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大 连 理 工 大 学 硕 士 课 程 报 告

课程名称: 压力容器与管道安全工程评估

所选课题名称: 气瓶安全研究
Selected topics: Cylinder safety research

学 生 姓 名:
学 部 ( 院) : 化工机械学院
专 业: 化工过程机械
任 课 教 师:
完 成 日 期:

大连理工大学
Dalian University of Technology
气瓶安全研究
1 引言
气瓶是盛装各种有毒、 有害或易燃、 易爆危险物品的包装容器[1]。中国是仅次于美国的世界危险化学品生产和应用大国, 中国当前的气瓶拥有量超过1.3亿只, 每年的产量达到 万只以上, 占到了世界的一半以上。 但当前危险化学品气体、 气瓶的生产及零售／批发市场存在诸多问题: 伪劣、 漏检气瓶及危险品气瓶运输、 配送中的违规作业, 导致近年来中国危险品气瓶事故呈上升趋势, 对人民生命财产安全构成严重威胁[2]。因此, 对于气瓶安全的研究, 对于指导气瓶的安全使用以及维护人民群众的生命财产安全具有重要意义。
本文首先简单介绍了气瓶的定义和分类, 在此基础了分析了气瓶可能的带来的危害。气瓶失效是气瓶的发生安全事故的重要原因, 因此对于气瓶失效的分析显得极其重要, 而气瓶疲劳试验的研究对于预测气瓶的使用寿命、 防止气瓶发生安全以及指导气瓶的回收再利用事故具有重要意义。
安全管理是保护劳动者的安全与健康、 保证生产工具的安全和资源的合理利用、 促进经济有序运行和健康发展的一门科学。管理的重点是: 预先发现、 鉴别和判明可能导致事故的各种危险因素, 采取有效措施, 消除和控制这些因素, 避免事故发生。无线射频自动识别(RFID, Radio Frequency Identifi-cation)技术在安全管理领域有很多用武之地[3]。
最后, 分析了当前气瓶安全使用中存在的问题, 指出了其气瓶使用时的注意事项, 并说明了出现泄漏事故时的处理措施。
2 气瓶的定义和分类
气瓶是指适用于正常环境温度(-40° ~ 60° ) 下使用的、 公称工作压力为110~30MPa(表压, 下同)、 公称容积为0.14~3000L、 盛装永久气体、 液化气体或混合气体的无缝、 焊接和特种气瓶( 特种气瓶是指车用气瓶、 低温绝热气瓶、 纤维缠绕气瓶和非重复充装气瓶等, 其中低温绝热气瓶的公称工作压力的下限为0.12MPa)。不包括灭火器气瓶和盛装溶解气体( 如乙炔) 、 吸附气体的气瓶, 也不包括机器设备上附属的瓶式压力容器[4]。
气瓶的分类方法很多[5], 按安装气体的物理性质分为: 压缩气体气瓶、 液化气体气瓶; 按充装气体的化学性质分为惰性气体气瓶、 助燃气体气瓶、 易燃和有毒气体气瓶; 按设计压力分为: 高、 中、 低压气瓶, 高压一般为12.5-29.4MPa(125-3000kg/cm2); 中、 低即为0.98-7.84 MPa( 10-80 kg/cm2) ; 按制造材料分为钢制、 不锈钢和玻璃钢气瓶; 按结构分为无缝气瓶和焊接气瓶, 另外, 今年来逐渐兴起了复合材料缠绕气瓶。

表2.1 各种气体常见压力[4]
气体类别
公称工作压力MPa
常见气体
永久气体
Tc＜-10℃
30
空气、 氧、 氢、 氮、 氩、 氦、 氖、 氪、 甲烷、 煤气、 天然气、 氟等
20
15
空气、 氧、 氢、 氮、 氩、 、 氦、 甲烷、 煤气、 三氟化硼、 四氟甲烷( R-14) 、 一氧化碳、 一氧化氮、 等
20
二氧化碳、 一氧化二氮( 氧化亚氮) 、 乙烷、 乙烯、 硅烷、 磷烷、 乙硼烷等
15
 液化气体Tc≥-10℃
 高压液化气体
~10℃≤Tc≤70℃

12.5
氙、 一氧化二氮( 氧化亚氮) 、 六氟化硫、 氯化氢、 乙烷、 乙烯、 三氟氯甲烷( R-13) 、 三氟甲烷( R-23) 、 六氟乙烷( R-116) 、 1.1二氟乙烯( 偏二氟乙烯) ( R-1132a) 、 氟乙烯( R-1141) 、 三氟溴甲烷( R-13B1)

8
六氟化硫、 三氟氯甲烷( R-13) 、 1.1二氟乙烯( 偏二氟乙烯) ( R-1132a) 、 六氟乙烷( R-116) 、 氟乙烯( R-1141) 、 三氟溴甲烷( R-13B1) 等

