周偉明1，曹廣濱2，肖學(xué)文，耿婉懿1，李 垚2，周 森

(1.上海市氣體工業(yè)協(xié)會(huì)，上海 200030；2.雷舸流體科技(上海)有限公司，上海 201202；3.荊門(mén)宏圖特種飛行器制造有限公司，湖北荊門(mén) 448000)

0 引言

隨著我國(guó)石油化工行業(yè)的不斷發(fā)展，危險(xiǎn)化學(xué)品的運(yùn)輸量也在迅速增加，汽車(chē)罐車(chē)運(yùn)輸在危險(xiǎn)化學(xué)品運(yùn)輸中占相當(dāng)大的比例，其本質(zhì)安全直接影響著社會(huì)公共安全。汽車(chē)罐車(chē)一旦發(fā)生事故，其危害性不可小覷，歷年來(lái)發(fā)生的特大事故，無(wú)一不證明了這一點(diǎn)。

2005年京滬高速公路淮安段“3·29”特大液氯罐車(chē)泄漏事故；2014年晉濟(jì)高速“3·1”特別重大燃爆事故；2017年臨沂金譽(yù)石化有限公司“6·5”液化石油氣汽車(chē)罐車(chē)泄漏重大爆炸著火事故等，都造成巨大的人員、財(cái)產(chǎn)損失。事后分析證實(shí)，這三起特大事故均由于安全附件配置不合理或失效而導(dǎo)致嚴(yán)重后果，最終釀成災(zāi)害。

在移動(dòng)式壓力容器中，液化氣體汽車(chē)罐車(chē)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)罐車(chē))的潛在危險(xiǎn)性大，使用和管理復(fù)雜，具有獨(dú)特的代表性。因此，本文主要以罐車(chē)安全附件為典型案例，通過(guò)對(duì)罐車(chē)高風(fēng)險(xiǎn)使用場(chǎng)合，以及其安全附件可能的失效模式和影響因素，對(duì)我國(guó)罐車(chē)安全附件失效模式相關(guān)因素進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品安全性進(jìn)行研究對(duì)比，結(jié)合中國(guó)國(guó)情，提出罐車(chē)安全附件新的設(shè)計(jì)思路，供罐車(chē)及罐車(chē)安全附件的設(shè)計(jì)、制造單位參考。

1 安全附件失效模式分析

罐車(chē)的安全附件包括安全泄放裝置、緊急切斷裝置、阻火器、導(dǎo)靜電裝置等。其中，安全泄放裝置一般分為安全閥、爆破片裝置及其組合裝置等；緊急切斷裝置一般由緊急切斷閥、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、易熔合金塞、過(guò)流控制閥等組成。

罐車(chē)主要泄漏失效有罐體裝卸口的緊急切斷裝置失效、裝卸系統(tǒng)的管路接頭失效，以及罐體的安全泄放裝置失效等，不同的失效部位均可能造成介質(zhì)大量泄漏，從而引發(fā)后續(xù)嚴(yán)重的次生危險(xiǎn)。通常情況下，罐車(chē)必需設(shè)置的安全附件為安全閥和緊急切斷閥，如圖1所示。該安全附件的選擇與設(shè)置，對(duì)罐車(chē)的安全具有舉足輕重的作用，以下對(duì)兩種安全附件的失效模式作相關(guān)分析。

(a)

(b)

(c)

圖1 罐車(chē)及安全附件結(jié)構(gòu)示意

1.1 安全閥失效模式分析

罐車(chē)安全閥用于罐體超壓泄放，主要防止罐體超壓破損。我國(guó)現(xiàn)有罐車(chē)采用法蘭連接的內(nèi)置式安全閥，設(shè)置在罐車(chē)頂部，其閥瓣開(kāi)啟處密封面以及安全閥與罐體連接處密封面均高于罐體頂部外表面較多，安全閥裸露在罐體外部的高度約100～150 mm，雖根據(jù)相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，在罐體頂部設(shè)置有罐車(chē)傾覆保護(hù)裝置(如圖2所示)，但是，罐車(chē)過(guò)橋洞因意外碰撞或翻車(chē)時(shí)，將直接或可能會(huì)損壞安全閥。

