LPG容器超量灌装的危险性分析

2022-09-12

一、概述

在计算储罐的允许最大充灌质量时, 会取一个合适的装量系数。如果发生超量灌装, 即灌装量超过最大灌装容积, 当容器达到最大工作温度时, 其内部液相膨胀后体积会大于容器的容积, 会使得容器的壳体发生很大的应变, 导致应力急剧的增大。当应力超过容积壳体材料的强度极限时, 会引起容器的破裂从而引发安全事故[3]。

二、LPG容器超量灌装危险性分析

1. LPG容器的设计和充灌要求[4,5]

设计温度和设计压力是LPG容器设计的基本参数。固定式液化石油气储罐的设计压力应按不低于50℃时混合液化石油气组份的实际饱和蒸气压来确定。一般取50℃作为设计温度。若无实际组分数据或不做组分分析, 其设计压力应不低于表1的规定压力。

实际应用中, 液化石油气的充灌量的确定应按照下式计算:

式中W——储存量, t;

ϕ——装量系数, 一般取0.9, 对容器容积经实际测

定者, 可取大于0.9, 但不得大于0.95;

V——压力容器的容积, m3;

ρt——设计温度下的饱和液体密度, t m3。

2. LPG容器超量灌装破裂危险性分析

如果LPG灌装过程中出现超量灌装的情况, 特别是一旦灌装过程中出现容器充装率达到100%时, 容器温度的升高会给安全带来很大的隐患。由于温度升高导致容器内的压力上升是非常迅速的, 很容易达到容器的爆破压力。

在灌装温度T1下, LPG全灌装体积为V1 (等于容器的几何体积V0) , 压力为p1。当容器内温度升高至T2时, 如果液相不受容器容积的限制, 液相的体积的将增至V2, 且有:

式中β——液化石油气在温度区间的平均体积膨胀系数, ℃-1。

同时, 由于超压的存在, 温差的存在, 容器又会发生线膨胀和容积膨胀, 容器容积有初始的几何容积V0增至V'0, 且有:

式中β0——容器材料的线膨胀系数, ℃-1;钢制容器的线膨胀系数的取值一般为12×10-6℃-1

M——容器在内压下的容积增大系数。液化石油气钢瓶容积增大系数可通过表2数据进行取值[6]。

Δp——超压引起的压力增量, Mpa。

当液相膨胀后的体积超过容器的容积时, 液相将受到压缩, 满足下式关系:

将式 (2) 和式 (3) 代入式 (4) , 得:

由于3αβΔT和αM很小, 可以忽略, 进而有:

该式反映了当容器在容积充装率为100%超量灌装时, 每升高单位温度引起的容器内超压量的增加值。

容器的爆破压力可由下式计算:

式中pk——容器的爆破压力, Mpa;=1

x——对于圆筒形容器x, 对球形容器x;

σb——容器材料的强度极限, Mpa;

δ——容器的壁厚, m;

D——容器的内径, m。

同时, 一旦高压容器发生破裂, 容器中的高压介质会释放出巨大的能量, 从而对周围的设施和人员产生破坏性的影响。破裂能量可以根据Broad公式计算[1]:

式中E——破裂的能量, MJ;

p1——容器内介质的初始压力, Mpa;

p0——大气压力, Mpa;

κ——绝热指数;

V——容器的体积, m3。

三、算例

例:分析100 m3LPG圆筒形储罐在全充满液化石油气 (充灌丙烷) 危险性。

已知储罐筒壁外径D=3240mm, 壁厚δ=20mm, 罐体钢材16 Mn R, 强度极限σb=490Mpa, 储罐的设计压力为1.77 Mpa, 最高工作压力1.61 Mpa, 设计温度—19~50℃。LPG体积膨胀系数β=3.06×10-3℃-1, 储罐钢材线膨胀系数β0=12×10-6℃-1, LPG压缩系数α=1.38×10-3Mpa-1, 储罐的容积增大系数M=4.74×10-4Mpa-1, 起始灌装温度为t1=15℃, 起始压力为p1=0.64Mpa (表压) 。

分析:根据已知条件分析温度升高时, 储罐内压力上升情况, 由式 (7) 求得:

储罐的爆破压力由式 (8) 求得:

那么, 可以分析得到当温度上升4℃时, 储罐内的压力

这表明当该LPG储罐充满液化石油气 (丙烷) 时, 当使用温度高于灌装温度不到4℃时, 便可以使得储罐内压力超过储罐的爆破压力而产生破裂。这个压力也是远远大于储罐的设计压力值的。我国大部分地区, 冬季或夏季昼夜温差为10℃左右或者更大, 可见LPG容器一天经历10℃以上的温度变化是很正常的。过量灌装导致容器破裂的危险是必然存在的[3]。

由于超压破裂释放出来的能量可以通过式 (9) 进行计算:

这一能量相当于362 kg的TNT当量。储罐在超压破裂后即使不发生燃烧爆炸, 其释放的能量也会对周围的设施产生破坏性影响。

摘要：阐述了液化石油气 (LPG) 容器的灌装要求。分析LPG容器超量灌装过程并结合一个算例说明超量灌装的危险性。

关键词：LPG容器,超量灌装,危险性