低压液化气体Tc＞70℃
5
溴化氢、 硫化氢、 碳酰二氯( 光气) 、 硫酰氟等
3
氨、 二氟氯甲烷( R-22) 、 1.1.1三氟乙烷( R-143a) 等
2
氯、 二氧化硫、 环丙烷、 六氟丙烯、 二氟二氯甲烷( R-12) 、 1.1二氟乙烷( R-152a) 、 氯甲烷、 二甲醚、 二氧化氮、 三氟氯乙烯( R-1113) 、 溴甲烷、 氟化氢、 五氟氯乙烷( R-115) 等
1
正丁烷、 异丁烷、 异丁烯、 1-丁烯、 1.3丁二烯、 一氟二氯甲烷( R-21) 、 四氟二氯乙烷( R-114) 、 二氟氯乙烷( R-142b) 、 二氟溴氯甲烷( R-12B1) 、 氯乙烷、 氯乙烯、 溴乙烯、 甲胺、 二甲胺、 三甲胺、 乙胺、 乙烯基甲醚、 环氧乙烷、 八氟环丁烷( R-C318) 、 ( 顺) 2-丁烯、 ( 反) 2-丁烯、 三氯化硼( 氯化硼) 、 甲硫醇( 硫氢甲烷) 、 三氟氯乙烷( R-133a) 等

3 气瓶的潜在的危害
3.1 常见的气瓶中的气体的危害性
( 1) 氧气
常压下, 当氧的浓度超过40%时, 有可能发生氧中毒。 吸入40%~ 60%的氧时, 出现胸骨后不适感、 轻咳, 进而胸闷、 胸骨后烧灼感和呼吸困难、 咳嗽加剧; 严重时可发生肺水肿, 甚至出现呼吸窘迫综合征。吸入氧浓度在80%以上时,出现面部肌肉抽动、 面色苍白、 眩晕、 心动过速、 虚脱, 继而全身强直性抽搐、 昏迷、 呼吸衰竭而死亡[6]。
氧的另一个危险它的助燃性。大气中氧含量超过正常的20. 9%(体积) 时, 应认为有火灾危险。当空气中含氧量增加时, 火焰的温度和长度增加, 可燃物的着火温度下降。据有关文献所载之实验表明[7]: ”如把空气中的含氧量从21%提高到25%时, 烟火就能被激发燃烧。如棉布自上而下的燃烧, 空气中含氧量为21%时, 其燃着时间为84s; 当空气中含氧量增加至28%时, 其燃着时间缩短到43s; 如氧含量增加到84%时, 其燃着时间进一步缩短到13s( 若是水平燃烧或自下而上的燃烧, 其相对燃着时间更短) ; 可见, 随着空气中氧含量的提高, 其助燃作用也随之加剧。
表3.1 氧浓度下降时对人体的危害[7]
Atmospheric Oxygen %
Effects
21% to 18%
No easily discernable symptoms detected.
18% to 11%
Reduction of physical and intellectual
performance. Sufferer not aware of this.
11% to 8%
At 11%, fainting may occur within a few minutes
without prior warning.
Death may result below 11%
8% to 6%
Fainting will occur after a very short time.
Successful resuscitation possible if performed immediately.
6% to 0%
Fainting and deep unconsciousness occurs almostimmediately. Successful resuscitation unlikely. Brain damage highly probable even if resuscitation is successful.

( 2) 丙烷
丙烷是一种易燃气体, 与空气混合能形成爆炸性混合物, 遇热源和明火有燃烧爆炸的危险。本品有单纯性窒息及麻醉作用。人短暂接触1%丙烷, 不引起症状; 10%以下的浓度, 只引起轻度头晕; 接触高浓度时可出现麻醉状态、 意识丧失; 极高浓度时可致窒息。
( 3) 乙炔
乙炔是无色易燃气体, 它能与空气形成爆炸性混合气, 遇明火、 高热能引起燃烧爆炸。爆炸极限2.55%~80.00%( 体积) 。乙炔的点火能很小, 其最小点火能为0.02mJ。乙炔的爆炸极限范围很宽, 最小点火能的数值很小, 因此极易引起燃烧和爆炸[10]。
乙炔有弱麻醉作用。吸入高浓度乙炔可引起单纯窒息。暴露于20%浓度乙炔时, 会出现明显缺氧症; 吸入高浓度乙炔时, 初期兴奋、 多语、 哭笑不安, 而后出现眩晕、 头痛、 恶心、 呕吐、 嗜睡;严重者昏迷、 紫绀、 瞳孔对光无反应。
工业乙炔中常含有硫化氢和磷化氢, 因此具有大蒜味。硫化氢和磷化氢都是无色的毒性气体, 前者具有臭鸡蛋味和甜味, 后者具有大蒜味和臭鱼味。硫化氢和磷化氢对人体的作用分别如下表所示[11]:
表3.2 硫化氢对人体的危害
浓度/10-6
对人体的作用
0.025
人的嗅阈
0.3
明显嗅到
5-10
臭味更强
10-20
对人体危害浓度, 接触6小时眼炎
27
臭味强烈, 不愉快, 能忍受
>100
失去嗅觉
100-150
长时间出现毒害作用
170-260
可忍耐0.5-1小时, 有后遗症
360-500
吸入0.5-1小时, 就有危险
420-600
0.5-1小时内急性死亡或者以后死亡
850-1000
立即死亡

