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气体冲装系数理论


低压液化气瓶设计与充装过程防火技术的理论研究

中国消防在线 | 时间: 2007-05-24 | 文章来源:

作者:上海市消防局防火监督部重点处

谢佳

【摘要】本文简述了石油化工企业中广泛使用的低压液化气体气瓶的定义和结构,对其在

化工生产中所占据的重要性和火灾危险性作了

简要的分析,着重阐述了低压液化气体气瓶设计、

充装过程中的防火安全技术和日常安全管理措施。

【关键词】气瓶 低压液化气体 设计 充装 防火技术

1.低压液化气瓶的定义和结构简述

通常所谓气瓶, 是指在正常环境下 (-40℃~60℃) 可重复使用的公称工作压力为 1。 0~30Mpa

(表压),公称容积为 0。4~1000L 的盛装永久气体、液化气体或溶解气体的移动式压力容器,

它是现代化工业生产中使用最为普遍的一种移动式压力容器。有些气瓶中盛装的气体经降温、

加压过程液化后,瓶内保持气、液相平衡状态。这些气瓶的充装压力一般不超过 10Mpa,习惯上

把充装这些气体的气瓶称为低压液化气瓶。低压液化气瓶的结构形状有二种,一种是容器两端

不相对称的,有头部和底部之分,形如瓶状,容积较小,一般都在 200L 以下,常用的为 40L 左

右;另一种是桶状,两端封头对称,容积较大,约为 200~1000L。国家关于压力容器的安全规定

原则上对气瓶也是适用的,但气瓶相对于其它压力容器有一些特殊性,为此,国家职能部门专

门制定了《气瓶安全监察规程》。本文亦基于低压液化气瓶的部分特殊性,对其设计、充装过

程中以及部分日常维护保养的防火安全技术加以研究。

2.低压液化气瓶在生产中的重要性和火灾危险性

低压液化气瓶在化工生产中的应用十分广泛。在化工生产中,大量的反应介质或半成品、

成品都需要以低压形式或永久或临时性存在。低压液化气瓶具有占地小、便于移动、操作简单

等优点,因此承担着存储、中转这些物质的需要。但由于气瓶的工作条件带有一定的压力并且

可能由于工艺条件的波动造成压力超标,加之盛装物质可能具有一定的易燃、易爆、毒害或腐

蚀等危险性,低压液化气瓶的材质有可能会强度下降,产生疲劳和腐蚀。此外,气瓶的频繁重

复被使用,可能会造成阀门和安全附件的可靠性降低,如果忽略定期检测,就很容易发生破坏

性事故,而且其事故损失要比一般性设备事故造成的损失大。据统计,在石油化工企业中每年

压力容器事故约占所有设备事故的一半以上,其中由低压液化气瓶造成的事故在其中占有相当

的比例。因此,加强对化工企业中被广泛使用的低压液化气瓶的安全管理是很重要的。

尽管如此,但事故也并非完全无法避免。低压液化气瓶的运行也有其客观规律,只要掌握

了它的特点,在设计、选材、制造、充装、使用和日常维护保养和安全管理上采取一系列有效

的措施,其事故是可以避免的。

3.低压液化气体气瓶过量充装的火灾危险性和压力增量计算

3。1 过量充装的火灾危险性

低压液化气瓶在使用温度范围内,总是以饱和液体状态存在的,其内部是气、液相平衡状

态。如果充装过量,当环境温度升高时,瓶内液体随温度的升高而不断膨胀,并达到新的气液

平衡,饱和蒸气压增大。饱和蒸气压升高和液体膨胀的双重作用,即可使瓶内压力大幅度增加,

当压力增至气瓶材质的耐压极限时,即有可能由于材质无法承受过高压力而发生物理性爆炸,

瓶内气体爆发式外泄起火,发生爆炸。因此,要对低压液化气体气瓶过量充装的增压量进行计

算,以准确掌握事故发生的客观规律,从而在工艺操作中加以控制以避免火灾、爆炸事故的发

生。

3。2 过量充装的压力增量计算

3。2。1 不考虑气瓶体积形变时的增压量计算

设气瓶在温度 t1 时,瓶内充满液体气体,此时瓶内的压力为 P1(此即所装液化气体在温度

t1 时的饱和蒸气压力),当气瓶内的液体温度由 t1 升至 t2,则液体的体积由 V1 增大至 V2

V2=V1+β(t2-t1)V1=V1(1+β△t)

(3—1)

式中β—液化气体由温度 t1 至 t2 时的平均体积膨胀系数,L/℃;

△t—液化气体的温度差,℃。

气瓶的体积为常数,于是液体的体积将受到压缩,压力升高

(3—2)

式中α—液体在△t 范围内体积的平均压缩系数,L/Mpa(绝);

△P—压力增量,Mpa。

将式(3—1)代入式(3—2)得

(3—3)