圖2 罐車(chē)傾覆保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)示意

由于罐車(chē)使用工況復(fù)雜，導(dǎo)致安全閥失效的因素較多,根據(jù)安全閥結(jié)構(gòu)形式和特點(diǎn)，以及其外力撞擊、介質(zhì)腐蝕等因素引起的失效，大致可以分為以下三種情況。

(1)在超壓或腐蝕情況下，安全閥不能正常開(kāi)啟。例如，安全閥的密封材料，因長(zhǎng)期受壓，產(chǎn)生蠕變或粘附，以致影響安全閥動(dòng)作壓力和正常開(kāi)啟、泄放；彈簧受罐體內(nèi)介質(zhì)腐蝕，脆化變硬，使安全閥動(dòng)作壓力偏高等，都使得安全閥不能正常開(kāi)啟。

(2)安全閥自身質(zhì)量問(wèn)題而產(chǎn)生意外泄放。對(duì)于彈簧直接載荷式安全閥，彈簧因受罐內(nèi)介質(zhì)壓力的變化而不斷產(chǎn)出的交變載荷作用，十分容易形成疲勞裂紋，當(dāng)裂紋不斷擴(kuò)展后易導(dǎo)致彈簧斷裂；液化氣體中含有如硫化氫等腐蝕性氣體，因其侵蝕安全閥彈簧，造成彈簧應(yīng)力腐蝕斷裂[1-2]；閥體因體積大，質(zhì)量大，抗振動(dòng)性能差，使得閥體與罐體的連接失效或斷裂；閥體及連接部件受到雨水等侵蝕，降低連接強(qiáng)度和剛度，形成安全隱患等，都使得安全閥在正常工況下泄放。

(3)在安全閥意外碰撞情況下，造成罐體泄漏。頂部設(shè)置安全閥的罐車(chē)在通過(guò)較低的橋洞或隧道時(shí)(如圖3所示)，因安全閥高于洞頂最低點(diǎn)，行車(chē)過(guò)程中未能及時(shí)剎車(chē)，從而導(dǎo)致安全閥被撞擊后斷裂而泄漏。此外，在遇到交通事故導(dǎo)致側(cè)翻時(shí)，暴露在罐體最頂部的安全閥極易受到猛烈撞擊，發(fā)生破裂損毀的同時(shí)導(dǎo)致罐內(nèi)危險(xiǎn)介質(zhì)大量泄漏、甚至拉裂罐體，造成重大安全事故。同時(shí)，在這兩種狀態(tài)下，罐體頂部設(shè)置的罐車(chē)傾覆保護(hù)安全閥裝置將有可能起不到對(duì)安全閥的保護(hù)作用。筆者認(rèn)為，對(duì)于此類(lèi)因安全閥高出罐體結(jié)構(gòu)而造成事故的風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)合國(guó)際成熟產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，可降低意外事故的發(fā)生。

圖3 液化石油氣汽車(chē)罐車(chē)安全閥撞擊泄漏事故現(xiàn)場(chǎng)

1.2 緊急切斷閥失效模式分析

緊急切斷閥的主要功能是，當(dāng)罐車(chē)在裝卸作業(yè)時(shí)，可能遇到裝卸管脫落、火災(zāi)等緊急情況，可通過(guò)采取手動(dòng)或自動(dòng)的方式來(lái)快速關(guān)閉閥門(mén)，使罐體儲(chǔ)運(yùn)介質(zhì)不發(fā)生大量外泄。同時(shí)，通過(guò)內(nèi)置過(guò)流保護(hù)裝置，當(dāng)通過(guò)緊急切斷閥的介質(zhì)流量超過(guò)設(shè)定值時(shí)，緊急切斷閥能夠起到自動(dòng)關(guān)閉作用，避免事故和危害。

