异常因素对CNG长管拖车爆破片疲劳寿命的影响

2018-03-30周日峰张健中刘全桢王振中

安全、健康和环境 2018年2期

周日峰，张健中，刘全桢，王振中

(中国石化青岛安全工程研究院化学品安全控制国家重点实验室，山东青岛 266100)

1 研究背景

天然气作为高质清洁能源在汽车行业被越来越广泛使用。其中，压缩天然气(Compressed Natural Gas)加气站在我国具有相当的数量，其气源多采用长管拖车从母站运输。由于CNG加气子站常位于城市建城区，对安全具有较高的要求。移动式压力容器上常用的安全泄放装置有爆破片、安全阀、合金易熔塞等，其中爆破片和易熔塞组合装置在长管拖车气瓶上用的较多。美国压缩空气协会的CGA S1.1中规定，对于长管拖车移动式压力容器[1,2]，爆破片与易熔塞组合装置是首选的安全泄放装置[3]。GB567-2012《爆破片安全装置》对爆破片的材料、设计、选型、安装、使用等给出了详细的要求。爆破片结构形式主要有正拱形、平板形、反拱形等，其中正拱形爆破片爆破和疲劳性能较稳定，在长管拖车气瓶上的应用较多。国内有数家公司对爆破片和易熔塞组合泄放装置有各自的产品研究[4-7]。目前国内CNG加气子站长管拖车气瓶的压力使用范围为3～20 MPa，为保护气瓶安全，爆破片的起爆压力通常设定为33 MPa。按照TSG_R0005-2011《移动式压力容器安全技术监察规程》，易熔塞在常压下的起爆压力较爆破片稍低，不得妨碍和影响爆破片装置的正常泄放功能。所以，爆破片的疲劳性能决定了爆破片与易熔塞组合装置的疲劳性能。

在没有火灾等外在原因导致加气子站长管拖车气瓶超压的情况下，爆破片发生起爆的事故，被称为爆破片异常起爆事故。国内发生过数起CNG长管拖车气瓶爆破片异常起爆事故，造成了不必要的液压油或天然气泄放，并对周围环境造成污染，对周围居民生活造成极大不便。所以，研究影响加气子站长管拖车爆破片异常起爆的因素，对减少爆破片异常起爆事故发生具有重要意义。周日峰等[8]基于HAZOP分析和LOPA分析，提出了爆破片异常起爆防护对策，但对爆破片异常起爆机理缺乏足够的认识。张毅等[9]实验测试了液压平推加气子站管束车爆破片异常起爆过程，排除了管束车回油管路堵塞造成爆破片异常起爆的可能。由于CNG长管拖车气瓶的工作压力在3～20 MPa内循环，所以气瓶爆破片的疲劳特性是决定爆破片寿命的关键。本文基于CNG气瓶超压泄放装置疲劳寿命测试平台，对可能影响正拱形爆破片疲劳寿命的因素进行了分析，归纳了爆破片疲劳后异常起爆机理，为异常起爆事故防护对策提供科学依据。

2 爆破片冰冻实验

本文搭建了爆破片与易熔塞疲劳寿命测试实验平台见图1，由疲劳测试实验压力源(高压油泵)、油箱、压力表、流路切换控制阀块、压力分配管路、被测试件等组成。进行爆破片疲劳寿命测试时，油泵连续运行，通过阀块控制油泵往压力分配测试管路输油，进行升压；当压力达到疲劳测试压力上限时，控制阀块将油泵输油管路切换至油箱，同时截住压力分配管路进行保压；保压结束后，控制阀块开通压力分配管路与油箱间管路，压力分配管路中的油回到油箱，完成降压；压力降到疲劳测试压力下限时，开始进行低压保压；低压保压结束后，继续进行升压。当爆破片因疲劳导致爆破后，记下当前的疲劳测试循环次数，即为被测试爆破片的疲劳寿命。

图1 爆破片疲劳性能测试平台示意

2.1 冰冻实验方案

进行爆破片冰冻损伤实验时，首先将正拱形爆破片与易熔塞组合装置中的易熔塞融掉，然后在爆破片非承压侧装满水，放入冷冻箱冷冻。冷冻参数选择两种：冷冻温度和冷冻时间，其中冷冻温度以冬季东北地区和山东地区的最低温度为参照，分别选取-40 ℃和-20 ℃；冰冻时间设置为两种，分别为24 h和48 h。

在设定的冷冻温度下达到冷冻时间后，从冷冻箱内取出超压泄放装置，开展两种形式的爆破片爆破实验：一种是将冰融化后开展爆破实验(不带冰)；另一种是爆破片带冰直接开展爆破实验(带冰)。

