LPG容器超量灌装的危险性分析
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 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]。由于 3αβΔT 和 αM 很小，可以忽略，进而有： Δp ΔT = β - 3β0 α + M （7） 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：
pk = 2xσ bδ D
（8）
式中 pk ——容器的爆破压力，Mpa ； x ——对于圆筒形容器 x = 1，对球形容器 x = 2 ；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]：
定压力。 表1 液化石油气储罐的设计压力E = p1 - p0 κ - 1 V （9） 式中 E ——破裂的能量，MJ ； p1 ——容器内介质的初始压力，Mpa ；混合液化石油气50℃饱和蒸气压力（ Mpa ）设计压力 （ Mpa ）小于异丁烷50℃饱和蒸气压力0.8
大于异丁烷50℃饱和蒸气压力且小于丙烷50℃ 饱和蒸气压力1.77大于丙烷50℃饱和蒸气压力2.16
实际应用中，液化石油气的充灌量的确定应按照下式计算：
W = ?Vρt (1)
式中 W ——储存量，t ； ? ——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 V（1 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：
V2 = V 1 + β(T2 - T1)V1 = V1(1 + βΔT)= V0(1 + βΔT) （2）式中 数，℃-1。β ——液化石油气在温度区间的平均体积膨胀系同时，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 V0' ，且有：
V '
0 =(1 + 3β0ΔT + MΔp)V0（3）
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 。
表2 液化石油气钢瓶的容积增大系数 M ( Mp-a1 )K = D 外/D内1.0 21.0 31.0 41.0 51.0 61.0 71.0 81.0 91.1 11.1 51.21.5M × 10-44.7 43.0 62.3 71.9 11.6 11.3 81.2 11.0 90.9 90.7 20.5 50.2 8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：
V2
- V '
0
V '
0
= αΔp（4）
式中 α ——液化石油气的压缩系数，Mp-a1 ；将式(2)和式(3)代入式(4)，得：
(1 + βΔT)V0 -(1 + 3β0ΔT + MΔp)V0
(1 + 3β0ΔT + MΔp)V0 = αΔp（5）
Δp
ΔT =
β - 3β0
α + M - 3αβΔT + αM （6）
σ
b ——容器材料的强度极限，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 m3 LPG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 MnR ，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 × 10-3Mp-a1 ，储 罐 的 容 积 增 大 系 数M = 4.74 × 10-4Mp-a1 ，起 始 灌 装 温 度 为 t1 = 15 ℃ ，起 始 压 力 为p1 = 0.64Mp（a 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：
Δp
ΔT =
β - 3β0
α + M =
3.06 × 10-3 - 3 × 12 × 10-6
1.38 × 10-3 + 5 × 10-4 = 1.61Mpa/ ℃
储罐的爆破压力由式(8)求得：
pk =
2xσ
bδ
D =
2 × 1 × 490 × 0.02
3.24 - 0.04 = 6.13Mpa
那么，可以分析得到当温度上升4℃时，储罐内的压力p2 = 0.64 + 1.61 × 4 = 7.08Mpa > pk = 6.13Mpa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：
E = p1 - p0
κ - 1 V = 16.4.0-51 × 100 = 1513MJ
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。
参考文献：
[2] 段常贵．燃气输配（第三版）[M]．北京：中国建筑工业出版社，2001．
[3] 严铭卿．燃气输配工程分析[M]．北京：石油工业出版社，2007．
[4] 樊元三．液化石油气储罐的设计要点及安全性论证[J]．煤气与热力1994(4)：24-26．
[5] 侯庆华，钟书明．液化石油气储罐设计中应注意的几个问题[J]．油气田地面工程，2006 (12)：35．
[6] 祖因希．液化石油气操作技术与安全管理（第二版）[M]．北京：化学工业出版社，2004．