表3.3 磷化氢对人体的危害
浓度/10-6
对人体的作用
>0.15
毒作用范围
1.4-2.8
能够嗅到臭味
7
数小时内出现中的, 也有致死者
100-190
能够耐受0.5小时
150
1小时内无严重影响
290-430
0.5-1小时内达到危险状态
400-600
0.5-1小时内死亡

立即死亡

丙酮的毒性较低, 对人体中枢神经系统有麻醉作用。其蒸汽对粘膜有中等程度的刺激作用。长时间重复与液体丙酮接触, 会使皮肤干燥、 脱脂和出现皮炎。因吸入蒸汽引起的急性中毒, 主要表现为不同程度的麻醉状态。最初出现乏力、 恶心、 头痛、 头晕、 容易激动。严重时会出现呕吐、 气急、 痉挛、 昏迷; 液体能刺激眼睛。
硫化氢、 磷化氢、 丙酮都属于可燃物, 与空气混合能形成具有爆炸性的混合物。充装间应有良好的通风, 硫化氢、 磷化氢、 丙酮蒸汽浓度过高, 以免造成中毒、 窒息或燃烧爆炸。
( 4) 液化石油气
液化石油气极易燃烧, 与空气混合能形成爆炸性混合物。它的最小引燃能量为0.12～0.13Mj, 极易着火, 对其无需加热, 遇火种便可燃烧。液化石油气的爆炸范围为2%～10% (体积),其爆炸下限低, 受热、 受冲击或遇电火花, 接触强氧化剂都能引起燃烧爆炸。而且火势猛, 灾害大, 且易扩散挥发。
液化石油气具有麻醉作用, 急性中毒时会有头晕、 头痛、 兴奋或嗜睡、 恶心、 呕吐、 脉缓等症状; 重症者可突然倒下, 尿失禁, 意识丧失, 甚至呼吸停止。

3.2气瓶的爆炸
由上面的分析能够看出, 气瓶中的气体大多都有易燃易爆的性质, 再加上气瓶为高压容器, 因此气瓶发生爆炸的风险很高。
3.2.1 气体爆炸的原因
据统计, 气瓶爆炸多发生于充装和使用过程中。经过对数十起典型气瓶爆炸事故的分析, 发现造成气瓶爆炸的原因能够分为两类[11]: 一类是物理性爆炸, 另一类是化学性爆炸。
( 1) 气瓶物理性爆炸原因
气瓶的物理性爆炸现象, 是由于某种物理原因引起气瓶内压力超过气瓶强度导致气瓶破裂而引起的。
引起物理性爆炸的主要原因有下列情况: 气瓶受阳光、 明火、 热辐射作用, 瓶中气体受热, 压力急剧增加, 直至超过气瓶材料强度, 而使气瓶产生永久变形, 甚至爆炸; 气瓶在搬运中未戴瓶帽, 手托瓶阀抬运或碰击等原因, 使瓶颈上或阀体上的螺纹损坏, 瓶阀可能被瓶内压力冲出脱离瓶颈; 由于气瓶在搬运或贮存过程中坠落或撞击坚硬物体, 也能在冷状态下发生爆炸; 气瓶结构、 制造工艺和材料不符合安全要求, 致使气瓶强度不够而发生爆炸; 未按规定周期进行技术检验, 由于瓶壁锈蚀变薄、 裂纹而导致爆炸; 充气气源压力超过气瓶最高允许压力, 在没有减压装置或减压装置失灵的情况下, 使气瓶超压爆炸; 过量充装, 特别是液化气体未按规定充装, 受热或在搬运中受震后压。
( 2) 气瓶的化学性爆炸原因
石化企业引起气瓶化学性爆炸的主要原因有如下情况: 氧气瓶或者可燃、 可爆气体瓶, 充装时未辨别或辨别后未严格清洗、 产生了燃烧爆炸的混合气体导致爆炸; 充装速度太快, 气流摩擦引起过度发热而燃烧爆炸; 易燃助燃气体气瓶放气速度太快、 阀门处容易产生静电火花, 引起燃烧爆炸; 氧气瓶的附件或瓶阀被油脂弄脏, 油脂迅速氧化燃烧而爆炸; 气瓶内混入了能与所充装介质反应的其它物质, 产生化学反应引发爆炸。可燃气体与空气(氧气或氧化剂)混合达到爆炸极限而引发爆炸是常见气瓶最典型化学性爆炸, 主要有气体混装、 气瓶泄漏两种典型情况:
( 一) 气体混装造成的气瓶爆炸
气体混装是指在同一气瓶内灌装两种气体(或液体),如果这两种介质在瓶内发生化学反应, 将会造成气瓶爆炸事故。充装可燃气体的钢瓶瓶阀, 其出气口螺纹为左旋, 盛装助燃气体气瓶, 其出气口螺纹为右旋。瓶阀的这种结构可有效地防止可燃气体与非可燃气体的错装。
( 二) 气瓶泄漏造成的爆炸
在运输、 储存、 使用等过程中, 由于瓶装气体品种多、 性质复杂, 当气瓶受到强烈的震动、 撞击或接近火源、 受阳光曝晒、 雨淋水浸、 储存时间过长、 温湿度变化的影响以及泄漏出性质相抵触的气体相互接触时, 就会引起爆炸。气瓶使用过程中, 应根据各可燃气体所具有的不同爆炸极限等爆炸参数, 根据工作环境和设备条件的特点, 采取严防跑冒滴漏和严格限制外部空气渗入气瓶内等安全措施, 预防形成爆炸性混合物。
3.2.2 气体爆炸的后果分析
( 1) 氧气瓶爆炸的事故后果[12]

