某液化天然气公交车缓冲罐爆炸原因
发布时间: 2022-06-10 11:09:41    作者:im官方网站


  黄焕东,沈正祥,陈文飞,等. 某液化天然气公交车缓冲罐爆炸原因[J].机械工程材料,2021,45(12):90-92,Ⅳ.

  某液化天然气公交车发生故障后,关闭其气瓶截止阀,供气系统出现管道冰冻、天然气泄漏现象。用常温自然水对管道进行除冰时供气系统中的缓冲罐发生爆炸。本文采用化学成分测试,显微组织、断口形貌观察以及应力校核等方法,对缓冲罐的爆炸原因进行了分析。结果表明:采用常温水除冰时液化天然气发生快速相变,导致系统内压力急剧升高并超过缓冲罐的爆炸压力,从而引发缓冲罐爆炸;建议在缓冲罐顶部加装二级安全阀,同时为安全阀设置排空管,通过排空管泄压来有效降低缓冲罐爆炸的风险。

  在缓冲罐残片上取样,采用火花直读光谱仪测试化学成分。由试验结果可知缓冲罐残片的化学成分满足GB/T 14976—2012标准要求。

  在缓冲罐残片上取样,用金相研磨机研磨至表面粗糙度约0.1μm后用王水腐蚀,在显微镜上观察显微组织。

  由图1可以看出,缓冲罐残片中的奥氏体晶粒粗大,呈不规则状,晶界清晰可辨,晶粒内部出现大量滑移带,与S30403不锈钢的显微组织特征相符。晶粒内部的大量滑移带表明缓冲罐发生了滑移变形。

  由图2(a)可以看出:缓冲罐残片外壁断口与内壁面成约45°角,断口粗糙、无光泽,局部存在塑性变形;裂纹扩展方向基本平行于轴向,垂直于圆周方向。采用扫描电镜(SEM)观察外壁断口微观形貌。由图2(b)可以看出,断口凹凸不平,出现大量的剪切型韧窝,韧窝大小和形状各不相同。综上,初步推断该缓冲罐残片的断裂是由高应变速率载荷作用引起的急剧增大的周向和径向(剪切)应力导致的韧性断裂。

  缓冲罐的结构和尺寸如图3所示。经测试,缓冲罐材料的屈服强度σ s 为180MPa,缓冲罐容积为0.011m 3 ,设计压力为2.0MPa。缓冲罐爆炸时的断裂位置为筒体,根据GB 150.3—2011,通过液压试验对筒体进行应力校核。

  式中:P T 为液压试验压力;D i 为筒体内径;δ e 为筒体有效厚度;ϕ为焊接接头系数;δ n 为筒体名义厚度;C 1 为筒体厚度负偏差;C 2 为厚度腐蚀裕量;P c为计算压力;[σ]为试验温度许用应力;[σ] t 为设计温度许用应力。

  缓冲罐筒体的内径为214mm,名义厚度为2.5mm,厚度负偏差为0.11mm,厚度腐蚀裕量为0;计算压力为2.0MPa,设计温度为100℃,设计温度许用应力为120MPa,试验温度为常温,试验温度许用应力为120MPa,焊接接头系数为0.85。将这些数据代入式(1)~式(3),计算得到缓冲罐筒体的实际应力水平为133.14MPa,小于0.9σ s 。缓冲罐筒体的实际应力水平满足应力校核要求,说明筒体强度满足正常使用要求。

  由理化检验结果可知,缓冲罐的化学成分符合标准要求,显微组织正常,实际应力水平满足应力校核要求,尺寸设计满足要求。因此,从爆炸压力角度分析爆炸原因。

  将缓冲罐的各项参数代入式(4),计算得到缓冲罐筒体的爆炸压力为2.62MPa。

  车辆发生故障后,LNG气瓶截止阀立即被手动关闭,LNG积液残留在供气管道内,其最低温度在-100℃左右,导致管道表面温度骤降,空气中的水蒸气接触管道后立即结冰;第二天早上(环境温度3~13℃)供气系统仍存在大面积冰冻,并伴有天然气泄漏的声音,表明此时仍有部分LNG积液残留在管道中,且LNG汽化速率与泄漏速率相当,系统内外压力达到动态平衡。冬季的水温略高于环境温度,维修人员采用自来水除冰时,直接浇淋阀门和管道所产生的较大温差使得管道内的LNG积液吸收热量,加速气化。当浇淋的部位为天然气泄漏点时,水与LNG积液接触导致LNG快速相变,汽化速率瞬间提高,天然气在管道内迅速膨胀。当泄漏口来不及释放多余的气体时,平衡状态被打破,系统内压力急剧升高,一旦超过缓冲罐的爆炸压力,缓冲罐就会发生爆炸。

  LNG快速相变引起的系统比能可达50~80kJ·kg -1 ,内压力可达2~6MPa;当实际压力大于计算爆炸压力时,罐体发生爆炸失效。S30403不锈钢具有良好的强韧性,因此缓冲罐体爆炸时仅碎裂成片,未引发二次伤害;由于LNG积液量不多且快速相变的能量释放率较低,爆炸冲击波只对邻近的车窗、底板和管路造成破坏。在LNG相变引起的较大系统内压力作用下,缓冲罐整体未产生明显变形但局部发生减薄。由于有限空间内LNG相变引起的爆炸的反应速率高、破坏性大,建议在缓冲罐顶部加装二级安全阀,同时在车顶为安全阀设置专门的排空管。一旦供气管路压力超过安全阀开启压力限值,排空管就会自动泄压,从而有效降低缓冲罐爆炸的风险。

  (1) 该LNG公交车发生故障后其截止阀关闭,导致LNG积液残留在供气管道内,引发管道冰冻和天然气泄漏;采用常温水除冰导致LNG快速相变,系统内压力急剧升高并超过缓冲罐的爆炸压力,最终缓冲罐爆炸。

  (2) 建议在缓冲罐顶部加装二级安全阀,同时在车顶为安全阀设置专门的排空管,通过排空管泄压来有效降低缓冲罐爆炸的风险。返回搜狐,查看更多