李赵 付红栓 金立玺
上海市特种设备监督检验技术研究院 上海市 200062
摘要：长管拖车爆破片冬季异常起爆或开裂时有发生，给使用单位生产安全带来不稳定因素，甚至对人民群众的生命财产安全造成威胁，本文结合典型车辆爆破片异常起爆、异常开裂泄漏的原因进行分析，并采用ANSYS有限元模拟分析软件对此爆破片装置连接结构进行热固耦合模拟分析，研究结果表明，管件积水结冰是造成爆破片异常起爆或开裂的重要原因，为长管拖车爆破片装置制造、检验和管理提供数据支撑。
关键词：长管拖车；爆破片；易熔合金；热固耦合分析；冰
0引言
作为移动式压力容器之一的长管拖车快速发展，在全国范围内已具规模，长管拖车具有运送介质易燃易爆、工作压力高、运行环境复杂多变的现状，爆破片与易熔塞组合超压安全泄放装置作为重要安全附件，在长管拖车中得到了广泛应用。但是在我国北方冬季，爆破片与易熔塞组合超压安全泄放装置发生异常起爆或异常开裂泄漏的事件屡见不鲜，此类事件发生在充装母站、加气站、高速公路收费站以及其他人员、建筑密集区域造成天然气泄漏甚至引发燃爆事故，对人民群众的人身财产安全造成了巨大威胁。
1原因分析
以内蒙鄂尔多斯运输井口的车辆为例，该批车辆共计16台车，其中爆破片异常起爆或开裂5台，表现在：（1）爆破片夹持装置（旋塞）外侧连接放空管弯头（图1）管件积水，冬季内蒙地区天气寒冷导致结冰，而管件积水在长管拖车充泄压过程中瓶体的温度变化环境下难以避免，水体积膨胀通过易熔塞对爆破片造成挤压，研究表明，水结冰的膨胀力等于冰的机械强度（与温度有关），CNG在充装过程中瓶体内温度升高造成冰融化，而停止充装后，因气温降低水又会结冰体积膨胀造成爆破片重复受力，爆破片在这种条件下疲劳影响异常开裂从而起爆的重要原因。（2）异常扰动：①长期未排污，大量重质成分残留在气瓶内部，运输过程中刹车造成液体倒灌入冲击爆破片，②气质过滤不足含有泥沙，残液过多倒灌后泥沙与爆破片摩擦，有研究表明：70%的爆破片异常起爆为异常扰动起爆。（3）内蒙地区温差较大，二次充装后白天运输瓶内压力有一定幅度升高。经过对该批检验车辆中爆破片异常起爆或开裂的2台车辆进行拆检，现场拆卸发现抽检车辆爆破片异常开裂对应气瓶的放空管弯头均存在积水结冰。
我国部分地区天然气品质较差，除H：S含量、水分含量超标易导致爆破片垫圈腐蚀以外，通常泥沙含量也超标。在充、放气过程中，泥沙颗粒随气体高速流动，对爆破片造成磨损，使爆破片厚度变薄，从而导致爆破片实际爆破压力降低，造成异常起爆。此外，目前我国的爆破片、夹持器和易熔合金塞等结构繁杂，在日常维护及爆破片更换时，可能出现夹持器和爆破片结构、尺寸不匹配的现象。在爆破片受压形成拱形的过程中，爆破片可能与夹持器边缘、易熔合金塞产生接触，产生附加应力，造成异常起爆。
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2改进措施
在受限空间内部，水受到外界温度的作用迅速凝固成冰，随之体积膨胀对易熔合金产生力的作用，水结冰对外界最大压力达到5.5kg/cm2，这个压力会作用在易熔合金上，易熔合金通常材质柔软，而易熔合金与爆破片贴合在一起，上述压力间接作用在爆破片上，特别是长管拖车在泄压时瓶体内压力减小至0.3MPa，上述压力大于瓶体内部压力爆破片就会发生变形内凹，而当气瓶再次充气至20MPa的过程中，爆破片变形恢复，这样经过数次充装泄压循环造成爆破片疲劳。针对以上情况车辆可以对放空管弯头结构采取一些改进措施：（1）黄焱、史庆增、宋安在对冰温度膨胀力作用机理作简要分析的基础上，将有限元方法引入冰温度膨胀力的计算中，得到结论：温升率对直立墙上冰膨胀力沿冰厚分布的影响远大于对斜坡的影响。本文建议将旋塞易熔合金结构制作成45°圆锥形结构。（2）将放空管弯头的内部通道的直角结构换成圆滑过渡通道半径不小于15mm，既有利于缓解水结冰产生的反作用力，同时爆破片紧急状态下起爆也有利于天然气快速放散。