△P 表示在△t 温度变化范围内,气瓶由饱和蒸气压力上升的压力增值,即液体的不可压缩

性形成的。△P 与液体的体积膨胀系数成正比,与压缩系数成反比,而这两个系数相差甚大,有

时达一个数量级,例如在 20℃的温度下,液氯的α=170×10-5Mpa-1,β=210×10-5℃-1;而在

60℃时其α=330×10-5Mpa-1,β=278×10-5℃-1。

3。2。2 考虑气瓶形变时的增压量计算

式(3—3)的推导是基于气瓶受液体膨胀的压力时,体积形状无变化的假定基础上的。而

在生产实际中,低压液化气体钢瓶在瓶内气液相受热膨胀时,其本身体积也会产生一定程度的

膨胀。同时,瓶体在达到材料的屈服极限之前,会随着内压的增加而产生弹生变形量,则使气

瓶的实际所受压力有所降低。

设气瓶内的液体温度由 t1 升高至 t2,考虑到气瓶的体积增加和弹性形变量,气瓶的实际体

积由 V1 增大到 V2’,气瓶内的压力增加△P’,则

V2’=V1+M△P’V1+N(t2-t1)V1

(3—4)

或 V2’=V1(1+M△P’+N△t)

(3—4a)

式中

M—气瓶在压力升高时的容积增大系数,L/Mpa(绝),在气瓶的弹性范围内,M 值

为与气瓶的 K 值(气瓶的外径和内径之比)的关系,如表(3—1)所示;

N—气瓶在温度升高时的体积膨胀系数,L/℃,对于钢质气瓶,若忽略气瓶两端对筒体变形

的影响,可取 N 为 3 倍钢材的线膨胀系数,而 N=36×10-6/℃。

表 3—1

钢质气瓶在内压作用下的容积增大系数

(在弹性范围内)

K 1。02 1。03 1。04 1。05

M,MPa-1 4。8×10-4 3。2×10-4 2。4×10-4 1。94×10-4

K 1。06 1。07 1。08 1。09

M,MPa-1 1。63×10-4 1。4×10-4 1。23×10-4 1。1×10-4

K 1。10 1。15 1。20 1。50

M,MPa-1 1×10-4 7。3×10-6 5。6×10-6 2。85×10-7

气瓶实际所受到的压缩情况为

(3—5)

将式(3—1)式(3—4a)代入式(3—5),得

(3—6)

上述计算仅限于钢质气瓶在弹性范围内的体积变化,如果超出此范围,气瓶将会产生塑性

变形而迅速膨胀,瓶内压力急降,这是《气瓶安全监察规程》所禁止的危险情形。

4.低压液化气体气瓶的设计压力和充装量

气瓶的设计压力要求不低于最高工作压力,而气瓶的最高工作压力取决于它的充装量和最

高使用温度。气瓶的充装量,对于液化气体是指气瓶在单位容积内所装气体的重量。最高温度

则是指气瓶在充装气体后允许达到的最高使用温度。根据我国所处的地理条件,《气瓶安全监

察规程》规定最高使用温度为 60℃,亦即以所装气体在 60℃时的压力作为气瓶的设计压力。

4。1 低压液化气体气瓶的设计压力

低压液化气体又称高临界温度液化气体,即其临界温度下 Tc>;60℃,瓶内呈气液两相共存

状态,在整个使用过程中内部压力始终保持为贮存温度下的饱和蒸气压力。由于液化气体的饱

和蒸气压力是温度的函数 P=f(T),所以它的最高工作压力即为气体在最高使用温度下的饱和蒸

气压力。例如氨、氯、丙烯、二氧化硫等均属于低压液化气体。目前我国的低压液化气体气瓶

的设计压力规定为 5、3、2、1Mpa(表压)等四级。

4。2 低压液化气体气瓶的充装量

低压液化气体气瓶随着温度升高,除瓶内饱和蒸气压力增大外,瓶内液体也要膨胀,故而

随着温度的升高,气相空间逐渐减小,当温度升高到一定程度后,液体就会充满瓶内容积,此

时如温度继续增加,液体的膨胀就会导致瓶内的压力急剧加大,以致造成爆炸。因此,为了避

免气瓶因液体膨胀而产生过高压力,就必须使瓶内的液化气体充装系数不大于所装液化气体在

60℃时的液相密度,一般取低压液化气体气瓶的充装系数为所装液化气体在 60℃时液相密度的

0。95~0。98 倍。以保证气瓶的压力不会超过所装液化气体在 60℃时的饱和蒸气压力。即低压

液化气体气瓶的充装系数为

φ≤(0。95~0。98)ρ

(4—1)

式中ρ为液化气体在温度为 60℃下的液相密度,单位为 kg/L。

各种液化气体在任一温度下的密度可按下式计算

(4—2)

式中的ω和ω0 分别为液化气体在温度为 60℃和 T0 时的液体膨胀系数,可由饱和液体的膨

胀系数图中分别查得。

多组分饱和液体的密度,则应以假临界压力 Pc’和假临界温度 Tc’来代替 Pc 和 Tc 计算 Pr

和 Tr。

常用的低压液化气体气瓶的充装系数见表(4—1)。

表 4—1

常用低压液化气体气瓶的最大充装系数,kg/L

气体名称 充装系数 气体名称 充装系数

氨氯溴化氢二氧化硫硫化氢四氧化二氮碳酰二氯(光气)氟化氢丙烷环丙烷正丁烷异丁烯

(2-甲基丙烯)1-丁烯 1,3-丁二烯六氟丙烯(全氟丙烯)二氯二氟甲烷(F-12)二氯氟甲烷(F-21)

