摘要 固定式二氧化碳灭火系统是一种常用的气体灭火装置，由于其技术成熟、操作简易，在我国应用范围相当广泛。由于二氧化碳是一种对温度较为敏感的气体，因此，二氧化碳的充装率是一个很重要的参数。我国国家标准对于二氧化碳钢瓶充装率有明确要求，并且随着二氧化碳灭火系统应用和研究的不断深入以及灭火系统产品的不断发展，对二氧化碳钢瓶充装率进行了修订，本文所讲即充装率为何修改及修改后所引发的一系列问题。 引言
二氧化碳气体灭火系统是一种广泛使用的灭火系统，起步较早，技术规范成熟。早在1987年，根据国家计委计综[1987]2390号文的要求，公安部会同有关部门开始制订的《二氧化碳灭火系统设计规范》，1993年12月21号，建设部批准《二氧化碳灭火系统设计规范》GB50193-93[1]为强制性国家标准，自1994年8月1日起施行。然而随着二氧化碳灭火系统应用和研究的不断深入以及二氧化碳灭火系统产品的不断发展，为适应当前二氧化碳灭火系统的应用现状和发展趋势，逐步出台了相关法规对二氧化碳充装率进行修订。
1 二氧化碳灭火系统设计规范中充装率的变化
GB50193-93二氧化碳灭火系统设计规范中，第5.1.3条规定：储存容器中二氧化碳的充装率应为0.6～0.67kg/L。但在这个规范的2010版本中，此条删除，并在5.1.1.2条规定：储存容器中二氧化碳的充装系数应按国家现行《气瓶安全检查规程》执行。在《TSGR0006-2014气瓶安全技术监察规程》附件C的C-3表中明确规定：二氧化碳在公称工作压力不大于15MPa时，其充装率不大于0.60kg/L，在公称工作压力不大于20MPa时，其充装率不大于0.74kg/L。本文所涉及的气瓶均为工作压力在15MPa的二氧化碳气瓶[2]。 为何二氧化碳充装率在前后两个版本中会有如此变化，这需要从二氧化碳的物理性质说起。
2 二氧化碳的物理性质
临界温度，使物质由气态变为液态的最高温度叫作临界温度。每种物质都有一个特定的温度，在这个温度以上，无论怎样增大压强，气态物质都不会液化，这个温度就是临界温度。
二氧化碳在瓶装气体中属于高压液化气体，其临界温度为31℃，当温度低于31℃时加压即可液化，当温度等于或高于31℃，瓶内液态二氧化碳就转化为气态二氧化碳。
按0.6kg/L标准充装二氧化碳时，在温度接近31℃时，瓶内呈现的压力是汽液共存状态下，液體界面上的饱和蒸汽压力为7.39Mpa。当温度达到或超过31℃时，则发生液体向气体的相变，瓶内压力不再是二氧化碳饱和蒸汽压的延伸，而是液态二氧化碳大量汽化而骤然上升的压力。当温度继续升到54℃时，瓶内压力约增至15Mpa，与气瓶公称工作压力相当。由于二氧化碳具有这些特点，为保证气瓶在充装、储存、运输和使用时的安全，应严格按规定的充装系数进行充装。
气瓶是一个独立的无绝热层的薄壁密闭容器，瓶内二氧化碳的压力不仅与温度有关，而且与充装量有关。气瓶的公称工作压力，对于永久气体气瓶是指20℃时所充装气体的限定充装压力，充装量是以压力计量；对于盛装二氧化碳等高压液化气体的气瓶是指温度为60℃时瓶内气体压力的限定值，充装量是以重量计量。若不按0.6kg/L标准充装，而采取超量充装，瓶内的气相空间相应减小，随着温度的升高，液态二氧化碳的体积相应膨胀，气相空间继续减小，最终造成瓶内“满液”和气相空间消失。瓶内出现满液现象，其压力不再是饱和
蒸汽压，而是液态二氧化碳体积膨胀的胀力，此胀力远大于饱和蒸汽压。液态二氧化碳的体积膨胀系数较大，在-5～35℃范围内，温度每升高1℃，瓶内压力相应升高0.314～0.834Mpa。
在图1中，横坐标是密度的倒数，可对应充装率，纵坐标是压强（单位为101325Pa）。线条表示不同温度下，压强和密度的关系。不同的颜表示CO2的状态，包括液态、气态、蒸汽状态和液汽共存状态。C点为临界状态，表示超过31℃时不管压强多大CO2都不可能被液化。C点对应的压力为7.3Mpa，充装率为0.46kg/L。
左边有几条接近垂直状态的线，这个状态称为超临界状态。表示随着密度的增加，压强迅速增大。实际使用中如果进入超临界状态则意味着爆炸！虽然在发生爆炸时，直接诱因都是温度的升高，但究其根本原因是充装率过大，密度过高，接近超临界状态。因此，在实际使用中主要的安全考虑就是让气瓶降低充装率，避免进入超临界状态。
