大危害。
圖4 硅烷典型裝卸管路系統(tǒng)示意
圖5 硅烷典型備用卸氣口示意
氧化亞氮介質(zhì)充裝時(shí)為液態(tài),卸氣時(shí)為氣態(tài),因此氧化亞氮的裝卸管路應(yīng)分開設(shè)置,充裝管路設(shè)置在管束式集裝箱的前倉(如圖6所示),卸氣管路設(shè)置在管束式集裝箱的后倉(如圖7所示)。同時(shí),管束式集裝箱前倉氣瓶?jī)?nèi)部設(shè)置豎直向下的內(nèi)導(dǎo)管(見圖8),因?yàn)檠趸瘉喌獮閺?qiáng)氧化性介質(zhì),氣瓶材料雖然為金屬材料但也屬于可燃物,在充裝氧化亞氮時(shí),液體進(jìn)入氣瓶時(shí)很容易泛起瓶體底部的沉渣,沉渣與瓶壁發(fā)生摩擦碰撞可能引起火花,與強(qiáng)氧化劑發(fā)生反應(yīng)易引起氣瓶爆炸。因此,豎直向下的氣瓶?jī)?nèi)導(dǎo)管的端部與瓶壁間的距離不宜太遠(yuǎn),一般在5~10 mm。另外,氧化亞氮的卸載狀態(tài)為氣態(tài),為避免液態(tài)介質(zhì)一同卸出,后倉氣瓶的內(nèi)部應(yīng)設(shè)置豎直向上的內(nèi)導(dǎo)管(見圖9),其端部與瓶壁的距離一般為15~25 mm,其尺寸較大的原因是避免節(jié)流現(xiàn)象的產(chǎn)生。
圖6 氧化亞氮充裝管路系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意
圖7 氧化亞氮卸氣管路系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意
圖8 氣瓶?jī)?nèi)部向下內(nèi)導(dǎo)管典型結(jié)構(gòu)示意
圖9 氣瓶?jī)?nèi)部向上內(nèi)導(dǎo)管典型結(jié)構(gòu)示意
三氟化氮介質(zhì)裝卸狀態(tài)均為氣態(tài),因此三氟化氮的裝卸管路設(shè)置在管束式集裝箱的后倉(如圖10所示),前倉不設(shè)置管路系統(tǒng)。
圖10 三氟化氮裝卸管路系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)示意
對(duì)于高壓液化氣體管束式集裝箱裝卸閥門和進(jìn)出口接頭型式的選取,應(yīng)根據(jù)氣瓶的類型、公稱工作壓力和不同的介質(zhì)進(jìn)行選擇,如選取不當(dāng),會(huì)使得高壓液化氣體發(fā)生泄漏污染介質(zhì),危及周邊環(huán)境和生命財(cái)產(chǎn)安全。
在我國的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中,沒有針對(duì)單一介質(zhì)對(duì)接頭型式和設(shè)計(jì)參數(shù)提出對(duì)應(yīng)的技術(shù)要求。使得設(shè)計(jì)人員出現(xiàn)對(duì)接頭選擇沒有標(biāo)準(zhǔn),以及選擇存在差異化等問題,存在較大的安全隱患。
國外CGA V-1—2005[9]技術(shù)規(guī)范中,對(duì)不同介質(zhì)的高壓液化氣體管束式集裝箱氣瓶裝卸閥門進(jìn)出口接頭型式做出了明確的規(guī)定,如表7所示。
表7 管束式集裝箱裝卸閥門進(jìn)出口接頭選取的技術(shù)要求
從表7可以看出,針對(duì)高壓液化氣體的物化特性選擇不同接頭型式的同時(shí),還要根據(jù)管束式集裝箱氣瓶的公稱工作壓力和氣瓶種類綜合鑒別選取。另外,CGA規(guī)范中不但明確了每種介質(zhì)的接頭型式,而且在后期的TB-9和TB-14中對(duì)接頭的墊片材料及安裝扭矩進(jìn)行了詳細(xì)的表述,形成了完整的技術(shù)要求,從而奠定了標(biāo)準(zhǔn)的示范性地位。
在我國的安全技術(shù)規(guī)范中,未涉及根據(jù)高壓液化氣體介質(zhì)特性設(shè)置安全泄放裝置的技術(shù)要求。
CGA S-1.1[10]技術(shù)規(guī)范中,依據(jù)不同的高壓液化氣體的物化特性提出了不同的安全泄放裝置的設(shè)置要求,更大程度上做出了詳盡而具體的要求,達(dá)到了行業(yè)安全的統(tǒng)一要求。從操作層面而言,可執(zhí)行性更高,具體技術(shù)要求見表8[10]。
表8 高壓液化氣體管束式集裝箱安全泄放裝置技術(shù)要求
通過對(duì)高壓液化氣體管束式集裝箱關(guān)鍵技術(shù)的研究分析可知,我國的技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)往往是基于危化品介質(zhì)的毒性、爆炸危險(xiǎn)性、腐蝕等特性籠統(tǒng)地進(jìn)行綱領(lǐng)性分類,采取一刀切的思維模式對(duì)危化品儲(chǔ)運(yùn)裝備的材料選用和設(shè)計(jì)制造提出技術(shù)要求和規(guī)定,并未對(duì)不同高壓液化氣體介質(zhì)的物理化學(xué)特性提出有針對(duì)性的特殊技術(shù)要求,使得在對(duì)盛裝危特性較復(fù)雜介質(zhì)的儲(chǔ)運(yùn)裝備進(jìn)行材料選用和設(shè)計(jì)制造時(shí),面臨無國家標(biāo)準(zhǔn)可依的窘境。從行業(yè)發(fā)展角度而言,這種綱領(lǐng)性的表述可能會(huì)導(dǎo)致各個(gè)企業(yè)在執(zhí)行面上存在差異,從而導(dǎo)致高壓液化氣體管束式集裝箱在產(chǎn)品的安全及可靠性上出現(xiàn)參差不齊的狀況。
因此,未來我國在關(guān)于高壓液化氣體管束式集裝箱技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系的制修訂中,應(yīng)充分借鑒國外技術(shù)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)的行業(yè)技術(shù)要求,進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化及細(xì)節(jié)化,及時(shí)制定或修訂針對(duì)不同物理化學(xué)特性介質(zhì)的相關(guān)技術(shù)規(guī)范或技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),確保高壓液化氣體管束式集裝箱在材料使用、設(shè)計(jì)、制造、安全防護(hù)、新技術(shù)采用等方面擁有統(tǒng)一而明確的規(guī)范,并達(dá)到或超過國際先進(jìn)水平,以確保我國高壓液化氣體管束式集裝箱等相關(guān)危化品儲(chǔ)運(yùn)裝備產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、質(zhì)量等諸多方面更具國際競(jìng)爭(zhēng)力,從而實(shí)現(xiàn)我國由危化品儲(chǔ)運(yùn)裝備制造大國邁入?;穬?chǔ)運(yùn)裝備制造強(qiáng)國的宏偉目標(biāo)。