为了减少加气站爆破片异常起爆事故，通过HAZOP方法对加气子站长管拖车爆破片与易熔塞组合安全泄放装置的异常起爆事故进行了分析，锁定了造成爆破片异常起爆的主要原因，如长管拖车回油过程中爆破片处管路堵塞、爆破片疲劳损伤、出厂质量问题等。通过长管拖车回油管路爆破片处堵塞模拟实验，爆破片处管路堵塞不会造成明显水锤，排除了长管拖车回油过程爆破片处管路堵塞造成爆破片异常起爆的原因。通过爆破片与易熔塞组合装置的疲劳性能测试实验，发现正拱形爆破片与较长的易熔塞组合装置具有较稳定的爆破压力和抗疲劳特性。通过提出了爆破片与易熔塞组合装置单层泄漏报警设计，在工作人员操控室和现场都添加报警，以及在加气子站控制系统中设计泄漏报警连锁停车功能。通过对长管拖车爆破片异常起爆事故进行HAZOP分析和LOPA保护层分析，能够及时锁定事故发生原因，并找到科学的应对措施。
3有限元模拟
3.1几何模型建立
利用三维建模建立2个计算模型进行对比模拟分析：（1）依据该事故长管拖车的爆破片装置建立模型，结构尺寸（如图2），放空管弯头与易熔合金组成的内腔直径32mm，放空管弯头灌满水时的水深80mm。（2）改变易熔合金端面结构建立与端面成45°的锥形面，改变弯头结构建立圆滑过渡，过渡半径16mm（如图3）。（3）易熔合金属铋、铅、锡和镉等元素按重量比制成的低熔点合金，难以确定其力学性质，本文采用铝合金代替，现实中易熔合金的强度比铝合金强度低。（4）放空管弯头材质为铜。
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3.2施加载荷
水结冰是复杂的过程，数据表明结冰相变发生膨胀，体积变化明显且短暂强烈，本文仅模拟冰在-25～0℃的应力情况，未涉及水结冰相变的过程。稳态热分析：初始温度设置为0℃，模型与环境接触所有外表面设置为-25℃；结构静应力分析：长管拖车在空车状态时最低压力通常为0.3～0.5MPa，因此在易熔合金外部端面施加0.3Mpa的压力，将弯头与易熔合金连接端固定进行计算，如图4。
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3.3模拟结果
提取易熔合金与冰的结合面的沿Z轴（垂直于易熔合金外部端面方向）的应力，模型1在该结合面的最大应力为0.4515MPa，大于外部端面施加的压力0.3MPa（如图5），模型2为0.1865MPa。结果表明，模型1在此次模拟条件下可以导致易熔合金Z轴方向向外移动，爆破片受到挤压发生变形进而造成疲劳异常起爆或开裂；模型2为在此次模拟条件下未导致易熔合金移动，现实条件下，若考虑水相变体积膨胀的作用仍可能导致类似情况发生。
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4结束语
（1）爆破片夹持装置（旋塞）外侧连接放空管弯头管件积水。冬季内蒙地区天气寒冷导致结冰，水体积膨胀通过易熔塞对爆破片造成挤压是导致爆破片异常起爆或开裂的重要原因。（2）采用ANSYS有限元模拟软件对上述情况进行了模拟计算，结果表明，冰可以造成爆破片异常起爆和开裂。在未对水结冰发生相变充分考虑的情况下，计算结果依然表明可以导致爆破片异常起爆或开裂，从而间接证实了水结冰膨胀对爆破片的力的作用。
参考文献
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