球形儲罐安全閥設計要點探討

朱巧家，李疆鴻，蘭小剛，雒淑娟，陳戰楊，胡金奎，牛小亮，劉 磊

（上海藍濱石化設備有限責任公司，上海 201518）

球形儲罐在化工行業中應用廣泛，安全閥是球形儲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作用外，還為設備和人員提供安全保障，是設備安全的最后一道保護措施。在球形儲罐安全閥的設計過程中，安全泄放量的計算以及安全泄放量與安全閥設置數量之間的關系一直存在偏差［1］。文中以1臺1 500 m3低溫乙烯球形儲罐安全閥的設計計算為例，展開分析與探討。

1 安全閥設計相關標準

安全閥是鍋爐、壓力容器和其他承壓設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中的設備或管路上。當設備或管道內壓力或溫度超過安全閥設定壓力時，自動開啟泄壓或降溫，保證設備和管道內介質壓力或者溫度不超過設定值［2］。國內安全閥的設計主要遵循的是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分別對盛裝壓縮氣體或水蒸氣、換熱設備、盛裝液化氣體等情況下安全泄放量的計算進行了說明，并給出了計算公式。HG/T 20570.2—95《安全閥的設置和選用》［4］分別從閥門誤關閉、循環水故障、化學反應失控及外部火災等方面對安全泄放量的計算進行了說明，其中引用的計算方法主要來自TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》［5］和 API RP 520—2013《煉油廠壓力釋放設備的尺寸計算、選型和安裝》［6］等。

這些標準規范中關于安全閥計算方面的內容基本一致，設計過程中應采用同一規范進行安全泄放量和泄放面積的計算，球形儲罐安全閥的設計主要依據為GB 150.1—2011附錄B。

2 球形儲罐設計參數

某項目1臺1 500 m3球形儲罐儲存介質為低溫乙烯，容器外直徑14 200 mm，設計厚度50 mm，腐蝕裕量 1.5 mm，設計壓力 2.17 MPa，工作壓力1.7 MPa，設計溫度-45℃，工作溫度-33℃。設有保溫結構，保溫材料為聚氨酯發泡材料，保溫層厚度100 mm。

基于上述設備參數，按照GB 150.1—2011附錄B中相關的規定進行安全閥設計所需參數的計算，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，球形儲罐受熱面積為321 m2，常溫下絕熱材料的導熱系數為 0.147 6 kJ/（m·h·℃）。

3 球形儲罐安全閥初步選型

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、蒸汽及液化氣介質的泄放，微啟式安全閥適用于液體介質的泄放［8］。

文中球形儲罐儲存介質為低溫乙烯，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 球形儲罐安全閥設計計算

4.1 安全閥泄放量

確定安全泄放量時，首先應當按照工藝過程的具體情況確定設備超壓原因。設備超壓原因一般分為火災、操作故障和動力故障3類，設備超壓原因有多種可能時，應當按照危險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間發生考慮。

乙烯屬于低溫介質，需要設置保溫結構。GB 150.1—2011附錄B中規定，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種工況計算。1 500 m3低溫乙烯球形儲罐設置了100 mm厚的聚氨酯發泡材料保溫層，屬于標準中有保溫結構的情況。同時標準中對于保溫結構的要求是，有完整的保溫層并且完整的概念是保溫層在火災條件下不被破壞［9］。目前，如何理解此要求存在爭議。文獻［10］中認為，在火災條件下保溫層不被破壞是指在火災情況下，0.5 h內保溫層仍能正常保證容器內的溫度。對于這種情況，筆者存疑。

以某項目1 500 m3低溫乙烯球形儲罐安全閥的設計舉例分析。球形儲罐保溫材料聚氨酯發泡材料短時間內最高溫度可達250℃,一般情況下持續的最高溫度約為150℃，但是0.5 h內火勢能發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的溫度均存在多種可能，這些都將影響球形儲罐安全泄放量的確定。因此，有必要根據GB 150.1—2011，分無保溫層和有完整保溫層2種情況進行安全泄放量的計算并對計算結果進行比較。

無絕熱保溫層時球形儲罐安全泄放量按下式進行計算：

有完整絕熱保溫層時球形儲罐安全泄放量按下式計算：

式中,WS為安全閥安全泄放量；F為外壁修正系數，容器置于地面上時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為泄放壓力下介質的飽和溫度；λ為常溫下絕熱材料的導熱系數；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 帶入計算，得到無絕熱保溫層時WS=89 884 kg/h，有完整絕熱保溫層時WS=991 kg/h。

對比得到的2種工況下球形儲罐安全泄放量計算值可以發現，無保溫工況下安全泄放量遠大于有保溫工況下的。這是因為，無保溫結構時外部火災情況導致球形儲罐溫度升高，低溫乙烯大量汽化，罐內壓力迅速升高，此時球形儲罐安全泄放量達到最大［11］。此外，計算時考慮到過程中無絕熱保溫層工況下球形儲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行與否也是標準中的偏差所在，最終按照無噴淋情況取外壁修正系數F為1.0，所得的安全泄放量為最大值。

從以上2種結果還可以看出，如果不按照最嚴格的要求設計，那么2種情況下的計算結果將有極大差別。容器安全泄放量對于安全閥大小的選擇至關重要，一旦選擇的安全閥過小，那將造成不可估量的惡性后果。因此筆者認為，球形儲罐設計中安全泄放量的計算應不區分實際有無保溫結構，統一以無保溫工況計算的最大泄放量作為選配安全閥的依據，這樣才能切實保證設備和人員的安全。

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安全閥時通過的最小截面積，對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有關。氣體狀態分為臨界條件和亞臨界條件2種狀態，其中臨界狀態滿足GB 150.1—2011附錄B的條件為：

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

1 500 m3球形儲罐的pf=p=1.87 MPa、po=0.1MPa(安全泄放的氣體直接排入放空系統中)，根據GB 150.1—2011附錄B中表B.6確定的氣體絕熱指數k=1.25，代入計算可知氣體狀態滿足臨界狀態條件。

臨界狀態下，安全閥泄放面積按下式計算：

4.3 安全閥喉徑

4.4 安全閥數量

依據 GB/T 12337—2014 《鋼制球形儲罐》［15］附錄B，此球形儲罐應至少設置2個安全閥。此種安全閥設置出于1用1備考慮，可使危險降低很多。筆者發現，在實際設計過程中，許多設計人員最初計算安全泄放量時就按照2個計算，結果會使得單個安全閥泄放量減小，進而導致所選安全閥偏小。筆者認為，雖然設置2個安全閥，而且2個都在工作，但至少要保證任何1個安全閥在失效的情況下另1個都能正常工作，這樣在檢驗檢測的過程中也能保證檢測人員的安全。所以，計算的時候必須以1個安全閥為準計算，但是在安全閥配置時必須至少配置2個，而且要保證2個安全閥型號的一致。

5 結語

在球形儲罐設計過程中，必須配置安全閥。球形儲罐安全閥設計的要點和關鍵是安全泄放量的計算。通過對文中算例的分析認為，無論處于何種工況下，安全泄放量必須以無保溫設施、無消防設施作為輸入條件來計算，即要選擇最苛刻的條件作為計算結果來選取安全閥。球形儲罐上應至少設置2個安全閥，但是在計算過程中安全閥安全泄放量必須以設計1個安全閥為原則計算，配置2個，做到有備無患。