充裝係數

在盛裝液化氣體的壓力容器設計中，裝量係數一般取0.9，對容器容積經實際測定者，可取大於0.9，但不得大於0.95。

所謂充裝係數，是指每升氣瓶容積充裝液化氣體的重量（kg），且按下式進行計算。

F=W/V（6．1）

式中：F——充裝係數，kg/L；

V——氣瓶容積，L；

W——液化氣體的充裝重量，kg。

常見的液化氣體充裝係數，應符合表6—5和表6—6的規定。表6—5高壓液化氣體的充裝係數

表6—6低壓液化氣體的充裝係數

註：表中沒列液化石油氣的充裝係數，是因為液化石油氣鋼瓶在設計時，就已按充裝係數計算，將三種不同規格鋼瓶的充裝量作了規定，故此表不予再列。

因為低壓液化氣體的臨界溫度（tc）高於氣瓶最高工作溫度（t=60℃），所以，低壓液化氣瓶在充裝、儲存、運輸和使用過程中都不會發生相變。只要充裝適量，不發生滿瓶，瓶內始終是氣液二相共存，兩者之間有著非常明顯的界面，液相是飽和液體，氣相是飽和蒸氣。若充液過量，氣相容積不夠，甚至消失，氣瓶達到“滿液”，這時如果溫度升高，致使液體無法膨脹，則瓶內壓力就會驟然增高，直至氣瓶爆破。

為了防止瓶內液化氣體因受熱膨脹而導致發生事故，應使氣瓶在最高工作溫度下，液相不要“充滿”氣瓶全部容積，要留有一定的氣相空間。這一空間就是瓶容與液容之差。即：

VG=V-VL（6．2）

式中：VG——瓶內氣相空間，L；

V——瓶內有效容積，L；

VL——瓶內液相容積，L。

而VL與液化氣體在充裝時的定壓比容υp的比值就是氣瓶的充裝重量。

即：

式中：W——氣瓶的充裝重量，kg；

υp——液化氣體的定壓比容，L/kg；

VL——同6．2式，L。

對於低壓液化氣瓶，液化氣體雖然在加壓狀態充裝，但進入瓶內就是處於飽和狀態，所以，我們可用飽和狀態下的比容來代替液化氣體的定壓比容，即：

式中：W——同6．3式，kg；

VL——同6．2式，L；

υ——飽和狀態下的液體比容，L/kg。

又因飽和液體密度與飽和狀態下的液體比容互為倒數所以

W=VLd（6．5）

式中：d——飽和液體密度，kg/L；

W、VL同前。

如果我們把6．2式代入6．5式，則；

W=(V-VG)d（6．6）

因以上所述均屬理想狀態，即VG=0是在沒有任何誤差的情況下才能成立。可是，理想狀態在生產實踐中是不存在的。如果我們把生產中某些可以預計到的誤差疊加起來，稱為安全余量，其值與瓶內有效容積之比即為安全係數，並賦予符號∑n，並使其最終在氣相容積VG上得到反映的話，那麼，∑n=VG/V，但我們在氣體充裝工作中常常使用的是充裝係數F，因此6．6式中可變為：

式中：F——充裝係數，kg/L。

根據中國目前的實際條件，對∑n的選取，應考慮以下兩種情況：

⑴物性數據誤差（n1）。主要指液化氣體飽和度d值的誤差。我們無論採用推算數據，還是採用實測數據，數據誤差總是客觀存在的。一般情況下，密度數據誤差約在±0．5～1%左右，為安全起見取n1=1%。

⑵衡器稱重誤差（n2）。氣瓶容積大都採用同體積水重法，氣瓶在充液時也需稱重控制，因此，稱重誤差也需考慮。稱重誤差一般均不超過±0．1%。假定在稱重過程中，累積誤差約為正誤差的6倍，亦即n2=0．6%，由此得出n1和n2之和為1．6%。為安全起見，取∑n=2%。所以，低壓液化氣體的充液量在60℃時所佔體積，必須小於氣瓶有效容積的98%，即還有2%以上氣相容積作為安全係數。

例：確定液氯的充裝係數是多少?

