车用LNG气瓶副安全阀泄放口设置的思考

刘相庭 贺小刚 吕 洪

（北京市特种设备检测中心，北京 100029）

0 概述

液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）作为一种替代原油车用燃料，因其具有缓解环境污染压力、减少有害气体排放和降低生产成本等优点，越来越受到人们的青睐。我国在2000 年左右，大力发展车用LNG 气瓶技术，现已完成1 000 L 气瓶商品化，正在研发1 350 L 气瓶[1]。受惠于LNG 气瓶存储气量大的优点，车用LNG 气瓶在公交车和重卡车上得到了广泛的应用。但是天然气是易燃易爆和窒息性气体，且LNG 在标准状态下存储温度在-162℃以下，LNG 在异常状态下导致的超压危害和其次生危害成为车用LNG 气瓶主要危害[2]。因此，LNG 气瓶一般在内胆设计有两级安全阀，对气瓶进行超压保护。某2 个厂家的2 类车用LNG 气瓶工作压力均为1.59 MPa，在超压状态下，主安全阀在1.90 MPa 开启泄压；当主安全阀失效时，副安全阀在2.41 MPa 开启泄压，安全阀的布置如图1 所示。

图1 车用LNG 气瓶两级安全阀

由图1 可知，主安全阀由专用管路将超压天然气导出至瓶阀以外的安全区域，副安全阀用防尘橡胶塞封堵。车用LNG 气瓶因低温绝热气瓶设计原理和使用工况，在正常使用状态下，主安全阀周期性开启闭合，因此主安全阀存在异物堵塞或冰霜冻结而失效的可能性，这种情况下副安全阀在2.41 MPa 压力开启泄放。该文就目前市面流通的某两厂家的两类车用LNG 气瓶副安全阀橡胶塞封堵设计提出质疑，并加以分析，认为该设计可能存在安全隐患，引发次生事故。

1 标准分析

车用LNG 气瓶是一种焊接绝热气瓶，属于《特种设备目录》中的特种气瓶。车用LNG 气瓶的设计、制造、安装和使用过程需要符合相关标准要求，这些过程中主要涉及9 项标准，见表1。

表1 车用LNG 气瓶安装监督检验涉及标准

在相关标准中，明确提出安全泄放装置出口设置要求的标准有3 本，其名称和内容有3 点。1）《气瓶安全技术监察规程》，5.2.2.2（5）安全泄压装置上气体泄放出口的设置不得对气瓶本体的安全性能造成影响。2）《汽车用液化天然气气瓶》，6.5.6 气瓶安装在汽车上时应将泄压管路的出口接引至安全位置排放。3）《液化天然气汽车专用装置安装要求》，4.2.3.7 放空管路的放空口应位于车辆顶部或尾部，应设有防止雨水、灰尘进入和聚积的结构。

由上文标准可知：由安全阀泄放的超压天然气，应被导离车用LNG 气瓶，特别是瓶阀范围，否则超压天然气引起的冰冻或者明火会导致瓶阀上其余附件失效，引发更大的安全事故。标准中提出的泄放口或泄放管路并没有明确是单一主安全阀或是全部安全阀，结合主副安全阀的开启原理和实际使用工况，主安全阀在整车使用过程中存在失效的风险，因此车用LNG 气瓶的主副安全阀泄放口的设置均应该响应标准的要求，所以某两厂家的两类车用LNG 气瓶的副安全阀泄放口设置不规范。

2 超压瞬时能量计算

目前市场流通的某两厂家的两类车用LNG 气瓶副安全阀采用橡胶塞封堵（图1 所示的副安全阀部位），在副安全阀开启泄放超压天然气时，2.41 MPa 压力会持续作用于橡胶塞直至其脱离副安全阀的铜管。这个过程会导致橡胶塞加速，最终导致其弹射。橡胶塞被加速的运动过程符合牛顿第一、二运动定律，据此可以计算橡胶塞弹射脱离副安全阀瞬间所具有的能量。