緊急切斷閥正常工況下使用，其本身出現(xiàn)突發(fā)狀況導(dǎo)致失效的可能性較少。其失效往往是因?yàn)橥獠吭蛟斐傻?，如汽?chē)的追尾或側(cè)翻、操作不當(dāng)、外力沖擊、火災(zāi)等情況，破壞了閥體或開(kāi)啟關(guān)閉機(jī)構(gòu)而不能發(fā)揮其緊急切斷作用，從而引發(fā)意外泄漏，導(dǎo)致事故。對(duì)于這些外部原因?qū)е碌囊馔馐?，需要考慮閥的優(yōu)化和改進(jìn)。通過(guò)國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)的緊急切斷閥結(jié)構(gòu)對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，在突發(fā)意外或操作不當(dāng)情況下，引起閥體破壞或斷裂時(shí)，歐美等國(guó)家在閥體結(jié)構(gòu)上采取設(shè)有剪式結(jié)構(gòu)(又稱(chēng)剪切槽結(jié)構(gòu))的安全機(jī)構(gòu)，來(lái)避免罐體內(nèi)的氣體或液體大量泄漏，防止產(chǎn)生次生災(zāi)害。圖4,5示出國(guó)內(nèi)外典型的罐車(chē)用緊急切斷閥的結(jié)構(gòu)，可清晰地看出有無(wú)剪式結(jié)構(gòu)的差異。

圖4 國(guó)內(nèi)典型緊急切斷閥結(jié)構(gòu)示意

圖5 國(guó)外典型緊急切斷閥結(jié)構(gòu)示意

2 安全附件新設(shè)計(jì)思路

為提高罐車(chē)安全性，針對(duì)其存在的問(wèn)題，調(diào)研國(guó)際上同類(lèi)產(chǎn)品的安全舉措，并結(jié)合我國(guó)國(guó)情，對(duì)我國(guó)該類(lèi)安全附件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，下文就新的設(shè)計(jì)思路、結(jié)構(gòu)和功能作簡(jiǎn)要說(shuō)明。

2.1 安全閥

目前，我國(guó)普遍使用的罐車(chē)為法蘭連接的內(nèi)置式安全閥，主要設(shè)置在罐車(chē)頂部，成為罐車(chē)的最高點(diǎn)。當(dāng)罐車(chē)發(fā)生碰撞或側(cè)翻時(shí)，該類(lèi)安全閥極易發(fā)生密封失效，導(dǎo)致罐內(nèi)危險(xiǎn)介質(zhì)大量泄漏。這類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)的存在與安全閥的高度相關(guān)，成為安全閥失效模式中特別突出的問(wèn)題。但是，由于我國(guó)內(nèi)置式安全閥采用法蘭式連接方式的本身結(jié)構(gòu)原因，無(wú)法對(duì)閥體高度進(jìn)行大幅度優(yōu)化和改進(jìn)。

因此，經(jīng)過(guò)大量考察、收集和研究工作，發(fā)現(xiàn)在歐美等危險(xiǎn)品運(yùn)輸發(fā)達(dá)國(guó)家汽車(chē)罐車(chē)采用安全閥的閥體連接方式一般為錐密封管螺紋(如NPT螺紋)形式，這種連接形式可以很大程度上減小閥體體積和整個(gè)閥的質(zhì)量；并且，錐螺紋密封，既保證了閥的防松和抗振動(dòng)性能，又有利于閥的密封可靠，避免了法蘭連接中非金屬密封件的老化。但是，由于我國(guó)移動(dòng)式壓力容器定期檢驗(yàn)要求，安全閥需每年進(jìn)行拆卸校驗(yàn)，而錐螺紋需要依靠相應(yīng)的扭矩安裝來(lái)實(shí)現(xiàn)密封效果，反復(fù)拆卸將容易破壞螺紋。因此，結(jié)合國(guó)情，特別提出采用直螺紋結(jié)構(gòu)的新型安全閥來(lái)實(shí)現(xiàn)完全下沉式安裝，如圖6,7所示。新型直螺紋安全閥結(jié)構(gòu)主要特點(diǎn)為：可以反復(fù)拆裝，在螺紋下面設(shè)置密封圈，一方面避免非金屬材料的密封圈接觸空氣老化；另一方面阻止了罐內(nèi)介質(zhì)直接接觸螺紋，造成螺紋應(yīng)力腐蝕。另外，在螺紋頂端增設(shè)防火墊片，既可以有效防止意外火災(zāi)時(shí)對(duì)橡膠密封圈的損壞，也可以阻止雨水或外界雜質(zhì)侵蝕閥體螺紋。對(duì)于采用這種直螺紋連接的形式，可以保證閥體與國(guó)外錐螺紋連接形式具有同樣小的體積和同樣輕的質(zhì)量，且可以進(jìn)一步降低安裝高度，使安全閥與罐體頂部基本齊平。在細(xì)節(jié)上，新結(jié)構(gòu)安全閥還設(shè)置有防松鎖緊螺釘，使閥整體的抗振性能加強(qiáng)；安全閥彈簧的設(shè)計(jì)采用大的長(zhǎng)細(xì)比，可有效減少?gòu)椈善跀嗔训娘L(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，通過(guò)設(shè)置防雨保護(hù)蓋，解決了可能因積水而影響安全閥正常泄放的問(wèn)題。

