焊接绝热气瓶充装系数取值探讨

古海波，刘 岩，宋薛思

(大连锅炉压力容器检验检测研究院有限公司，辽宁 大连 西岗 新河街20号 116013)

0 引 言

焊接绝热气瓶是一种用来盛装液氧、液氮、液氩、液体二氧化碳或LNG等低温液体且可以重复充装的气瓶。焊接绝热气瓶主要由奥氏体不锈钢内胆、外壳、绝热层及管路阀门等组成。内胆用来储存低温液体，在其外壁缠绕有多层绝热材料，内胆和外壳之间的夹层被抽成高真空，共同形成良好的绝热系统；在内胆和外壳的两端设计有支撑结构，保持结构的稳定性；管路系统包括具有充装、用气及增压功能的阀门以及安全阀、爆破片等安全附件；管路外部设置有保护圈，用以保护管路及阀门免受撞击。

近年来，焊接绝热气瓶被越来越广泛的应用于经济社会的各个领域，其使用安全也越发重要。而对使用安全来说，防止过量充装是非常重要的一项要求。

1 有关法规标准对焊接绝热气瓶充装的规定

对于焊接绝热气瓶的充装，TSG R0006—2014《气瓶安全技术监察规程》[1]第6.5.4条规定，应当对充装量逐瓶复检(车用焊接绝热气瓶除外)，严禁过量充装，但未规定低温液体的充装系数。

GB/T 24159—2009《焊接绝热气瓶》[2]标准也未对气瓶的最大充装量予以规定，但却要求在铭牌中刻印“最大充装量”。

对于汽车用液化天然气气瓶，GB/T 34510—2017《汽车用液化天然气气瓶》[3]规定：气瓶内应具有足够的安全空间，充装饱和蒸气压为0.8 MPa(表压，下同)的LNG，且安全阀的排放压力为1.6 MPa时，安全空间至少应为内胆总容积的10%。对于允许充装饱和蒸气压低于0.8 MPa的LNG的气瓶，则应根据LNG的充装压力和安全阀开启压力下的密度差来设计安全空间的容积。

《联邦法典49号-危险物质规则》(CFR 49)[4]第1章第173.316条规定：具有不同设定压力安全阀的DOT-4L气瓶的最大充装量按照给定的表格规定(见表1)。

表1 CFR 49规定的充装密度

2 明确充装系数的必要性

充装系数(单位一般为kg/L)指的是标准规定的气瓶单位水容积允许充装的最大气体重量。我们知道，气瓶如果过量充装，会造成重大安全隐患，最大充装量作为重要的参数，设计时必须予以明确，且应标示在气瓶铭牌中。对于气瓶来说，充装量的计算通常是由充装系数乘以气瓶公称容积得到。《气瓶安全监察规程》对液化气体气瓶规定了充装系数的选取方法及常见液化气体气瓶的充装系数，而对于焊接绝热气瓶，没有明确的取值规定。因此在计算焊接绝热气瓶最大充装量时，设计单位一般从其他相近的标准寻找依据。如，通常参考GB/T 18442.3—2011《固定式真空绝热深冷压力容器 第3部分：设计》[5]对额定充满率的规定进行取值。该标准对额定充满率的规定为：盛装深冷介质的容器，在初始充装状态下，充装非易燃易爆介质的液相空间应不大于内容器几何容积的95%，充装易爆介质的液相容积应不大于内容器几何容积的90%。因此，焊接绝热气瓶的设计单位设计时一般也按上述规定选取有效容积。但是，在计算最大充装量时液体的密度又无据可查，因此在设计时还是会造成疑惑。因此，对于焊接绝热气瓶来说，在法规或标准中明确介质的充装系数极为必要。

3 充装系数的影响因素

低温液体在气瓶内的状态为气液双相共存状态，在平衡状态下，瓶内液体密度为饱和液体的密度，气相压力为饱和蒸气压。饱和液体的温度越高，对应的饱和蒸气压越大，密度则越小。使用过程中，随着传热的累积，瓶内液体温度上升，体积膨胀，气瓶内压升高，当饱和蒸气压达到安全阀开启压力时，安全阀排放。焊接绝热气瓶中低温液体的物态参数变化规律与液化气体气瓶中液化气体的物态参数变化规律非常相似。因此，对焊接绝热气瓶充装量的控制原则也应该是确保液体温度升高体积膨胀的情况下不满液。

根据以上分析，充装系数的影响因素可以归纳为以下几点。

3.1 介质种类

显而易见，介质不同，其密度自然不同，充装系数也就不同。不同介质在不同温度下的密度可以通过查阅气体手册获取。

另外，在设置安全系数时，还应考虑介质的危险特性。对于危险性高的介质，可以适当降低其充装系数。

3.2 规定的气相安全空间的大小

气相安全空间的大小是充装系数确定的前提，而气相安全空间的大小是人为设定的，如可以规定液体极限膨胀后剩余的气相安全空间量为3%或5%。TSG R0006—2014第6.6.1.1条对低压液化气体气瓶充装系数的要求为：充装系数应不大于在气瓶最高使用温度下液体密度的97%，也就是说，低压液化气瓶充装后，瓶内液体温度升高至最高使用温度下膨胀至最大体积后，还应有3%的气相安全空间。焊接绝热气瓶也可以参考这一规定来进行要求，同时兼顾介质的危险特性以及气瓶使用的经济性，设置合理的安全空间。

3.3 安全阀开启压力

通过前述分析，焊接绝热气瓶充装液体后，如果长时间未使用液体，液体温度会升高，体积膨胀，气瓶内压升高，直至安全阀开启。安全阀的整定压力设置越高，瓶内液体的饱和蒸气压上升越高，其体积膨胀越多，液体膨胀所需的安全空间也越大，则应规定越小的充装系数。反之对于较低的安全阀整定压力，则可以规定相对大的充装系数。

因此，在确定充装系数时，应综合考虑以上几方面的因素。

4 结 论

1.应尽快在法规或标准中对低温液体的充装系数进行明确。

2.确定焊接绝热气瓶的安全系数时，建议在确保安全的原则下，兼顾气瓶的使用经济性，按介质种类和不同的安全阀整定压力分别规定。