朱巧家，李疆鴻，蘭小剛，雒淑娟，陳戰(zhàn)楊，胡金奎，牛小亮，劉 磊

（上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司，上海 201518）

球形儲(chǔ)罐在化工行業(yè)中應(yīng)用廣泛，安全閥是球形儲(chǔ)罐必不可少的安全附件。安全閥除了具備普通閥門基本的開關(guān)作用外，還為設(shè)備和人員提供安全保障，是設(shè)備安全的最后一道保護(hù)措施。在球形儲(chǔ)罐安全閥的設(shè)計(jì)過程中，安全泄放量的計(jì)算以及安全泄放量與安全閥設(shè)置數(shù)量之間的關(guān)系一直存在偏差［1］。文中以1臺(tái)1 500 m3低溫乙烯球形儲(chǔ)罐安全閥的設(shè)計(jì)計(jì)算為例，展開分析與探討。

1 安全閥設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

安全閥是鍋爐、壓力容器和其他承壓設(shè)備上重要的安全附件。安全閥又稱泄壓閥，一般安裝于封閉系統(tǒng)中的設(shè)備或管路上。當(dāng)設(shè)備或管道內(nèi)壓力或溫度超過安全閥設(shè)定壓力時(shí)，自動(dòng)開啟泄壓或降溫，保證設(shè)備和管道內(nèi)介質(zhì)壓力或者溫度不超過設(shè)定值［2］。國(guó)內(nèi)安全閥的設(shè)計(jì)主要遵循的是GB 150.1—2011《鋼制壓力容器 第 1部分：通用要求》［3］附錄 B。

GB150.1—2011分別對(duì)盛裝壓縮氣體或水蒸氣、換熱設(shè)備、盛裝液化氣體等情況下安全泄放量的計(jì)算進(jìn)行了說明，并給出了計(jì)算公式。HG/T 20570.2—95《安全閥的設(shè)置和選用》［4］分別從閥門誤關(guān)閉、循環(huán)水故障、化學(xué)反應(yīng)失控及外部火災(zāi)等方面對(duì)安全泄放量的計(jì)算進(jìn)行了說明，其中引用的計(jì)算方法主要來自TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》［5］和 API RP 520—2013《煉油廠壓力釋放設(shè)備的尺寸計(jì)算、選型和安裝》［6］等。

這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中關(guān)于安全閥計(jì)算方面的內(nèi)容基本一致，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)采用同一規(guī)范進(jìn)行安全泄放量和泄放面積的計(jì)算，球形儲(chǔ)罐安全閥的設(shè)計(jì)主要依據(jù)為GB 150.1—2011附錄B。

2 球形儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)參數(shù)

某項(xiàng)目1臺(tái)1 500 m3球形儲(chǔ)罐儲(chǔ)存介質(zhì)為低溫乙烯，容器外直徑14 200 mm，設(shè)計(jì)厚度50 mm，腐蝕裕量 1.5 mm，設(shè)計(jì)壓力 2.17 MPa，工作壓力1.7 MPa，設(shè)計(jì)溫度-45℃，工作溫度-33℃。設(shè)有保溫結(jié)構(gòu)，保溫材料為聚氨酯發(fā)泡材料，保溫層厚度100 mm。

基于上述設(shè)備參數(shù)，按照GB 150.1—2011附錄B中相關(guān)的規(guī)定進(jìn)行安全閥設(shè)計(jì)所需參數(shù)的計(jì)算，其中安全泄放壓力按照1.1倍的工作壓力確定為1.87 MPa，泄放壓力下液體的汽化潛熱為328 kJ/kg［7］，泄放壓力下液體的飽和溫度為235.95 K，球形儲(chǔ)罐受熱面積為321 m2，常溫下絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)為 0.147 6 kJ/（m·h·℃）。

3 球形儲(chǔ)罐安全閥初步選型

安全閥種類多，按照閥瓣開啟高度分為全啟式和微啟式2類。一般情況下，全啟式安全閥適用于氣體、蒸汽及液化氣介質(zhì)的泄放，微啟式安全閥適用于液體介質(zhì)的泄放［8］。

