液化石油气槽罐车模拟训练设施的设计与研发

祝敬妥

(应急管理部消防救援局南京训练总队,江苏 南京 211133)

液化石油气(LPG)是以天然气或石油为基础原料,经过一系列工艺措施,最终加压、降温液化所得到的一种无色挥发性液体。它是一种常见的易燃易爆物质,燃烧发热量高,用途广泛,既可以作为生产、生活中的燃料,也可以作为氨、甲醇等合成的化工原料,逐渐成为日常生产生活中不可或缺的物质之一。由于地理位置上分布的不平衡,液化石油气在异地运输上通常采用管道运输、铁路运输、公路运输和水路运输等形式。管道运输由起点储气罐、起点泵站、中间泵站、管道、终点储气罐等组成,安全性较高,但是管道等设备的安装设置的固定局限性使液化石油气只能点对点运输;铁路运输和水路运输仅适用于靠近铁路交通和江河湖海等水运发达的区域;而公路运输即液化石油气槽罐车运输,相对来讲不受地域限制,更加显得灵活便利,这也成为液化石油气运输的主要方式。随着社会经济和科技的不断发展,液化石油气槽罐车的运输量呈逐年上升趋势。因罐车存在缺陷、违规超装、违章作业、交通事故等引发的液化石油气槽罐车事故频发[1],事故中多伴随着液化石油气泄漏、爆炸、燃烧等,容易造成现场人员伤亡、建筑损毁等。如2020年6月浙江温岭附近高速公路,一辆液化石油气槽罐车发生爆炸后车尾和槽罐冲向附近厂房引发二次爆炸,造成20人死亡,24人重伤[2]。液化石油气的易燃易爆性和槽车车辆事故处置交织在一起,在一定程度上极大地增加了救援的难度,逐渐成为目前消防救援队伍面临的重要任务和研究课题。本文从液化石油气槽罐车常见灾情出发,依据消防救援常见灾情及处置措施,探索设计一款液化石油气槽罐车泄漏模拟训练设施,在充分展示槽罐车结构的基础上,通过机械装置辅以光、水、气等充分模拟各种灾情下的液化石油气槽罐车状态,为基层消防救援队伍进行此类事故相关技战术训练提供安全设施保障。

1 LPG槽罐车罐体结构

LPG常温常压下为无色无味气体,在公路运输中一般通过加压液化来进行运输,故此LPG罐车属常温压力罐车,罐体设计压力为1.8～2.2 MPa,设计温度为50 ℃[3]。

按照功能分,液化石油气槽罐车主要包括底盘、罐体、装卸系统和安全附件四个部分。其中装卸系统主要包括液相和气相的进出料阀门及附属管路;安全附件主要包括紧急切断阀、消除静电装置、安全泄放装置、液位计、压力表、温度计等。槽罐车操作箱位于罐体中部,左右两侧各一个,操作箱内主要装有压力表、温度计、气相进出料阀门、液相进出料阀门、紧急切断阀等。紧急切断阀用于控制罐体与气相管和液相管的连通,应急处置中可实现关阀断料的功能,常见的紧急切断阀有液压式和机械牵引式两种,其操作手柄均安装在阀门箱和车体尾部,实现快速、便捷的关阀断料。液压式紧急切断阀,通过液压手动泵加压给液压油路传递压力,开启气液相紧急切断阀,常见于半拖挂式槽罐运输车上;机械牵引式紧急切断阀,通过钢丝绳物理牵引紧急切断阀的启闭,常见于固定式槽罐运输车上。液位计用于观察、控制罐车充装量,应急处置时用于核查罐体内装液体量,为起吊、转运等处置提供依据,一般设于罐车尾部,常用的有螺旋式、浮筒式和滑竿式。安全泄放装置主要包括安全阀在内的安全泄放装置,当罐内压力增大时,安全阀起跳泄压,在一定程度上保证罐体整体安全。安全阀主要由凸起式和下凹式两种,以下凹式弹簧安全阀最为常见。

2 LPG槽罐车常见事故类型

据资料统计[4],60%以上LPG槽罐车事故是因交通事故引发。因雨雪等恶劣天气影响、追尾、超速、弯道等导致事故现场LPG槽罐车一般处于倾翻和正常追尾撞击的直立状态。

从事故表现形式讲,事故类型可分为未泄漏、泄漏、燃烧三种。未泄漏事故指槽罐车受损未泄漏或倾翻受损未泄漏的事故类型,事故中罐体发生受损现象,其耐压性能降低,任何偶然因素都可能造成罐体、管线、阀门等发生灾难性瞬间泄漏。如湖南常吉高速某隧道口处液化气槽罐发生侧翻事故,现场无泄漏,但是3 h后,槽罐车在没有任何预兆的情况下尾部突然发生撕裂,白色液化气体呈喷射状泄漏并快速扩散,5～6 s后发生爆炸,造成3名现场消防救援人员牺牲[5]。泄漏事故,指罐车因撞击、碰擦、翻滚、坠落等道路交通事故,导致罐体或管线阀门等受损而发生的气相或液相泄漏事故类型。泄漏出来的液化石油气能够与空气形成爆炸性蒸汽云。如浙江温岭槽罐车事故,液化石油气泄漏气化造成的蒸汽云发生两次蒸汽云爆炸,造成20人死亡,175人受伤的严重后果。燃烧事故指罐体受损、倾翻导致罐体或管路组件受损,发生液化石油气泄漏并燃烧的事故类型。液化石油气为易燃易爆气体,一般大量泄漏后更容易出现燃烧爆炸现象。

