高压气瓶用安全装置的优化设计及应用探讨

高压气瓶用安全装置的优化设计及应用探讨

李梓瑞 康文

内蒙古自治区特种设备检验研究院乌兰察布分院 内蒙古乌兰察布市  012000

摘要：在社会经济高速发展的现代社会中，高压气瓶的应用在建筑、制造等行业都引起了关注，因此现在对高压无缝气瓶的制造和处理技术提出了更高的要求。本文主要结合高压无缝气瓶热处理工艺、模拟仿真技术等进行探究。

关键词：高压气瓶；安全装置；优化设计

为从根本上提升高压气瓶使用期间的安全性，高压气瓶的一端或两端都设置了安全装置，其主要作用为在长管拖车、管束集装箱发生火灾或压力急剧上升的情况下，用安全装置内部爆破片进行泄压处理，避免出现气瓶爆炸等更为严重的安全事故。就目前来看，高压气瓶应用范围不断扩大。部分领域为进一步提升高压气瓶的容积量，往往采用数量增多的气瓶，导致管路复杂、泄漏点较多，安全风险极高。为有效避免高压气瓶安全事故发生，在高压气瓶用安全装置中，研发出了集成式安全泄放装置，在保障泄放气瓶压力快速的情况下，也可提升气瓶用安全装置安装期间的效益，节省安全装置使用空间。

1、高压气瓶用安全装置优化

在对高压气瓶的安全装置进行优化期间，需要将安全泄放进出气口、排污管口融合在一起，便于后期管路安装以及调整。在高压气瓶数量较多的情况下，降低安全事故发生，避免不同光线之间出现相互干扰问题。以高压气瓶集成式安全泄放装置为例，该安全装置主要由四通接头、垫环、爆破片、易熔合金、压紧螺母、安全泄放口、进出气口与排污口等组成。为从根本上保障高压气瓶运行安全，集成式安全泄放装置将四通接头改用爆破片与易熔合金相组合的形式，在气瓶内部温度与压力超过安全泄放装置易熔温度与爆破压力的情况下，易熔金属熔化，爆破片的膜片自由起拱变形，并释放气瓶处压力。

高压气瓶集成安全泄放装置主要为不锈钢结构，进口处为外螺旋纹结构，共分为安全泄放口、进出气口与排污口三个管口。其中，安全泄放口主要为螺旋纹结构，进出气口主要用内螺纹的六方压紧螺母连接在一起。爆破片位于6方压紧螺母进出端加工处的凹槽内，并用夹持环以及垫环加紧固定在一起，确保爆破片与易熔合金之间的间隙适当。

六方螺母出口端加工的内螺纹不仅可用于直通接头，还可以连接放空管与弯通接头，使放空管能够进行安全放空处理。在进出气口为内螺纹的情况下，应当严格遵照布管要求，将进出气口安装在与安全泄放口相对的一侧。在高压气瓶数量较多的情况下，内部管路更加复杂，需要确保每个出口能够实现灵活调整，确保安全装置能够在避免高压气瓶爆炸等事故出现时发挥出重要作用。

为充分发挥出集成式安全泄压装置积极作用，还需要配合使用先进的多气瓶管路布局方式。要求高压气瓶中的放空口、进出气口以及排污集成管口的结构应当配合进出气口方位进行灵活调整，实现排污口自由旋转目标，确保高压气瓶能够在危险状态下得到及时泄压，降低安全事故发生几率。

2、原因分析

2.1 应力腐蚀原因

一般来讲，金属材料发生应力腐蚀必须满足3个要素，即一定的拉应力、特定的腐蚀介质环境和材料的应力腐蚀敏感性。37Mn高压钢瓶反复充装气体，内表面长期承受较大的拉应力；充装的气瓶中含有CO2和异常进入的水分，形成了复杂的腐蚀介质环境；碳酸盐溶液是低碳钢、低合金钢发生应力腐蚀开裂的敏感环境。断口的能谱分析显示，点蚀位置的主要成分为Fe、C、O，可见37Mn高压气瓶内表面发生了应力腐蚀。

2.2 腐蚀机理

关于CO2对金属材料的腐蚀机理已有诸多论证，一般为电化学腐蚀，主要是金属的阳极溶解和氢的阴极极化，总体表示为：Fe→Fe2++2e-；Fe+HCO3-→FeCO3+2e-+H+；Fe+CO32-→FeCO3+2e-。阳极反应的发生使金属表面发生腐蚀，37Mn高压钢瓶在充气服役过程中内壁承受较大的应力，在腐蚀介质和应力的共同作用下，内表面腐蚀坑逐渐加深，产生的应力腐蚀裂纹不断扩展，裂纹达到一定深度后，剩余的有效承载壁厚不足以承受内压，导致37Mn高压气瓶瓶体出现泄漏。