对于氧气瓶的爆炸, 能够利用氧气的爆破能量公式:

当氧气瓶体积为40L, 瓶内气体绝压为1.6MPa, 氧气绝热指数为1.4, 计算得到Eq=156.2KJ, 将爆破能量q换算成TNT当量qTNT, 因为1kgTNT爆炸能量相当于4500kJ/kg, 故做如下换算: q= E/qTNT=E/4500 ( 2)
计算得: q=156. 2/4500=0. 034 7( kg/TNT)
爆炸模拟比: a = 0. 1q1/3 ( 3)
计算得: a=0. 1 (0. 034 7)1/3 =0. 032 6
1000kgTNT爆炸试验中的相当距离:
R=R0*a (4)
根据1000kg炸药在空气中爆炸时所产生的冲击波超压能够计算得到氧气瓶的致死距离为0.775m。
表3.4 氧气超压冲击波对人的伤害[6]
∆p/M Pa
RO/m
R/m
人员伤害
>0.1
23.77
0.775
大部分人员死亡
0.05-0.1
23.77-32.5
0.775-1.06
内脏严重损伤或死亡
0.03-0.05
32.5-42.5
1.06-1.39
听觉受损或骨折
0.02-0.03
42.5-56
1.39-1.83
轻微损伤
注: RO为1000kgTNT爆炸的伤害半径
( 2) 丙烷气瓶爆炸的后果
丙炔气体的爆破能量按下式计算:
Eg=[(H1-H2) -(S1-S2)T1/W (5)
式中: Eg — 过热状态液体的爆破能量;
H1— 爆炸前饱和液体的焓, kJ/kg;
H2— 在大气压力下饱和液体的焓, kJ/kg;
S1— 爆炸前饱和液体的熵, kJ/( kg);
S2— 在大气压力下饱和液体的熵, kJ/( kg);
T1— 介质在大气压力下的沸点, ;
W—饱和液体的质量, kg。
假设相变过程为理想气体状态(等温过程), 则
爆炸能量的计算:
Eg=[∆H-∆ST1]W=nRT11n(P1/P2) (6)
当乙炔瓶容积为72L, 压力为3.0MPa, 其最大充装量W为30kg, 丙烷气瓶的最高工作压力为3. 0MPa, 爆炸时超压达到运行最高工作压力的2倍, 即达到6. 0MPa; R=8. 3143J/mol-1K-1, n= (W 103) /44. 10mo;l 沸点T1 =231K

表3.5丙烷超压冲击波对人的伤害[6]
∆p/M Pa
RO/m
R/m
人员伤害
>0.1
23.77
2.517
大部分人员死亡
0.05-0.1
23.77-32.5
2.517-3.442
内脏受损或死亡
0.03-0.05
32.5-42.5
3.442-4.501
听觉受损或骨折
0.02-0.03
42..5-56
4.501-5.93
轻微损伤