圖6 傳統(tǒng)安全閥結(jié)構(gòu)示意

圖7 新型直螺紋安全閥結(jié)構(gòu)示意

這種新型直螺紋完全下沉式安裝的安全閥，其連接可靠、拆裝方便，可以滿(mǎn)足我國(guó)定期檢驗(yàn)的基本要求，且同等泄放量下，其直徑大幅度減小，從而減輕安全閥閥體重量，增強(qiáng)抗振動(dòng)性能，更加安全、經(jīng)濟(jì)。特別要說(shuō)明的是，該新型安全閥的整體質(zhì)量只有目前市場(chǎng)上同等法蘭型安全閥質(zhì)量的1/5。

2.2 緊急切斷閥

對(duì)于罐車(chē)發(fā)生裝卸軟管意外脫落、管路元件的破損斷裂、火災(zāi)等事故工況時(shí)，緊急切斷閥都可以及時(shí)關(guān)閉，對(duì)罐車(chē)起到很好的安全防護(hù)作用。如前文所述，罐車(chē)遇到追尾或側(cè)翻等意外交通事故時(shí)，緊急切斷閥的失效多發(fā)生在因閥體受外力沖擊而斷裂時(shí)；并且，由于閥體部分裸露在罐體外部，在遇到巨大外力沖擊時(shí)，斷裂易發(fā)生在閥體部分，罐車(chē)儲(chǔ)運(yùn)介質(zhì)向外泄漏，以致造成不可控的災(zāi)害。

圖8 新型緊急切斷閥結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)歐美的緊急切斷閥有兩個(gè)突出的特點(diǎn)：(1)如安全閥一樣，其緊急切斷閥多采用錐螺紋連接，同樣，這種連接形式可以使閥體體積和整個(gè)閥的質(zhì)量大幅度減小，增強(qiáng)了抗振動(dòng)性能，提高密封性能，在此不再贅述；(2)國(guó)外的緊急切斷閥在閥體與罐口連接處都設(shè)計(jì)成剪式結(jié)構(gòu)[3]。剪式結(jié)構(gòu)設(shè)在閥體根部，其設(shè)計(jì)尺寸依據(jù)指定載荷下的計(jì)算結(jié)果確定，以確保當(dāng)閥體受到外力沖擊時(shí)，閥體在剪式結(jié)構(gòu)處最先斷裂，且此時(shí)法蘭或錐螺紋與罐體凸緣連接正常，處于罐體內(nèi)部的閥門(mén)密封部件沒(méi)有受損，可以自行閉止密封或利用內(nèi)外壓差啟動(dòng)過(guò)流保護(hù)裝置，防止介質(zhì)大量泄漏。這種剪式結(jié)構(gòu)大大增加了緊急切斷閥的安全性，值得我國(guó)借鑒和利用。由此，提出新型緊急切斷閥采用剪式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概念，優(yōu)化閥體結(jié)構(gòu)，如圖8所示，其作用機(jī)理如圖9所示。當(dāng)緊急切斷閥受外力碰撞或撬動(dòng)時(shí)，閥體最先從剪式結(jié)構(gòu)處分離，留在罐內(nèi)的緊急切斷閥依然保持密封狀態(tài)，避免介質(zhì)大量泄漏。