假设橡胶塞与安全阀之间的摩擦力忽略不计，橡胶塞被加速过程空气阻力不计（因为安全阀直管段表面光滑，超压泄放状态下2.41 MPa 压力连续作用且压力会略有升高），橡胶塞质量为m，内径为r，内表面面积s，包裹安全阀直段长度为l，超压泄放时作用在橡胶塞内表面的压强为P，压力为F，脱离瞬间速度为v，橡胶塞弹射能量为E，符合如下公式计算：

市面上某两厂家的两类车用LNG 气瓶，在副安全阀设置的橡胶塞m 一般为4 g～6 g，r 约为22 mm，l 为18 mm～30 mm。

副安全阀超压泄放时，橡胶塞的瞬时能量计算取最严苛工况的耦合条件，即m 为6 g，l 为30 mm，带入公式计算后E=109.9J。

根据计算结果，在副安全阀泄压时，橡胶塞的弹射具有较大能量。虽然目前尚无文献介绍冲击能量对人体器官伤害阈值，但参考国家标准 GB6675—2003《国家玩具安全技术规范》中关于弹射玩具能量动能不能大于0.08 J，如大于则单位面积动能不能大于 0.16 J / cm2的规定，橡胶塞弹射时，动能109.9 J，单位面积动能为7.23 J/cm2，超过标准阈值。解读该条标准要求，弹射玩具主要预防对儿童眼球的伤害。眼球是人体里较脆弱器官，成人眼球比儿童眼球强韧有限，装配好的车用LNG 气瓶，副安全阀距地面高度约1.71 m～1.77 m，恰好处于成人直立眼球高度范围内。车用LNG 气瓶虽然有面罩遮挡，但在实际运行过程中面罩时常丢失，并且在检验过程中面罩始终处于拆卸状态，因此副安全阀泄放引起的橡胶塞弹射存在人眼受伤风险。

3 优化思路

针对副安全阀的安全隐患，泄放口的设置应符合标准规范的要求，并且兼顾避免橡胶塞弹射和异物堵塞2 个方面的需求，该文提供了以下3 种优化方案。1）将橡胶塞平端封面开孔，内衬高目数滤网，同时在副安全阀泄放口直对气瓶保护罩对应处开直径大于橡胶塞直径的圆孔或椭圆孔。橡胶塞的滤网设计会保证其防尘性，在副安全阀超压泄放时，开孔的橡胶塞不会弹射，同时开孔的气瓶保护罩会将大部分泄放的天然气导离气瓶，降低气瓶其余安全附件失效风险。此方案增加了气瓶制造成本，并且只在一定程度上降低了安全风险，并未彻底解决问题。2）取消橡胶塞设计，每一个安全阀设置一条导气管路，参照主安全阀泄放管路结构，将超压天然气直接导离气瓶。此方案泄放口设置安全可靠，但增加气瓶制造成本，同时对气瓶外观一致性产生不利影响。3）取消橡胶塞设计，利用三通或四通，将副安全阀泄放管路并入主安全阀泄放管路。此方案相比于第二、三种方案，泄放口设置安全可靠，制造成本增加较少，气瓶外观改变不大，一致性较好，如图2 所示。

图2 副安全阀泄放口设置优化思路

4 结论

该文从标准分析和超压瞬时能量计算2 个角度，对市面某两厂家的两类车用LNG 气瓶副安全泄放口的设置合规性和安全性提出质疑并加以分析。依据车用LNG 气瓶相关规范标准，关于安全阀泄放口设置不得对气瓶本体安全性造成危害的要求，推论得出无法导离气瓶瓶阀的超压天然气存在导致气瓶其余附件失效的安全隐患；同时依据牛顿第一、二运动定律计算出副安全阀在工作时，现有方案橡胶塞将有109.9 J 的弹射能量，可能存在人眼受伤风险，进而总结出了某2 个厂家的2 类车用LNG 气瓶副安全泄放口设置不合理的结论。最后提出3 种优化思路，建议取消橡胶塞设计，采用管路模式，利用三通或四通将副安全阀泄放管路并入主安全阀泄放管路，从而增加了车用LNG 气瓶的副安全阀泄放口设置的合规性和安全性。