爆破片—易熔合金泄压装置在C NG长管拖车火灾环境下的响应行为研究

金明哲 荆 博 谢 飞 骆 辉 赵保頔 马晨昕

（中国特种设备检测研究院 北京 100029)

随着天然气工业的快速发展，国内用于运输CNG气体的长管拖车占长管拖车总量已经超过90%，长管拖车已经成为CNG气体公路运输的主要方式。长管拖车又多运行于交通要道、居民区等人口密集地区，而CNG气体属于易燃易爆气体，一旦发生泄漏或火灾，将对人民生命财产造成严重的危害。我国标准规范[1]规定，每只长管拖车气瓶都要安装安全泄压装置。

爆破片—易熔合金塞组合装置是国内常采用的泄压装置中的一种，也是美国压缩气体协会标准CGA S-1．1推荐的泄压装置[2]。组合装置中易熔合金串联在爆破片外侧，一方面能保护爆破片结构，降低爆破片非正常起跳的概率，另一方面使泄压装置在超温超压工况下才能动作。虽然在火灾环境下能形成超温超压工况，但在此工况下爆破片和易熔合金的动作响应情况尚缺少公开报道和相关研究工作。

研究指出[3]，CNG长管拖车在发生火灾事故的受火情况具有一定的规律性，并非所有的泄压装置都能起到安全泄放的作用，泄压装置能否及时动作响应与受火环境的影响较大。本文通过分析组合泄压装置的结构特点和CNG长管拖车的火灾事故中气瓶和泄压装置的受火情况，制定了不同受火工况下的组合结构泄压装置动作响应试验，对该装置在不同受火环境下的泄放响应行为进行研究。

1 CNG长管拖车组合泄压装置结构特点

CNG长管拖车上常见的组合泄压装置结构形式主要有四种，如图1中a~d型所示，其中a型、b型仅用于长管拖车前端，c型、d型既可用于长管拖车前端又可用于长管拖车后端。

组合泄压装置的爆破片结构与瓶内CNG气体直接接触，用扭矩扳手将爆破片与两瓣夹持器紧密贴合，形成承压和密封结构，爆破片公称爆破压力应为气瓶水压试验压力[4]；其动作特点为仅对压力敏感，当瓶内压力达到爆破压力时，爆破片起爆。爆破片外侧装设厚度为6~12mm，对温度响应敏感的易熔合金材料其动作温度设定为102．5℃±5℃，当易熔合金持续受热时温度达到该温度后熔化。

因此只有温度压力同时分别满足其响应条件时，泄压装置才能实现超压泄放的功能。根据国内长管拖车使用经验和历年定期检验的结果来看，由于该设计泄放条件较为苛刻，长管拖车在非火灾工况下的安全运行过程中一般不会发生动作。

图1 CNG长管拖车典型组合泄压装置结构

2 CNG长管拖车火灾事故中组合泄压装置响应特征

中国特种设备检测研究院对2009~2016年间所收集到的长管拖车火灾事故案例进行了统计和分析，根据事故发生地可火灾事故分为加气站起火和道路起火，如图2、图3所示。

图2道路起火事故现场

图3加气站起火事故后的长管拖车形貌

分析认为[4]，当起火位置位于后仓且起火范围有限时，火灾形成的高温环境能使得后端易熔合金持续受热而融化，并导致爆破片强度和实际爆破压力降低时，可能在没有达到设计爆破压力的情况下起爆，而长管拖车前端组合泄压装置则未受到高温影响，在火灾过程中易熔合金达不到动作温度，安全装置不会发生动作；在其他受火环境下泄压装置可能不起超压泄放的作用。由于事故发生突然，且危险性较大，无法获取泄放瞬间泄压装置的温度压力参数，也无从评估受火条件对组合泄压动作的影响，以及易熔合金和爆破片泄压装置动作响应条件的内在关联性。

3 组合泄压装置动作响应试验

3.1 试验设计

试验设计时，人为定义试验气瓶装阀门和充气管路一端为后端，另一端为前端，与长管拖车结构命名方式相同。借鉴气瓶火烧试验方法[5、6]模拟两种火灾场景下组合泄压装置动作响应试验：

场景Ⅰ：模拟长管拖车后仓泄压装置被火焰包覆、前仓泄压装置远离火源的情况，验证此工况下泄压装置的动作响应，试验用1只大容积钢制无缝气瓶，受场地条件限制，试验气瓶长度小于真实长管拖车气瓶，但气瓶外径、壁厚与真实长管拖车气瓶相同，气瓶参数见表1。

场景Ⅱ：模拟长管拖车底部受火，泄压装置被气瓶两端支撑立板隔离，未直接接触火焰的情况。在此场景下，通过在易熔合金内部嵌入热电偶的方式检测易熔合金内部温度变化情况行为。试验气瓶技术参数见表1。根据文献[1]的调研结果，考虑到此工况下气瓶前后两端泄压装置有可能都不动作，气瓶有可能因受火导致超压爆炸，为保证安全，决定采用空瓶进行火烧试验。试验用气瓶两端组合泄压装置规格参数见表2。#气瓶与2#气瓶前端均采用图1中b型泄压装置，后端均采用图1中d型泄压装置。为了使模拟效果更佳真实，试验所用的安全装置与真实长管拖车前后端泄压装置结构形式完全一致，并且在场景Ⅱ所采用挡板与真实长管拖车两侧多孔支撑立板的材料和厚度完全一致。

表1 试验气瓶技术参数

表2 试验用组合泄压装置技术参数

3.2 试验前的准备

试验前1#气瓶充装20MPa的空气。试验采用丙烷作为燃料，火源总长1．65m，气瓶底部与火源最小距离为0．1m，为模拟后仓泄压装置被火焰包覆的受火环境，将气瓶与试验台布置如图4所示。将1只热电偶插入气瓶内部监测气体温度。在气瓶外接管路上连接压力传感器，通过远程数据采集系统对温度和压力数据进行实时采集和记录。