从槽罐车受损部位看,事故类型有罐体受损、管路受损和阀门受损等。罐体常见受损部位为罐体封头焊接处,如浙江温岭事故槽罐车;槽罐车事故中发生的倾翻、翻滚、撞击碰擦等容易造成操作箱及罐体底部管路受损,通常液相管路泄漏比气相管路泄漏的危险性更大,如2009年行驶至临安市的液化石油气槽罐车因弯道超速发生车辆侧翻,导致右侧操作箱因冲击严重受损,发生气液相管路阀门断裂[6];罐体阀门法兰由于使用频次较多,容易损坏;或因法兰密封垫片老化、开裂、受外力撞击等,造成物料泄漏[7]。

3 LPG槽罐车模拟训练设施结构设计

知己知彼才能百战不殆,液化石油气槽罐车模拟训练设施首先要解决的是槽罐车结构认知、辨识问题。液化石油气槽罐车模拟训练设施以1∶1的实物罐车为原型进行半剖设计,整体结构主要包括罐体、安全附件、管路、增压系统、支撑与动作系统等(如图1所示),最大程度地全真展示气液相管路、进出料阀门、紧急切断装置、安全阀等结构。

LPG槽罐车模拟训练设施罐体是训练设施的主要部分,由圆柱形筒体、封头、各种接口凸缘、防波板及导轨等零部件组成,最大程度地展现实物结构。罐体底部设紧急切断阀及配套的气相、液相两套管路,分别与罐体左右两侧操作箱相连通,便于参训人员理解紧急切断阀的功能作用及操作要求;操作箱内依照实物设计安装进出料阀门、紧急切断阀、压力表、温度计等,能够实际查看压力、温度、操作紧急切断阀动作。模拟训练设施为了更多地进行实物展示及模拟训练,左右两侧的操作箱采取与常规实物不同的设计,分别设计安装机械式和油压式紧急切断阀,同时对车尾部的紧急切断阀作出相应的调整;安全附件中的安全泄放装置(安全阀)选用容易发生事故的凸起式安全阀,安装在罐体顶部;液位计选用需手动操作较为复杂的滑竿式液位计,安装在罐体尾部。罐体内各零部件用反光线条或灯带勾勒出完整形状,提升学习效果。

根据液化石油气槽罐车常见灾情及常见受损位置,模拟训练设施在充分展示内部结构的同时,额外增设小型水箱(如图2所示)模拟罐体储存介质的状态,小型水箱内设置一套与操作箱相连接的气液相管路,实现模拟各种状态下气液相管口与液面的位置状态和气液相进出料情况,为后期的倒罐、放空等相关处置措施的训练提供依据。模拟训练设施设置底座作为整体结构的支撑系统,配置升降、旋转系统,通过前后左右4个举升/旋转轴可真实模拟事故中罐车的各种异常状况,如罐体侧翻、仰翻、前倾、后倾等各种三维空间姿态。添加增压系统,由气泵、气罐、控制箱组成,可为模拟训练设施罐体提供稳定压力的压缩空气气源,用于模拟安全阀起跳。在罐体、封头焊接处、气相管路、液相管路等常见受损部位开凿孔洞,确保孔洞与增设的供水、供气管路相连接,通过控制系统实现特定泄漏口的泄漏模拟,实现液化石油气的气相、液相泄漏的灾情。设计动作控制系统,将模拟训练设施所涉及的气、液、电集中于一个手持式遥控器中,通过相应按键操作实现指定动作。

图2 液化石油气槽罐车模拟训练设施水箱结构图

4 LPG槽罐车模拟训练设施实现功能

4.1 模拟LPG槽罐车各种翻车状态

模拟训练设施接通电源后,通过动作控制系统遥控器控制LPG罐体左侧/右侧举升,模拟罐体的前倾/后倾状态;旋转罐体至操作箱为水平位置时,即呈现90°翻车状态,旋转至安全阀为垂直向下位置时,即呈现180°翻车状态,实现模拟事故中罐车的90°和180°翻车状态;甚至能够充分模拟两者同时存在的翻车和倾倒状态。

通过实地观察水箱内气液相管口与液面的相对位置可以实现通过气液相管口进行倒罐、泄压等处置措施;同时便于参训者更好地理解翻车状态下罐车随车配备的液位测量装置是否能有效提供数据。

4.2 模拟LPG槽罐车安全阀起跳及泄漏状态

将供气、供水管路连接到模拟训练设施罐体的相应接口上,启动气泵上的开关,通过点击动作控制系统遥控器安全阀起跳按钮,压缩空气经管路至安全阀并将其打开排气,数秒后自动停止排气。充分模拟事故中罐车由于压力过大发生的泄压状态,以及凸起式安全阀因限高导致的泄漏事故,为罐体冷却等处置操作提供真实的模拟场景。

4.3 模拟LPG槽罐车泄漏状态

模拟训练设施根据常见泄漏位置设置了罐体封头焊缝泄漏点、封头泄漏点、液相管法兰泄漏点和液相管路漏点。通过点击动作控制系统遥控器相应泄漏点按钮,实现特定位置的泄漏模拟。该项功能尤其是液相管路或法兰泄漏能够通过关闭紧急切断阀进行及时止漏,实现参训者对关阀断料处置措施的理解与灵活运用。

5 结语

作为我国目前最为广泛使用的燃料液化石油气,由于地域差异化存储,公路运输是不可或缺的重要一环。在运输途中一旦发生事故则容易引发燃烧、爆炸等危险。包括消防救援人员在内的相关应急处置人员,如果能第一时间进行有效应对处置则可以避免灾难的发生。这要求应急处置人员首先要熟练掌握槽罐车罐体构造,才能灵活采取利用车辆自身安全措施与消防处置措施相结合的战术战法进行处置。根据罐体结构和常见灾情设计的此LPG槽罐车模拟训练设施,具有占地小、模拟灾情多、互动性强等特点,在一定程度上能够满足示教示范、实战训练等任务需求。