根据公式( 2) 、 ( 3) 、 ( 4) 、 ( 5) 、 ( 6) 和表3.5能够得到丙烷致死浓度为2.517m
(3) 乙炔气瓶爆炸的事故后果
以40L乙炔气瓶(乙炔质量为5. 5kg)爆炸为例, 乙炔燃烧热为50. 2MJ/kg
表3.6乙炔超压冲击对人的伤害[6]
∆p/M Pa
RO/m
R/m
人员伤害
>0.1
23.77
9.36
大部分人员死亡
0.05-0.1
23.77-32.5
9.36-12.81
内脏受损或死亡
0.03-0.05
32.5-42.5
12.81-16.75
听觉受损或骨折
0.02-0.03
42..5-56
16.75-22.06
轻微损伤
同样能够得到, 乙炔气瓶的爆炸的致死半径为9.36m
(4)液化石油气爆炸后果分析
液化石油气瓶的爆炸属于一种BLEVE爆炸, BLEVE (Boiled Liquid Evaporate Vapor Explosion)爆炸系为液体受热沸腾后成气体, 容器爆裂后, 气体泄出而产生爆炸的情况。
这种类型的爆炸起初阶段, 容器内的温度首先短暂的下降, 压力出现一个峰值, 之后压力迅速减小, 这一过程发生在小于2ms的时间内[12]。当一个BLEVE爆炸发生时, 产生的危害主要有3种: 冲击波、 投射物和火球, 而投射物是能够引起伤害的范围最大的类型[13], 投射物包括气瓶本身的碎片和它连接的物体。
由于BLEVE爆炸本身的特点, 爆炸气瓶本身产生的碎片不会很多, 钢瓶的爆炸一般认为碎片不会超过5片[14],80%的飞行距离不会超过200m[15], 而且对人体造成的伤害大多是外表擦伤, 而非内脏性质的伤害[16]。而小容器发生BLEVE爆炸对人体的伤害不超过橡皮子弹对人体的伤害, 且大部分为外表瘀伤, 而投射伤害的最严重[17]。而小容器爆炸最坏的情况下, 即碎片以65m/s的速度45°的方向飞出去, 距离为431米, 而水平投射, 高度为1m时, 投射距离为29.3米[18]。

4气瓶失效分析和疲劳试验研究
4.1气瓶的失效分析
本文将应用”失效学”的原理, 利用”寿命浴盆曲线”来分析气瓶的早期失效、 偶然失效和耗损失效。
4.1.1 失效效应[19]
失效效应严重等级的划分,应综合考虑性能、 费用、 周期、 安全性、 可靠性等诸方面的因素。考虑元器件失效后所带来的对人身安全、 任务完成、 经济损失、 风险程度等方面的综合影响。下表是常见的”失效效应严重程度等等级划分表”
表4.1 失效效应严重等级划分表
等级
严重程度
Ⅰ
能导致系统功能下降,对系统或周围环境或人员无危害
Ⅱ
能导致系统功能下降,对系统或周围环境或人员均无显著危害
Ⅲ
能导致系统功能丧失,其结果对系统或周围环境造成重大损失,不造成人员伤亡
Ⅳ
能导致系统功能丧失,其结果对系统或周围环境造成重大损失,并( 或) 致人员伤亡

4.1.2 寿命浴盆曲线
在现行的”气瓶安全监察规程”中, 从设计、 制造、 运输、 储存、 使用以及气瓶的材料等方面都做了严格的规定, 主要是考虑气瓶的使用寿命的问题, 防止其失效而丧失使用可靠性。为此, 运用”寿命浴盆曲线”, 对气瓶的失效进行分析, 详见下图4.1。

