液化石油气钢瓶过量充装时的爆破特性_黄小宇.pdf

化学工程与装备 2023 年 第 1 期 244 Chemical Engineering&Equipment 2023 年 1 月 液化石油气钢瓶过量充装时的爆破特性液化石油气钢瓶过量充装时的爆破特性 黄小宇1,2，王 恒1,2，马中强1（1天津市特种设备监督检验技术研究院；2国家市场监管重点实验室（特种设备数字孪生共性技术），天津 300192）摘摘 要：要：液化石油气钢瓶过量充装是非常危险的，随着温度的升高，瓶内的压力会迅速升高导致钢瓶发生爆破。本文在假设充装介质为丙烷的情况下，采用有限元和积分的方法，得到了充装压力增加时的体积数据，以及热膨胀引起的容积增量和压力引起的容积减少量。最后，根据爆炸前气瓶的体积平衡，通过迭代算法得到了不同压缩系数下的爆炸温度。关键词：关键词：液化石油气钢瓶；过量充装；爆破 引引 言言 液化石油气钢瓶是一种在用数量庞大的民用特种设备，每年国内都会发生多起液化石油气瓶的燃爆事故，对人民生命和财产造成了重大损失。事故发生的原因主要有：“腐蚀、损伤等导致的整体强度不足，阀门及管道失效导致的燃气泄漏，以及过量充装、使用不当等等”1。液化石油气是以丙烷为主的低压液化气体2，过量充装的液化石油气钢瓶内部压力会随着环境温度的上升而急剧升高，达到钢瓶压力极限时就会发生物理爆炸，进而引发更为严重的事故。为了避免过量充装产生的危险，相关法规标准对于液化石油气钢瓶充装时的充装系数进行了严格限定。本文假设瓶内介质为纯丙烷，且完全充满钢瓶作为极限条件，采用有限元模拟结合数值计算的方法得到了某型号液化石油气钢瓶过量充装时瓶内压力与温度的对应关系。1 1 钢瓶容积与压力的关系钢瓶容积与压力的关系 首先采用有限元分析方法对钢瓶的升压过程进行数值模拟，以得到满液状态下钢瓶容积与压力的对应关系。计算模型采用某液化石油气瓶实际数据，具体模型参数如表 1所示。表表 1 1 有限元模型参数有限元模型参数 钢瓶规格,*T*L 容积,V 材料 屈服强度,s 抗拉强度,b 弹性模量,E 泊松比,v 400 x3.2x1023mm 119.37L HP325 390MPa 460MPa 2105MPa 0.3 建立八节点等参单元（PLANE183）的轴对称模型，然后逐步施加载荷。此外，考虑几何非线性，节点坐标根据变形不断更新。如图 1 所示，当压力增加到 7.965MPa 时，结构开始迅速变形，网格发生扭曲。在运行 1233 步后，计算终止。最大膨胀变形和最大应力分别为 10.9mm（径向）和477MPa。此时，气瓶虽未爆炸，但已失去承载能力，接近爆炸。瓶内压力为 7.965MPa，钢瓶膨胀量为 8.469L。用积分计算得到的瓶内压力与钢瓶容积的关系曲线如图 2 所示。图图 1 1 加载到加载到 7.97.96565MPaMPa 时的变形及时的变形及 MISESMISES 相当应力分布相当应力分布 图图 2 2 瓶内压力与钢瓶容积的关系曲线瓶内压力与钢瓶容积的关系曲线 DOI:10.19566/35-1285/tq.2023.01.041 黄小宇：液化石油气钢瓶过量充装时的爆破特性 245 2 2 热膨胀系数热膨胀系数的的计算计算 液体温度改变时有胀缩现象，其变化能力以膨胀率表示，即热膨胀系数。丙烷的热膨胀系数计算式为3：mclipTTaB)/1(-=（1）式中：lipB 液体热膨胀系数，1/K；，m 化合物的回归系数，对丙烷，=9.95E-04，m=-0.7130；T 温度，K；cT临界温度，K 用公式（1）计算丙烷在不同温度下的膨胀系数，结果列于表 2。3 3 热膨胀体积增量的计算热膨胀体积增量的计算 由热膨胀系数的定义可以得到以下关系式：lipBTVVV=-001 （2）因此，体积增量公式可推导如下：TVBVVVlip=-=001 （3）式中：V 体积变化量，L；0V 原始体积，L，取为气瓶原始体积（119.3721L）；1V 膨胀后体积，L；T 温度增量，根据公式（3），可计算得到温度升高时气瓶膨胀后体积以及体积增量，结果列于表 2。表表 2 2 热膨胀系数及体积增量热膨胀系数及体积增量 摄氏温度，热膨胀系数，1/膨胀后体积，L 体积增量,L 25 0.003201085 119.3721 0 30 0.003370093 121.3553 1.983177 35 0.003562257 123.4837 4.111563 40 0.003783039 125.7802 6.408074 45 0.004039835 128.2737 8.901632 4 4 体积压缩量计算体积压缩量计算 由于气瓶为密闭容器，升温导致的介质体积增大必然由于密闭条件而受到限制，其结果是在气瓶内产生压力。压力不仅会引起气瓶本体膨胀，反过来也会使介质受到压缩，并产生体积减小现象。液体体积减小用体积压缩系数这一概念来表达。