图4 试验用1#气瓶现场布置

2#气瓶与1#气瓶采用相同试验台和数据采集装置，在试验过程中，通过调节燃料出口阀门开度保证实际试验过程中火焰高度保持一致。气瓶与火源对称放置，如图5所示，气瓶两端采用与长管拖车支撑立板相同的钢制隔板进行防护，使火焰与气瓶完全隔离，为测定易熔合金受热融化的温度数据，将热电偶测温端嵌入前后端泄压装置的易熔合金塞中，见图6和图7。

图5 试验用2#气瓶现场布置

图6 气瓶前端安全泄放装置和热电偶

图7 气瓶后端安全泄放装置和热电偶

3.3 试验过程

试验采用远程点火和控制系统，并通过自动采集装置实时记录2只试验气瓶的数据，同时开启监控系统，对试验现场火烧过程进行实时监控。

1#气瓶在点火后，气瓶后端迅速被火焰覆盖，后端泄压装置处于被高温火焰直接包围的环境下，如图8所示。点火后384s气瓶后端泄压装置动作，爆破片起爆瞬间瓶内压力26MPa，气瓶在整个试验过程中前端远离火源的泄压装置始终未发生动作，试验结束后经宏观检查确认气瓶本体完好。

图8 试验现场1#气瓶监控视频截图

2#气瓶由于两端采用了挡板对泄压装置进行隔离，在点火后，气瓶后端安全装置不直接接触火焰。如图9所示。点火36min后，气瓶前端易熔合金动作并呈液态流出，而后端易熔合金未动作，如图10、图11所示。

图9 试验现场2#气瓶监控视频截图

图10 气瓶前端易熔合金塞融化

图11 气瓶后端易熔合金塞未融化

3.4 试验结果及分析

在试验场景Ⅰ中，瓶内气体温度和后端安全泄压装置外表面温度随时间的变化关系如图12所示；场景Ⅱ中气瓶前后端安全泄压装置易熔合金温度随时间的变化关系如图13所示。数据测量方法见3．2节。

图12中可以看到，在试验点火后300s内，泄压装置外部温度始终维持在400~800℃的区间，远高于易熔合金设定的动作温度102．5℃和瓶内气体温度（实测最高80．9℃），而爆破片实测爆破片压力（26MPa）也低于设计爆破压力。分析认为，对易熔合金塞而言，由于塞体火焰直接接触，火焰产生的辐射热量和传导热量能迅速作用于塞体内的易熔合金，致使易熔合金在几分钟内迅速做出动作响应；对爆破片而言，由于其本体采用的是不锈钢材料，具有良好的导热性能，在组装时与爆破片夹持器很好的接触，在周围火焰覆盖形成的超过500℃的高温环境下，泄压装置外表面温度已经远远高于表2给出的设计爆破温度（20℃），温度。2#气瓶受火过程持续了36min，气瓶前端易熔合金动作，后端气瓶两端泄压装置易熔合金部分的受热温度变化情况如图13所示。由于在两侧挡板的隔离作用下，气瓶两端泄压装置始终未直接接触火焰，致使气瓶前后端易熔合金升温熔化过程缓慢。与1#气瓶后端易熔合金装置在试验开始384s后迅速动作相比，2#气瓶后端易熔合金在试验开始36min后无任何可直接观测的熔化迹象。显然2#气瓶泄压装置受气瓶本体的热传递作用弱于1#气瓶泄压装置受火焰直接传热的作用。此外，2#气瓶后端易熔合金在试验过程中始终未动作，对比2#气瓶前后端易熔合金不同的动作响应行为可以发现，此工况下后端易熔合金动作响应的滞后时间更长。

图12 试验场景Ⅰ测定温度曲线

图13 试验场景Ⅱ测定温度曲线

由于试验所采集的温度和压力数据来源于热电偶，属于间接测量，且测点有限，只能对不同泄压装置响应行为的研究形成初步认识，而对温度分布不均匀，传热过程热输入量和热效率的变化情况仍需要进一步建立燃烧和传热的数值模型进行研究。

4 结论

本文针对CNG长管拖车常用组合泄压装置的结构特点及其在CNG长管拖车火灾事故中的动作响应特性，设计了不同类型的火烧试验对组合泄压装置的泄放响应行为进行研究，得到如下结论：

1）根据在用长管拖车上4种典型的爆破片-易熔合金组合装置的结构特点，结合历年来长管拖车火灾事故案例指出，受火灾高温环境的影响，长管拖车前后端泄压装置动作响应行为呈现出一定的差异性。

2）针对不同的外部受火环境设计了火烧试验，在被火焰包覆的高温环境下，爆破片性能下降，易熔合金熔化时间较短，泄压装置能实现超压泄放的功能；在火焰被钢板隔绝的情况下热传导受阻，易熔合金熔化时间远长于爆破片动作所需时间，将会导致气瓶长期处于超温超压的环境下，增加了气瓶爆炸的风险。

3）在场景Ⅱ火焰被钢板隔绝的环境下，气瓶两端易熔合金受热后的动作响应主要气瓶本体的热传导作用。对于同一气瓶，因泄压装置易熔合金在气瓶上的安装位置不同（前端装于气瓶端塞内部，见图10，后端装在端塞外接管路上，见图11），导致气瓶本体对两端易熔合金的热传递作用效果也不同，虽然装于端塞内部的易熔合金热传导效果较好，但与直接接触火焰的泄压装置相比，其动作响应滞后时间仍然较长，导致在此场景下若气瓶内存有高压气体，会增大气瓶的爆炸风险。效果也不相同。