图4.1 典型寿命浴盆曲线图
4.1.3 失效分析
对于气瓶使用失效的分析, 本文利用”寿命浴盆曲线”, 分析从早期失效, 偶然失效( 随机失效) 和耗损失效的三种情况加以阐述[20]。
（1） 早期失效
气瓶的早期失效主要是由于设计、 制造中存在的缺陷, 以及在选取材料上不当形成的失效。气瓶在没有使用多长的时间内所发生的故障, 导致了爆炸伤亡事故的发生。
( 2) 偶然失效
气瓶的偶然失效, 主要是有些单位不能认真执行”气瓶安全监察规程”。随心所欲地使用气瓶, 使之处于使用不可靠的状态,在这种情况易造成偶然失效( 随机失效) 。
( 3) 耗损失效
由于气瓶的长期使用, 致使强度降低, 几何尺寸改变, 性能耗损, 而且韧性破坏, 疲劳破坏, 腐蚀破坏等形式出现, 由于耗损失效易形成气瓶的不安全因素和事故隐患。
4.2气瓶的疲劳试验研究
疲劳循环试验是气瓶型式试验的一项重要内容, 气瓶必须在压力循环上限值为公称工作压力条件下, 承受80000次循环, 或在试验压力条件下承受1 次循环, 不破坏才为合格[ 21], 它的核心是压力的循环的实现和控制, 在进行疲劳试验时, 按照升压-保压-降压-保压的过程完成压力循环, 并记录压力循环次数, 同时保证对加压介质和受试气瓶外壁温度的控制。为了确保安全试验, 整套试验系统必须装备有压力紧急泄放装置, 避免在超压情况造成管理、 设备损伤或人员伤害[22]。
4.2.1疲劳实验装置的发展和应用
国标GB9252-1988 《气瓶疲劳试验方法》, 不但对气瓶疲劳试验方法做了详细的规定, 提出一些试验操作要点, 而且对试验装置提出了基本要求, 使得气瓶疲劳试验装置更加完善和规范化, 也得到气瓶生产厂家的关注[23]。一方面, 气瓶生产厂家可经过疲劳试验了解气瓶生产工艺对气瓶整体性能的影响及其寿命, 有助于改进气瓶加工工艺, 提高气瓶综合性能指标; 另一方面, 复合材料气瓶生产厂家需要按规定对出厂的气瓶做气瓶疲劳试验检测。因此, 气瓶疲劳试验装置对促进气瓶生产的发展起着重要作用。
气瓶疲劳试验研究是在20世纪70年代初兴起的, 中国压力容器运行中疲劳引起的破坏受到专家的关注, 国内许多研究所和高校先后研制出压力容器疲劳试验装置[ 24]。
气瓶疲劳试验系统可分为普通式液压系统和和超高压式液压系统[25]:
普通式液压系统。它的控制回路由液压泵、 过滤器、 单向阀、 换向阀、 溢流阀、 流量调节阀及辅助元件等组成。另外, 还配有电路控制显示系统, 如电接点压力表、 压力传感器、 控制报警装置、 压力循环记数器、 试验介质温度测控装置等, 共同构成疲劳试验装置, 系统最高设计压力一般为32MPa。典型的疲劳试验装置系统如图4.2所示。特点是系统简单, 能够达到瞬间保压, 适用于循环压力为26MPa以下的各种气瓶进行疲劳试验。
超高压式液压系统。按中国的压力级别划分规则, 当液压系统或液压机械的压力超过32MPa时, 一般称为超高压, 该系统即为超高压液压系统。疲劳试验装置超高压液压系统一般由两个途径来实现:
( 1) 采用增压回路
超高压式液压系统要求系统的末端压力很高, 而系统其余部分工作压力比较低, 因此一般采用增压回路来提高系统的局部压力。由于瓶疲劳试验系统只需要增加试件端的压力就能够达到试验的目的, 因此该系统在普通式液压系统基础上在试件前端处设置了一个增压器和补油装置, 以实现局部的超高压。最简单的超高压疲劳试验系统如图4.3所示。可见这类疲劳试验装置是靠增压器来达到局部超高压压力要求的。
特点: 系统相对复杂, 增压器无现成产品, 需要专门设计及制造, 系统超高压端的工作压力取决于增压器设计压力。
( 2) 采用超高压液压元件控制回路
系统控制回路与普通式液压系统基本相似, 只是系统所选用的液压元件全部为超高压液压元件(包括液压泵), 而液压换向阀则是电磁球阀。
特点: 系统简单, 保压性能较好, 能量损失及系统发热量较少, 适合于循环压力为60MPa以下的各种气瓶进行疲劳试验。

图4.2 疲劳试验装置基本流程图[21]