根据资料中记载的丙烷的不同的压缩系数，计算压力导致的液体体积压缩量过程如下。由液体体积压缩系数的定义可以知道如下关系式：ApVVV=-001 （4）即可得到体积增量计算式如下：APVVVV=-=1200 （5）式中：2V压力导致的体积压缩量，L；P气瓶内的压力增量，MPa；A 体积压缩系数，1/MPa；根据上式及有限元分析得到的钢瓶体积与压力关系数据可计算得到压力导致的体积压缩量，如表 3 所示。表中三个压缩系数对应的温度分别为 20、40和 60。表表 3 3 瓶内压力与介质体积压缩量及钢瓶体积关系数据瓶内压力与介质体积压缩量及钢瓶体积关系数据 压力 有限元分析得到的气瓶体积增大量3V 介质体积压缩量2V A=0.00107 A=0.0016 A=0.00187 0.2 0.015634 0.025742 0.038199 0.044989 0.7 0.054664 0.090098 0.133697 0.157462 2.45 0.190702 0.315344 0.467939 0.551116 5.3 0.411381 0.682174 1.012275 1.19221 7.16 0.919527 0.921578 1.378061 1.610608 7.965 8.469311 1.025191 1.532996 1.791689 5 5 瓶内压力与温度的关系瓶内压力与温度的关系 爆破前气瓶处于平衡状态，丙烷的体积膨胀近似等于气瓶的体积膨胀和丙烷的体积压缩的总和：32VVV+=（6）根据表 2 和表 3 的数据，利用 MATLAB 软件，采用插值246 黄小宇：液化石油气钢瓶过量充装时的爆破特性 和迭代计算方法，计算并绘制了介质温度与瓶内压力曲线，如图 4 所示。图图 4 4 压缩系数为压缩系数为 0.001600.00160 时，压力时，压力-温度关系图温度关系图 从上面的分析可以得出，压缩系数为 0.0016，瓶内压力达到爆破压力 7.965MPa 时，对应温度分别为 45.5。虽然介质体积压缩系数随温度的变化而变化，但对于不同的体积压缩系数，对应温度变化不大，因此，采用定容压缩系数法所产生的偏差是可以接受的。6 6 结结 论论 通过上述计算及分析，我们了解了液化石油气钢瓶过量充装时瓶内压力与温度的对应关系，可以得到如下结论：（1）正常使用情况下，温度由 25上升到 45时，液化石油气钢瓶内压力由 0.95MPa 上升到 1.53MPa，增长幅度为61%；而当过量充装导致满液时，温度由25上升到45，液化石油气钢瓶内压力由 0.95MPa 上升到 7.96MPa，增长幅度为 738%，此时钢瓶将失去承载能力而发生爆破。（2）液体体积增量与其原始体积为正比关系，既钢瓶容积增大时，满液时由于温度上升导致的瓶内压力增长幅度将更加明显。（3）低压液化气体的过量充装是非常危险的，充装量必须予以严格限制，并在使用过程中注意环境温度的变化情况。参考文献参考文献 1 陈国华.液化石油气钢瓶事故综论J.中国特种设备安全,2009,25(9):29-32.2 宋玉波.液化石油气泄漏风险分析及后果评价方法J.工程科学,2005(7):61-65.3 卡尔 L.约斯,陶鹏万,等.等.Matheson 气体数据手册M.化学工业出版社,2003.（上接第（上接第 282282 页）页）_ 表明贫、富溶液的总量有所下降。依据装置停工后危废转运计量结果，浓缩后脱硫系统退出的废旧 MDEA 溶液总量为75.34t。根据上图所示数据，浓缩前 MDEA 贫液浓度为 28%，浓缩后达到 38.7%，以脱硫系统浓缩前 MDEA 溶液量为 150t 计，根据浓缩结束后系统内退出废旧 MDEA 溶液量计算，减少危废量 74.66t。节支成果=（计划危废处理量/吨-实际危废处理量/吨）吨危废处理费用/元=（150-75.34）1995=14.89 万元 6 6 结结 语语 干气精制脱硫系统 MDEA 溶液在长达三年长周期循环使用过程中，不可避免上游催化干气的杂质和脱硫装置运行过程中的降解产物.带入会产生并积聚固体悬浮物及热稳定盐等杂质.使得胺液质量劣化.脱硫塔、溶剂再生塔液泛情况频繁发生，下游水洗塔水质变差，碱性物质增多发泡等严重影响了装置高效,平稳运行.造成经济损失.为了防止其对生产带来影响.保障净化干气硫含量合格，确保不发生安全环保事件。对系统内 MDEA 溶液浓缩处理更换，消除生产瓶颈且节约危废处理费用 14.89 万元。参考文献参考文献 1 杨敬一,顾荣,徐心茹,等.固体颗粒对脱硫剂溶液泡沫性能的影响J.华东理工大学学报,2002,28(2):351-356.2 常宏岗.气体脱硫装置胺溶液发泡原因及认识J.石油与天然气化工,1995,24(1):60-63.3 付敬强,王鸿宇,周虹见.脱硫溶液污染原因分析.石油与天然气化工,2001,30(6):293-294.