二氟氯甲烷(F-22)二氯四氟乙烷(F-114) 0。531。251。191。230。661。301。250。830。410。

530。510。530。530。551。061。141。251。021。31 二氟氯乙烷(F-142)三氟乙烷(F-143)偏

二氟乙烷(F-152a)氯甲烷(甲基氯)氯乙烷(乙基氯)氯乙烯溴甲烷(甲基溴)溴乙烯(乙烯基溴)甲

胺二甲胺三甲胺乙胺甲醚(二甲醚)乙烯基甲醚(甲基乙烯基醚)异丁烷(2-甲基丙烷)丙烯二氟溴

氯甲烷(F-12B1)三氟氯乙烯环氧乙烷(氧化乙烷) 0。990。660。790。810。800。821。571。370。

600。580。560。620。580。670。490。421。621。100。79

(工业企业防火工程,第 623 页,个别品名经纠正)

5.低压液化气瓶充装过程中的日常安全管理措施

5。1 专瓶专用,加强检查

气瓶在充装过程中,必须严格防止气瓶中气体混装,特别是性质相抵触气体的混装,可燃

气体与助燃气体的混装,以防止因化学反应导致爆炸事故。产生混装的主要原因:一是气瓶使

用时间长或瓶体表面因腐蚀作用,瓶面漆色和标志模糊,难以辨识;二是对气体混装的危险性

认识不够,轻易更换气瓶的灌装介质。为了避免出现混装的情况,充装岗位的作业人员应做到:

一要熟悉常用的气瓶外表面和气体名称字样的漆色,并了解某些气瓶的特征。部分常用气瓶外

壁和标志的漆色见表(5—1);二要专瓶专用,如特别需要改装其它气体,需要严格磅压、清

洗,并换装相应的安全附件和瓶体字样、漆色。符合改装介质的充气条件后方可使用;三要在

充气前对气瓶进行检查。检查内容包括瓶体外观、安全附件、耐压检测、瓶内余压等。

表 5—1 部分常用气瓶外壁和标志的漆色



类 外壁漆色 字



氢气氧气液氨液氯氮气空气二氧化碳乙炔液化石油气 深绿天蓝黄草绿黑黑铝白黑灰白 红

黑黑白黄白黑白红

5。2 控制流速,留足余压

用完的气瓶应留有余压,以防止倒灌混入其它气体或杂质。用于化学反应的气瓶不能和反

应器直接相连,在瓶与反应器之间必须设缓冲器,缓冲器的容积要保证,使之在发生倒灌时能

容纳反应器的物料,而不使物料反冲至钢瓶。气瓶在充装和使用过程中,阀门开启在缓慢,控

制流速不可过快,以防出口速度过快产生高温和静电。开启阀门时不能用铁器敲击瓶阀;开启

氧气瓶的手或手套上严禁沾有油脂。每种气体要有专用的减压器,性质相抵触气体的减压器不

得混用。

5。3 控制质量,严禁过量充装

在充装过程中,要严格把好气体质量关,严格执行标准。如乙炔气中含有的 H2S 若超过 0。

15%就能自行燃烧;含水就会对气瓶产生腐蚀;如干燥的 O2、不含水分的 CO 和 CO2 的混合气,

在常温下对瓶体无腐蚀作用,含有水分后,就会发生进展很快的应力腐蚀,几个月的时间可使

瓶体穿孔。又如纯的 N2O4 几乎不腐蚀钢材,但当含水量超过 0。1%时,钢材就会受到强烈腐蚀。

因此,初次使用或定期检验经水压试验的钢瓶,在充气前应予以干燥;若充装可燃性气体,

还须将瓶抽真空或者用干燥氮气置换,以防瓶内形成可燃性混合气体;液化气瓶要避免低温充

装,防止因钢材冷脆而破裂。

在充装过程中,要严格防止充装过量。为此,要落实以下几项措施:一是充装作业要专人

负责,充装人员应定期考核;二是重量复检,量具要定期校验;三是设置自动计量和超量报警

设备;四是要加强对安全装置和附件的维护保养和日常检查。

【参考文献】

1.国家质量技术监督局,气瓶安全监察规程,2000

2.全国气瓶标准化技术委员会,气瓶技术标准汇编,中国标准出版社,2001

3.崔克清,化学安全工程学,辽宁科学技术出版社,1985

4.华东化工学院、浙江大学,化工容器设计,湖北科学技术出版社,1985

5.高忠白,压力容器安全管理工程,华东化工学院出版社,1992

6.惠中玉,工业企业防火工程,公安大学出版社,1994

7.周忠元、陈桂琴,化工安全技术与管理,化学工业出版社,2001

8.田兰,化工安全技术,化学工业出版社,1984


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