解：查60℃時液氯的飽和液體密度為1．2789kg/L，其氣相空間應為2%，所以F=（1-2%）×1．2789kg/L=1．25kg/L。

因為多數高壓液化氣體的臨界溫度（tc）低於氣瓶的最高工作溫度(t=60℃），所以，高壓液化氣體在充裝時為液態，此時瓶內的壓力就是液體界面上的飽和蒸氣壓，這與低壓液化氣體沒有什麼差別。但在高壓液化氣體的儲存、運輸和使用過程中，由於環境溫度的影響，當液體溫度到達tc時，則發生液體向氣體的相變。其結果氣瓶內壓由於大量氣體產生而驟然上升，此時表徵氣瓶的壓力狀況，實質上就和永久氣體一樣。因此對於高壓液化氣體氣瓶，一方面和永久氣體氣瓶一樣，在20℃時內壓不應超過氣瓶的公稱工作壓力，在60℃時的壓力不應超過其水壓試驗壓力的0．8倍（液化二氧化碳和液化氧化氮除外)，另一方面又和低壓液化氣瓶一樣，按表選擇充裝係數。

高壓液化氣體的P—V—T關係，服從真實氣體狀態方程式，見公式2．20。表6—5所列充裝係數是採用偏心因子法計算出來的，其中對於臨界溫度（tc）小於氣瓶最高工作溫度（t=60℃）的高壓液化氣體，在充液量計算時，安全係數（∑n）可以不予考慮（很小）；對於臨界溫度（tc）介於氣瓶最高工作溫度t和70℃（高壓液化氣體的定義上限溫度）之間的高壓液化氣體（例如tc=67℃的三氧溴甲烷），因其相態與低壓液化氣體完全一樣，即在氣瓶正常使用溫度範圍內，瓶內介質始終為液相，故應考慮安全係數，而且其液態密度的計算誤差要比低壓液化氣體略高，所以在充液量計算時，∑n取2．5%，即在60℃時，此類高壓液化氣體的充液量，必須小於氣瓶有效容積的97．5%，留有2．5%的氣相空間。

液化氣體過量充液后，爆炸危險性極大，其中低壓液化氣瓶尤為嚴重。當前氣瓶爆炸事故中，由於過量充裝導致氣瓶物理性爆炸的比例很大，這些氣瓶在爆炸前大都處於靜止狀態，未受撞擊或震動，而且處於常溫，甚至是在雪天，爆炸后的瓶體均存在明顯的變形，破口很大，有的幾乎碾成平板。這些跡象充分說明，爆炸事故的直接原因，不是由於氣瓶本身存在嚴重缺陷，而是由於瓶內超壓，即瓶內的壓力已遠遠超過液化氣體正常溫度下的飽和蒸氣壓，氣瓶承受不了這樣高的壓力因而發生了爆炸。表6—7以液氯鋼瓶為例，說明0℃滿量充裝以後，隨溫度上升的增壓情況（假定瓶容不變），以此告誡人們過量充裝的危險。

表6—7液氯鋼瓶在0℃滿液充裝后隨溫升增壓數據表

為什麼會有這麼高的壓力，這是因為氣瓶的容積是一定的，而且又是封閉的，瓶內的液化氣體隨著溫度的升高，其體積必然膨脹，但它又必須受氣瓶容積的限制，一旦液體脹滿了氣瓶內全部空間以後，膨脹即轉為壓縮。由於液體的壓縮性很少，以致反作用於瓶壁的壓力劇烈增高。也就是說，液化氣瓶“滿瓶”后，隨溫度變化的壓力值與盛裝介質的膨脹係數成正比，與壓縮係數成反比。正因為液體的壓縮係數很少，而膨脹係數相對比較大（相差一個數量級），所以，瓶內壓力的升高是很驚人的。

如上所述，液化氣瓶過量充液是極其危險的，它是導致氣瓶爆炸的主要原因，解決問題的措施就是：嚴禁超裝。