图2是华北电力大学动力教研室于1997年4月通过试验采集的数据，其中横坐标是密度的倒数，纵坐标是压强（单位为MPa，即1000000Pa）
从图中可以看到，临界点的横坐标（横轴上虚线所在位置）为0.00216，与横轴数值0.002（横轴上左起第三条实线所在位置）的差值为0.0016。
二氧化碳充装率0.60kg/L换算为上图横坐标中的数值为0.0017，充装率0.067kg/L换算为上图横坐标中的数值为0.0015。虽然仅仅是0.0002的变化，但随着温度的上升，对应的压强变化却是相当大的（可参照50℃曲线）。
3 为何降低CO2气瓶的充装率
1965年原劳动部修订《气瓶安全监察规程》时，为了恰当地制订气瓶设计压力和充装系数，曾对装了气的气瓶做曝晒试验，测得了太阳曝晒下的有关数据，并根据我国历年气象资料做了核实。试验证明，在太阳曝晒条件下，气瓶壁温接近地面温度。我国绝大多数地区的地面温度，在夏季的几个月里，都达到或超过60℃。当时，为了缓和过去不合理的情况，将二氧化碳气瓶的充装系数降低到0.67公斤/升。但是，气瓶承受的压力并未改变，因而超压问题并未得到彻底解决。按照0.67公斤/升充装，在60℃的情况下，瓶内压力达到167公斤/平方厘米，气瓶仍处于超压状态，不利于安全使用。因此，在1979年国家劳动总局下发《关于加强二氧化碳气瓶安全管理的通知》[79]劳锅字31号文件，其中明确要求二
氧化碳气瓶的充装系数一律按劳动局1979年4月25日公布的《气瓶安全监察规程》（79）劳总锅字18号文件执行，文件中明确要求设计压力为15MPa二氧化碳气瓶，其充装系数不得大于0.60，在任何情况下，二氧化碳钢瓶使用环境温度不得超过45℃，并在2000版气瓶安全监察规程（质技监局锅发[2000]250号）文件中，将灭火用钢瓶纳入管理范围。尽管国家出台了明确规定，但近年来二氧化碳气瓶事故仍然频繁出现：
1996年10月8日上午，北京某酿酒集团从北京天海工业有限公司购置当年5月份生产的二氧化碳气瓶，在充装二氧化碳后发生爆炸，气瓶爆炸的原因为气瓶超充装；
1999年5月13日13点20分，徐州铸造总厂发生了一起二氧化碳气瓶爆炸事故。调查报告显示，气瓶爆炸的原因，一是气瓶超充装，二为曝晒；
2008年12月某厂发生一起二氧化碳气瓶爆炸事故，当场造成2人死亡、2人重伤、多人轻伤。调查事故原因包括气瓶过热导致压力骤增引起爆炸。
……
从以上事故可以看出，引起事故的原因主要是温度、充装过量、超压等，导致气瓶进入超
临界状态，CO2气瓶的安全主要考虑就是如何避免进入超临界状态，而影响进入超临界状态的关键因素就是密度（充装率），这也就是为何国家规范会降低CO2气瓶的充装率。
4 充装率变化所带来的问题
二氧化碳充装率降低后，随即出现一个问题，即每瓶二氧化碳钢瓶内二氧化碳药剂的减少，以70升钢瓶为例，充装率为0.67时，最大充装量为46.9kg，按当时的行业标准为采用45kg数值；充装率为0.60时，最大充装量为42kg，减少了3kg。
目前海上平台，已有的二氧化碳灭火系统钢瓶绝大多数为采用充装率0.67，即每瓶45kg二氧化碳，而按照新规范要求，充装率降为0.60后，即每瓶42kg二氧化碳。意味着现有的二氧化碳气体灭火系统二氧化碳药剂数量将减少，如不增加二氧化碳钢瓶，剩余的药剂总量将不足以起到保护作用，带来极大的安全隐患。
5 应对措施
在二氧化碳充装率下调的情况下，如果需要保证足够的二氧化碳药剂数量，则必须增加二氧化碳钢瓶数量。根据二氧化碳灭火系统设计规范要求，需计算保护区所需二氧化碳药剂
总量，由原先的45kg/瓶改为42kg/瓶，重新计算所需钢瓶数量并增加相应数量的钢瓶。
我们可通过一个简单的计算方法估算所需钢瓶数量，设未下调充装率时，二氧化碳灭火系统原有钢瓶为n（其中主瓶备瓶各占一般，均为n/2），则二氧化碳总量为45n，则下调充装率后，在總量保持不变的情况下所需钢瓶N=45n/42，则有：
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