文中球形儲(chǔ)罐儲(chǔ)存介質(zhì)為低溫乙烯，乙烯液面上方為氣相，屬于易、燃易爆氣體，因此選用全啟式安全閥。

4 球形儲(chǔ)罐安全閥設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 安全閥泄放量

確定安全泄放量時(shí)，首先應(yīng)當(dāng)按照工藝過程的具體情況確定設(shè)備超壓原因。設(shè)備超壓原因一般分為火災(zāi)、操作故障和動(dòng)力故障3類，設(shè)備超壓原因有多種可能時(shí)，應(yīng)當(dāng)按照危險(xiǎn)性最大的一種情況保守考慮，而不宜按各種不利情況在同一時(shí)間發(fā)生考慮。

乙烯屬于低溫介質(zhì)，需要設(shè)置保溫結(jié)構(gòu)。GB 150.1—2011附錄B中規(guī)定，盛裝液化氣體容器的安全泄放量分無保溫層和有完整的保溫層2種工況計(jì)算。1 500 m3低溫乙烯球形儲(chǔ)罐設(shè)置了100 mm厚的聚氨酯發(fā)泡材料保溫層，屬于標(biāo)準(zhǔn)中有保溫結(jié)構(gòu)的情況。同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于保溫結(jié)構(gòu)的要求是，有完整的保溫層并且完整的概念是保溫層在火災(zāi)條件下不被破壞［9］。目前，如何理解此要求存在爭(zhēng)議。文獻(xiàn)［10］中認(rèn)為，在火災(zāi)條件下保溫層不被破壞是指在火災(zāi)情況下，0.5 h內(nèi)保溫層仍能正常保證容器內(nèi)的溫度。對(duì)于這種情況，筆者存疑。

以某項(xiàng)目1 500 m3低溫乙烯球形儲(chǔ)罐安全閥的設(shè)計(jì)舉例分析。球形儲(chǔ)罐保溫材料聚氨酯發(fā)泡材料短時(shí)間內(nèi)最高溫度可達(dá)250℃,一般情況下持續(xù)的最高溫度約為150℃，但是0.5 h內(nèi)火勢(shì)能發(fā)展到的大小程度和溫度能升高到的程度，保溫層到底能否保證容器內(nèi)的溫度均存在多種可能，這些都將影響球形儲(chǔ)罐安全泄放量的確定。因此，有必要根據(jù)GB 150.1—2011，分無保溫層和有完整保溫層2種情況進(jìn)行安全泄放量的計(jì)算并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。

無絕熱保溫層時(shí)球形儲(chǔ)罐安全泄放量按下式進(jìn)行計(jì)算：

有完整絕熱保溫層時(shí)球形儲(chǔ)罐安全泄放量按下式計(jì)算：

式中,WS為安全閥安全泄放量；F為外壁修正系數(shù)，容器置于地面上時(shí)F=1.0；Ar為容器受熱面積；q為泄放壓力下液體的汽化潛熱；t為泄放壓力下介質(zhì)的飽和溫度；λ為常溫下絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)；δ為容器保溫層厚度。

將 F=1.0、Ar=321 m2、q=328 kJ/kg、t=-92.5 ℃、λ=0.147 6 kJ/（m·h·℃）、δ=0.1 m 帶入計(jì)算，得到無絕熱保溫層時(shí)WS=89 884 kg/h，有完整絕熱保溫層時(shí)WS=991 kg/h。

對(duì)比得到的2種工況下球形儲(chǔ)罐安全泄放量計(jì)算值可以發(fā)現(xiàn)，無保溫工況下安全泄放量遠(yuǎn)大于有保溫工況下的。這是因?yàn)?，無保溫結(jié)構(gòu)時(shí)外部火災(zāi)情況導(dǎo)致球形儲(chǔ)罐溫度升高，低溫乙烯大量汽化，罐內(nèi)壓力迅速升高，此時(shí)球形儲(chǔ)罐安全泄放量達(dá)到最大［11］。此外，計(jì)算時(shí)考慮到過程中無絕熱保溫層工況下球形儲(chǔ)罐雖然置于噴淋裝置下，噴淋速度大于 10 L/（m2·min），但噴淋裝置的正常運(yùn)行與否也是標(biāo)準(zhǔn)中的偏差所在，最終按照無噴淋情況取外壁修正系數(shù)F為1.0，所得的安全泄放量為最大值。