图4.3 超高压疲劳实验系统[25]
近年来, 随着计算机技术的飞速进步, 计算机在疲劳实验系统中的应用研究越来越广泛, 疲劳实验系统的自动化程度也越来越高。刘东学等[26]在WINDOWS98平台上应用VC6.0系统研制的疲劳试验装置, 可在恒温恒湿的条件下进行气瓶疲劳试验, 不但能动态显示—曲线, 还能够实时显示和控制温度、 压力, 并能够在温度、 湿度、 压力产生异常时及时报警和自动停车; 周一卉等[22]采用Visual C+ +语言开发微机测控高压气瓶疲劳试验装置提供良好的与硬件直接通讯机制, 能够快速准确地读取试验信息(压力、 温度等), 整套软件包括安装文件、 执行文件及帮助文件等内容, 可经过建立于桌面上的快捷方式快速启动可执行文件, 具有快速方便进入系统、 对话框式操作、 提示充分、 图形显示、 智能判断、 实时性好、 精度高、 操作简便及易学易用等特点。由于气瓶疲劳试验具有不可重复性, 软件中还专门提供了数据自动存储功能, 特别是压力循环次数这一关键数据, 每进行20次循环, 软件自动保存循环次数, 这样即使遇到停电等意外事故, 气瓶已进行的受试次数也能被记录下来, 不至于造成试验的半途而废; 刘玉虎等[27]基于VB6.0和PLC开发的疲劳试验测控系统, 很好地完成了对测试台的自动控制, 实现了现场的数据采集、 实时显示及数据的保存与报表的生成, 提高了疲劳试验的效率与精度。本气瓶疲劳试验系统在现场运行可靠, 完全满足试验要求; 董伟伟等[28]同样基于VB6.0和PLC开发的开发测控系统, 能很好地完成对测试台的自动控制, 实现现场数据采集、 实时显示及数据的保存与报表的生成, 提高疲劳试验的效率与精度, 并使系统的装机容量下降, 这对企业节能降耗有较大好处, 该设计达到了国际先进水平。
4.2 裂纹研究
气瓶在生产过程中不可避免地存在各种大小各异的裂纹、 划伤和皱折等缺陷, 它们在受载作用下是否扩展, 是否危及气瓶的安全使用, 是制造厂家和用户都极为关心的问题。
并非所有的裂纹都会影响气瓶的安全, 这就是”allowable flaw sizes”的概念, 可是裂纹会在使用过程中可能会逐渐扩展, 危及气瓶的安全, 这就是”critical flaw sizes”, 即关键裂纹尺寸, 这些裂纹会在一定的压力下破裂, 引起安全事故。美国的API Recommended Practice 579 ”Fitness-for-Service” 标准就是用来计算关键裂纹尺寸[29]。
研究发现气瓶裂纹的撕裂方式主要是从上而下, 由几个小裂纹扩展汇合成一个大的疲劳大裂纹, 而最终引起气瓶脆性撕裂[30]。气瓶瓶嘴根部裂纹是否扩展和扩展的程度, 与裂纹所在位置应力集中程度有很大关系。可是一般来说, 裂纹深度不大于1.0mm时, 即使存在应力集中, 裂纹扩展的深度也远小于其厚度。然而一旦裂纹深度超过1.2mm时, 疲劳裂纹扩展就有可能危及气瓶的安全使用。另外收口部分的裂纹只有在应力集中的根部发生扩展, 其它部分裂纹均未发现扩展。
钢瓶的疲劳寿命Nf 一般由裂纹萌生寿命Ni 和裂纹扩展寿命Np 构成:
Nf = Ni +Np (1)
裂纹萌生寿命还没有统一定义, 有人认为[31]裂纹萌生寿命为出现约30μm长裂纹疲劳寿命; 有人认为[32]产生约60μm长的裂纹疲劳寿命, 且裂纹萌生寿命约占总寿命的40%~55%。裂纹扩展寿命Np 能够分成稳定扩展寿命和高速扩展寿命两部分。裂纹扩展寿命大部分消耗在裂纹稳定扩展阶段, 而裂纹高速扩展仅为几个循环[33]。因此, 裂纹扩展寿命主要是裂纹稳定扩展寿命。由于受试钢瓶都存在不同程度的原始裂纹, 且裂纹深度都超过了萌生裂纹的尺寸, 裂纹在疲劳试验时不但不经历裂纹萌生阶段, 而且已经进入裂纹稳定扩展阶段, 因此钢瓶的疲劳寿命都较低。
疲劳裂纹扩展到一定程度, 有效截面缩小且材料强度已无法承受载荷而引起的瞬间超载断裂。这个区域称为最终瞬时断裂区。瞬断区大小与负荷大小、 材料的强度, 疲劳裂纹大小和裂纹扩展模式等因素有关。当疲劳裂纹扩展到剩余厚度约1.34mm时, 钢瓶将发生瞬时撕裂, 实验测得的数据与计算值基本吻合[30]。
钢瓶设计总是设计成泄漏式破坏的, 然而, 泄漏设计是否有效, 不但与材料的性能有关, 而且与疲劳裂纹源的几何形状有关。对重复使用的气瓶,要保证不发生低应力破坏, 瓶体材料的断裂强度KIC和屈服强度σ0.2必须满足下式[ 34]:
[Ktcσ2] lt ≥2п ( 2)
对单疲劳裂纹源引起的疲劳失效, 初始裂纹半长度Co、 平面应变下的临界疲劳裂纹深度ac 和钢瓶壁厚t 还应满足下式[ 35]:
Co≤ 2(ac- t) (3)