2.3 腐蚀疲劳裂纹扩展

与大气环境相比，金属构件在腐蚀环境下的抗疲劳性能会显著降低，而且没有明显的疲劳极限，在相同应力损伤下的腐蚀疲劳寿命缩短许多倍。研究了载荷频率对P110油管腐蚀疲劳裂纹扩展的影响，认为交变载荷相同时，腐蚀环境会加快疲劳裂纹扩展速率；腐蚀环境相同时，载荷频率越低则腐蚀损伤越严重，腐蚀产物膜疏松、易脱落，使新裸露的金属表面再次被腐蚀。研究了CO2-Cl-腐蚀介质下油管的疲劳裂纹扩展情况，认为腐蚀环境中只含有Cl-或CO2时，对材料腐蚀疲劳裂纹扩展影响较小；Cl-和CO2共存时，对该油管腐蚀疲劳裂纹扩展影响较大。

气瓶内部反复充装气体形成交变疲劳载荷，又处于CO2和水的腐蚀环境中，腐蚀介质在气瓶内壁产生点蚀坑，这些点蚀坑成为发生疲劳损伤的疲劳源，点蚀坑处不仅产生局部应力集中，明显降低材料整体强度，腐蚀作用加速了疲劳断裂，应力损伤和腐蚀损伤的相互促进加快了金属断裂，使得材料的使用寿命大幅缩短。

3、高压气瓶用安全装置优化设计要点

高压气瓶是一种重要的压力容器，在实际运输与使用期间具备较高的超压风险。科学使用爆破片等安全装置是保障气瓶安全使用的重要方式，需要对此安全装置进行优化设计，进一步增强高压气瓶用安全装置实际应用期间的技术可行性与经济适用性。

3.1 遵循现行高压气瓶用安全装置设计的标准

随着工业发展速度不断加快，高压气瓶中的日渐增多，传统高压气瓶用安全装置设计标准已被逐步淘汰。为保障高压气瓶用安全装置使用效果，需要严格遵循现行安全装置设计标准，确保设计出的安全装置能够在保障高压气瓶安全运输与使用期间发挥出重要作用。

就目前来看，高压气瓶用安全装置也针对爆破片新增了较多标准，如爆破片组件、平板型爆破片以及爆破温度及爆破允许压力差等，关于相关工作人员在安全装置实际设计期间，以设计标准为基础，不断优化装置设计方案。

3.2 选择适宜的安全装置原材料

安全装置内原材料的各项性能可直接影响到高压气瓶安全管控水平，需要在选择安全装置原材料期间，对比分析相关设计标准，要求安全装置内爆破片、夹持器、附件与涂层等材料均具有良好的抗腐蚀性，保障安全装置实际应用效果。

3.3 加强安全装置设计管理力度

安全装置设计与优化工作可直接影响到高压气瓶后期使用效果，需要相关工作人员细致分析我国高压气瓶用安全装置使用现状，合理设置爆破温度、爆破压力、爆破压力允许差值等参数。考虑到高压气瓶使用环境温度的上值为60℃，车用最高气瓶内环境为65℃，因此将高压气瓶爆破片的温度值设定在20℃，以便切实延长爆破片使用寿命，保障高压气瓶安全应用水平。结合高压气瓶应用环境特征，对设计爆破压力值进行调整。注重分析重复高压气瓶与非重复高压气瓶对安全装置应用效果的要求，合理设置爆破压力值，此两种高压气瓶的爆破片压力允许值符合实际要求。细致分析高压气瓶在实际运行期间可能出现的温度上升情况，增加可重复高压气瓶爆破片数量，要求爆破压力下限值不得小于气瓶温度升高压力的1.05倍。

3.4 高压气瓶用安全装置制造与试验方法

在高压气瓶用安全装置制造与试验过程中，需要确保所用的方式与遵循的标准统一。进一步细化安全装置材料要求，在同批材料处应当至少选取三片为试验用坯片，并进行相应的爆破试验。在爆破压力允许值不超过±2%的情况下，证明此批材料合格，其机械稳定性能较好。采用对比试验方式，对高压气瓶用安全装置进行外观检查、密封性测试、泄放量测试等，确保安全装置能够在较为恶劣的环境下也能够正常运行。

4、结语

总而言之，在高压气瓶用安全装置优化过程中，需要做好内部管路的合理布置工作。如高压气瓶数量过多，需要用集成式安全泄压装置，使管路布局更加均匀，内部空间利用率大幅度提升。

参考文献：
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[2]孙丽娜、杨丽芬、王颖.高压气瓶用安全装置的优化设计及应用[J]2020

[3]李修伟,陈广文.浅析电气自动化控制系统的应用及发展趋势[J]民营科技，2011(1)