從以上2種結(jié)果還可以看出，如果不按照最嚴(yán)格的要求設(shè)計(jì)，那么2種情況下的計(jì)算結(jié)果將有極大差別。容器安全泄放量對(duì)于安全閥大小的選擇至關(guān)重要，一旦選擇的安全閥過小，那將造成不可估量的惡性后果。因此筆者認(rèn)為，球形儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中安全泄放量的計(jì)算應(yīng)不區(qū)分實(shí)際有無保溫結(jié)構(gòu)，統(tǒng)一以無保溫工況計(jì)算的最大泄放量作為選配安全閥的依據(jù)，這樣才能切實(shí)保證設(shè)備和人員的安全。

4.2 安全閥泄放面積

安全閥的泄放能力取決于安全閥的最小泄放面積。安全閥最小泄放面積為物料流經(jīng)安全閥時(shí)通過的最小截面積，對(duì)于全啟式安全閥則為其喉徑截面積［12］。安全閥的排氣能力與氣體的狀態(tài)有關(guān)。氣體狀態(tài)分為臨界條件和亞臨界條件2種狀態(tài)，其中臨界狀態(tài)滿足GB 150.1—2011附錄B的條件為：

式中，po為泄放裝置出口側(cè)壓力 （絕壓），pf為泄放裝置的泄放壓力（絕壓）；k為氣體絕熱指數(shù)。

1 500 m3球形儲(chǔ)罐的pf=p=1.87 MPa、po=0.1MPa(安全泄放的氣體直接排入放空系統(tǒng)中)，根據(jù)GB 150.1—2011附錄B中表B.6確定的氣體絕熱指數(shù)k=1.25，代入計(jì)算可知?dú)怏w狀態(tài)滿足臨界狀態(tài)條件。

臨界狀態(tài)下，安全閥泄放面積按下式計(jì)算：

4.3 安全閥喉徑

4.4 安全閥數(shù)量

依據(jù) GB/T 12337—2014 《鋼制球形儲(chǔ)罐》［15］附錄B，此球形儲(chǔ)罐應(yīng)至少設(shè)置2個(gè)安全閥。此種安全閥設(shè)置出于1用1備考慮，可使危險(xiǎn)降低很多。筆者發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，許多設(shè)計(jì)人員最初計(jì)算安全泄放量時(shí)就按照2個(gè)計(jì)算，結(jié)果會(huì)使得單個(gè)安全閥泄放量減小，進(jìn)而導(dǎo)致所選安全閥偏小。筆者認(rèn)為，雖然設(shè)置2個(gè)安全閥，而且2個(gè)都在工作，但至少要保證任何1個(gè)安全閥在失效的情況下另1個(gè)都能正常工作，這樣在檢驗(yàn)檢測(cè)的過程中也能保證檢測(cè)人員的安全。所以，計(jì)算的時(shí)候必須以1個(gè)安全閥為準(zhǔn)計(jì)算，但是在安全閥配置時(shí)必須至少配置2個(gè)，而且要保證2個(gè)安全閥型號(hào)的一致。

5 結(jié)語

在球形儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)過程中，必須配置安全閥。球形儲(chǔ)罐安全閥設(shè)計(jì)的要點(diǎn)和關(guān)鍵是安全泄放量的計(jì)算。通過對(duì)文中算例的分析認(rèn)為，無論處于何種工況下，安全泄放量必須以無保溫設(shè)施、無消防設(shè)施作為輸入條件來計(jì)算，即要選擇最苛刻的條件作為計(jì)算結(jié)果來選取安全閥。球形儲(chǔ)罐上應(yīng)至少設(shè)置2個(gè)安全閥，但是在計(jì)算過程中安全閥安全泄放量必須以設(shè)計(jì)1個(gè)安全閥為原則計(jì)算，配置2個(gè)，做到有備無患。