2.2 实验结果及分析

爆破片冷冻后带冰和不带冰两种形式的爆破实验结果如表1所示。由数据可以看出，冰冻过的爆破片疲劳寿命均大于6万次，与未冰冻的爆破片疲劳寿命相比，并未有显著的降低，说明冰冻没有对爆破片的疲劳寿命产生影响。分析认为因为-40 ℃的温度并没有影响316奥氏体不锈钢的特性，与开展的静压爆破实验原理相同，冰冻的爆破片因为冰膨胀挤压使爆破片表面发生微变形，并没有引起明显的应力集中，也没有引起厚度的减薄，所以没有引起疲劳性能的变化。

表1 冰冻工况下爆破片疲劳寿命测试结果

3 爆破片挤压损伤实验

3.1 实验方案

爆破片可能发生的挤压损伤主要为尖物按压和钝物按压，本文利用自主设计的钝物对爆破片造成不同区域和不同程度的挤压损伤。设置了三种不同位置的损伤，对应与中心轴线不同的夹角，分别在拱顶处(夹角0°夹角)、拱面1/2处(15°夹角)和加持边缘处(30°夹角)，如图2所示。根据实际可能发生的损伤情况，用挤压损伤区域的直径和深度两个参数来表征爆破片损伤程度，如图2所示。

图2 带挤压损伤爆破片模型示意(其中，B为损伤缺陷半径，A为损伤深度，W为损伤位置与中心轴线偏角)

3.2 实验结果及分析

带挤压损伤的爆破片形貌如图3所示，疲劳寿命测试实验结果如表2、表3所示。

表2 小损伤挤压爆破片疲劳寿命测试结果(损伤圆角半径R=0.5 mm)

表3 大损伤挤压爆破片疲劳寿命测试结果(损伤圆角半径R=1 mm)

图3 带挤压损伤爆破片发生疲劳爆破后形貌

从表2、表3可知，带挤压损伤爆破片的疲劳寿命在4 500～6 000次，总体疲劳寿命分布比较集中。损伤程度(损伤直径和深度)越长，爆破片疲劳寿命越短。

从图3(a)中受挤压损伤爆破片爆破后形貌可以看出，爆破片在压力循环过程中，点状凹陷处出现细微裂纹，然后裂纹扩展，造成装置泄漏。实验过程中，裂纹出现以及裂纹扩展时压力并没有明显下降，压力上升速率也没有明显变化，但液压油从裂纹处呈雾状喷出。

在疲劳实验中，爆破片挤压损伤处的拱面凹陷虽然能恢复，但受损部位中心位置却存在一个难以恢复的点状凹陷，如图3(b)所示，凹坑的大小和损伤锥头的圆角半径有关。圆角半径大，点状凹陷越大。在压力循环过程中，此处由于结构不连续存在应力集中，所以在疲劳实验过程中，此处为应力最大点。

挤压损伤对爆破片疲劳寿命的影响较大，完好的爆破片疲劳寿命超过10万次，而受挤压损伤后降为5 000次左右，而且损伤直径和深度越大，爆破片的疲劳寿命越短。同样的损伤程度，损伤物的圆角越大，受伤的爆破片疲劳寿命越短。

4 爆破片划伤实验

4.1 实验方案

因超压泄放装置中爆破片非泄放端有易熔塞浇注，爆破片与外界不接触，所以超压泄放装置安装完成后爆破片几乎不存在划伤损伤的可能性。本文研究爆破片在加工制作过程中的划伤损伤，通过刻槽来模拟爆破片的划伤受损。

因爆破片预拱压力为29 MPa，所以利用刻槽来模拟划伤时，控制相同的压槽深度，控制刻槽后爆破压力大于预拱压力。在爆破片三种位置上制造损伤，分别为拱顶处、1/2拱面处和夹持边缘处，研究划伤爆破片的爆破形式和机理。

4.2 实验结果及分析

将三种不同位置的划伤爆破片进行疲劳实验，疲劳寿命如表4～6所示，疲劳爆破后形貌如图4～6所示。由三个表中数据可知，同样划伤程度的拱顶和拱面1/2处损伤工况相比，拱面1/2处损伤的爆破片平均疲劳寿命为1 684次，拱顶损伤的爆破片平均疲劳寿命为2 712次，拱面1/2处划伤爆破片比拱顶处的疲劳寿命更短，说明同样程度的划伤损伤拱面1/2处的对爆破片疲劳性能的影响更大。另外，边缘处划伤的爆破片平均疲劳寿命为3816次，可能原因是爆破片边缘处较厚，损伤位置处应力集中程度没有另外两个位置的明显，故在边缘处划伤的爆破片疲劳寿命稍大于另外两个部位损伤的寿命。