圖9 新型緊急切斷閥剪式結(jié)構(gòu)工作原理

關(guān)于剪式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和測(cè)試的相關(guān)技術(shù)要求，可以參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)TTMA RP No.86-15[4]、UL 125[5]以及歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 13175[6]等的規(guī)定。

3 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)與國(guó)外的罐車(chē)安全附件有一個(gè)明顯的區(qū)別，即國(guó)外安全附件連接方式多采用錐螺紋連接，而國(guó)內(nèi)則采用法蘭連接。國(guó)內(nèi)采用法蘭連接主要是考慮定期檢驗(yàn)周期，便于安全附件反復(fù)拆卸和安裝。但是，通過(guò)比較，法蘭連接往往體積大、質(zhì)量大，并且有一定的外露高度，既不經(jīng)濟(jì)，也不安全。同時(shí)，法蘭連接的強(qiáng)度取決于單個(gè)螺栓螺紋連接的強(qiáng)度，其連接方式在受外力沖擊時(shí)與閥體整體螺紋連接相比，沒(méi)有任何優(yōu)勢(shì)。相對(duì)而言，錐螺紋連接可以使閥的體積和質(zhì)量大大減小，通過(guò)相應(yīng)的扭矩安裝，錐螺紋干式密封，保證連接可靠，密封有效；但其缺點(diǎn)是，不能反復(fù)拆卸安裝。查閱國(guó)際上有關(guān)的技術(shù)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)現(xiàn)歐美應(yīng)用此結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，其定期檢驗(yàn)周期都是5年一檢或10年一檢[7]。例如，美國(guó)丙烷氣體協(xié)會(huì)(NPGA)就3500加侖以下的小型罐車(chē)安全附件延長(zhǎng)檢驗(yàn)周期到10年，經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的測(cè)試和驗(yàn)證，并最終通過(guò)美國(guó)交通部(DOT)的認(rèn)可。

我們也注意到，國(guó)內(nèi)安全閥時(shí)有彈簧斷裂的情況發(fā)生，所以更需重視每年進(jìn)行檢查，從而防止安全閥的失效。經(jīng)過(guò)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)問(wèn)題值得關(guān)注：(1)彈簧材料耐硫化氫腐蝕性能必須提高，現(xiàn)市場(chǎng)上已有專(zhuān)門(mén)耐硫化氫腐蝕的彈簧材料，在今后的材料應(yīng)用上可考慮使用；(2)建議加大彈簧的長(zhǎng)細(xì)比，以減少?gòu)椈砷L(zhǎng)期受壓狀態(tài)下的疲勞斷裂風(fēng)險(xiǎn)。以上這些問(wèn)題，與提高安全附件產(chǎn)品的可靠性密切關(guān)聯(lián)。此外，在能夠消除產(chǎn)品失效隱患的情況下，如果考慮延長(zhǎng)我國(guó)安全技術(shù)規(guī)范對(duì)安全附件的檢驗(yàn)周期，安全附件可采用錐螺紋結(jié)構(gòu)，既可以保證安全、提高經(jīng)濟(jì)性，也減少了檢修頻次，避免不必要的引發(fā)安全事故因素，例如，檢修時(shí)氣密性檢測(cè)，罐內(nèi)殘液的排放和處理，閥門(mén)多次安裝的密封面損傷、失效等。

綜上，本文認(rèn)為通過(guò)選用優(yōu)化改進(jìn)結(jié)構(gòu)的安全閥、緊急切斷閥等安全附件，可以解決目前我國(guó)汽車(chē)罐車(chē)關(guān)鍵安全附件在實(shí)際使用工況下存在的多種潛在安全隱患，大幅提升我國(guó)汽車(chē)罐車(chē)本質(zhì)安全性能，有效地降低因各類(lèi)意外事故引起的災(zāi)害及次生災(zāi)害發(fā)生概率，為我國(guó)汽車(chē)罐車(chē)運(yùn)輸安全提供強(qiáng)有力的保障。