单疲劳裂纹源扩展时, 失稳裂纹开始处在平面应变条件下稳定地扩展, 逐步进入平面应力条件的扩展阶段, 最终可能是泄漏的或瞬间撕裂的。对37SiMnCrNiMoV钢, ac = 4.5mm, Co≤ 2.4mm, 若初始疲劳裂纹源半长度大于2.4mm, 钢瓶在疲劳试验时, 将会发生撕裂型失效 。而初始疲劳裂纹源半长度小于2.4mm时, 钢瓶将会发生泄漏型失效。对两个或两个以上疲劳裂纹源, 设相邻两主疲劳裂纹源中心间距为L, 钢瓶满足泄漏设计的条件为[ 35]
Lc>6t (4)
即两个主疲劳裂纹源中心间距大于壁厚的六倍, 钢瓶疲劳失效时为泄漏型的。当相邻两疲劳源的中心间距满足(4) 式时,各个疲劳裂纹将会单独地按单疲劳源裂纹扩展机理进行扩展。若主疲劳裂纹初始半长度满足(3) 式, 则钢瓶将以泄漏型式失效; 但若主疲劳裂纹源初始半长度下满足(3) 式, 则钢瓶当相邻两个疲劳裂纹源的中心间距不满足(3)式, 即小于六倍壁厚时, 它们在扩展过程中将会在中间交汇。交汇后, 两个裂纹源中交汇部分扩展速度明显高于另外两侧, 随着裂纹进一步扩展, 两个裂纹源发展形成一个新的大疲劳裂纹源, 并继续扩展。由于大疲劳裂纹源半长度远大于2.4mm, 疲劳失效时为撕裂型。主疲劳裂纹源扩展到钢瓶剩余厚度t时, 钢瓶发生瞬间超载断裂。由于裂纹高速扩展, 瞬间断口宏观形貌出现剪切唇特征, 这就是多疲劳源的疲劳裂纹扩展机理[30]。
而对气瓶上、 下封头纵向开裂的原因的研究发现[36], 纵裂的产生往往是材料受到周围方向残余应力作用的结果, 从时间上看, 纵裂的发生多在拉深或多次拉深之后, 而不是整形之后。纵裂出现的位置在拉伸件口部, 且开裂是沿拉深方向产生的, 因而成为纵裂。纵裂多半是拉伸件从凹模取下的瞬间或取下后因摔碰受到一点冲击, 或短期放置后呈现出来的破裂方式, 而不是像某些筒形件时效破裂那样要放置一段时间后才能产生。当前, 还没有一种能反映纵裂成形极限的方法, 这类破裂多发生在零件的再次拉深中。气瓶上、 下封头这类深容器拉伸件, 时常也会在一次拉深成形中出现。而气瓶阀门疲劳试验发现, 气瓶阀门的阀体和阀杆的主要化学成分在试验前后无明显变化, 可是经过疲劳测试后, 阀杆的组织排列比以前混乱[37]。
5 气瓶的安全管理
美国对气瓶的安全管理采取的是全世界最严格的规范, 即DOT规范[38]。而中国气瓶检验规范立足在本国国情的基础上, 吸收了国外相应标准的成功经验, 为中国的气瓶产品质量和气瓶的安全使用方面取得了显著的成效, 当前中国气瓶管理的主要规范有[39]: 《特种设备安全法》、 《特种设备安 全 监 察 条 例》、 《危险化学品安全管理条例》、 《气瓶安全监察规定》、 《气瓶安全监察规程》、 《气瓶设计文件 鉴 定 规 则 》、 《气 瓶 使 用 登 记 管 理 规 则》、 《气瓶充装许可规则 》、 《特种设备检验检测机 构 核 准 规 则 》、 《钢 质 无 缝 气 瓶》、 《钢 质 焊 接 气 瓶》、 《钢 质 无 缝 气 瓶 检验与评定》等。
气瓶安全管理是一项与人民群众切身利益息息相关的社会公益事业, 气瓶安全管理的八个环节是设计、 制造、 充装、 运输、 储存、 经销、 使用和检验, 而充装是中心环节[40]。中国当前气瓶安全管理存在的主要问题有[41]:
( 1) 各充气站串瓶充气现象严重, 一旦发生事故, 难以排查安全责任在气瓶充装环节, 一些气瓶充装单位擅自充装非本单位产权气瓶, 而且时有违章操作, 造成气瓶过量充装或错装,导致气瓶事故大量发生。由于气瓶充装不当造成的事故已经占气瓶事故总数的60％以上。
( 2 ) 报废气瓶超期使用
( 3 ) 政府监管部门对气瓶充装、 流通等各环节缺少现代化的实时监控手段
相关部门对气瓶的管理主要靠抽查和企业自查, 一般行政手段较硬, 但技术手段却比较软。表现在一方面对气瓶的生产、 销售、 使用有一套严格的国家标准, 政府每年都要出台相关的安全管理法规和规范; 另一方面, 由于缺少可靠的技术手段, 许多气瓶仍停留在原始、 静态的管理上, 安全隐患难以消除, 许多行政管理措施因此无法真正得到落实。
作为安全管理领域非常重要的一部分, 气瓶在管理上必须要有一个科学、 先进、 完善的管理方法, 以加强危化品气瓶的政府安全监察, 落实气瓶建档、 定点充装、 定期检验等政策,建立一个可视化的动态气瓶安全管理系统。否则就会给社会、 给人民造成不必要的损失,传统的打钢印、 条码等技术手段都有一定的局限性,在气瓶使用环境比较恶劣的情况下,难以满足安全管理的要求。
为了解决上述问题, 管理系统的信息化研究当前已广泛开展, 特别是利用无线射频自动识别(RFID,Radio FrequencyIdentification)技术进行管理的研究。
RFID是”Radio Frequency Identification”的缩写, 中文意为”无线射频识别”