鐵路常壓罐車安全閥整定壓力設(shè)定研究分析

周建輝

摘 要：本文對(duì)鐵路常壓罐車呼吸式安全閥整定壓力設(shè)定進(jìn)行了研究分析，對(duì)既有罐車安全閥整定壓力進(jìn)行了核算，根據(jù)分析結(jié)果，提出了有關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：鐵路罐車;安全閥;呼吸式;整定壓力;充裝量

呼吸式安全閥是鐵路罐車的重要安全附件，它通過(guò)調(diào)節(jié)罐體內(nèi)部和外部的壓力差，來(lái)保證鐵路罐車運(yùn)用過(guò)程中罐體的安全性。安全閥整定壓力的設(shè)定對(duì)罐車的運(yùn)用安全尤為重要，本文主要研究分析了非壓力鐵路罐車安全閥整定壓力的設(shè)定，對(duì)既有安全閥整定壓力進(jìn)行了核算，根據(jù)分析結(jié)果，提出了有關(guān)建議。

1 安全閥整定壓力的定義

整定壓力是安全閥在運(yùn)行條件下的開(kāi)啟預(yù)定壓力，是在閥門進(jìn)口處測(cè)量的表壓力。呼吸式安全閥的壓力分為呼出整定壓力與吸入整定壓力。

2 呼出整定壓力的設(shè)定

安全閥呼出整定的壓力的設(shè)定與罐車的充裝量有很大關(guān)系，也與介質(zhì)的飽和蒸汽壓有關(guān)。預(yù)留空容積的大小影響罐車運(yùn)用期間氣體空間的壓力大小，從而影響罐車呼吸式安全閥整定壓力的設(shè)置。我國(guó)常壓鐵路罐車既有A41X型安全閥的呼出整定壓力為150 kPa，吸入整定壓力為1.5 kPa～2 kPa。

2.1 罐車空容積與充裝量

常壓鐵路罐車主要運(yùn)輸液體介質(zhì)，運(yùn)輸過(guò)程中，液體介質(zhì)隨溫度升高體積膨脹，為保證罐體安全，應(yīng)預(yù)留足夠空容積以供液體膨脹。此外，還需要合理規(guī)定充裝量。罐車空容積由液體膨脹量和安全裕量?jī)刹糠秩莘e組成。

GB/T5600規(guī)定：罐體空容積應(yīng)根據(jù)裝載介質(zhì)的性質(zhì)計(jì)算決定，在此基礎(chǔ)上另將罐體空容積與有效容積之比增加0.5%～2%作為容積裕度。

《鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸管理規(guī)則》規(guī)定：應(yīng)根據(jù)充裝貨物的密度、罐車標(biāo)記載重量、標(biāo)記容積確定充裝量。充裝重量不得大于罐車標(biāo)記載重，且充裝上限不得大于罐體標(biāo)記容積的95%，下限不得小于罐體標(biāo)記容積的83%。

2.2 罐車氣體空壓力計(jì)算

以GQ70型輕油罐車為例：汽油在常溫50℃的飽和蒸汽壓為86.9 kPa，輕油罐車裝載汽油后罐體上部氣體空間的壓力并不取決于汽油的飽和蒸汽壓。一方面環(huán)境溫度升高會(huì)使介質(zhì)膨脹，擠壓氣體空間造成壓力升高，另一方面，氣體空間的空氣與油氣的混合物升溫也會(huì)造成壓力升高。以下為模擬計(jì)算罐體頂部的最高壓力。

已知：GQ70型輕油罐車罐體總?cè)莘e為80.3 m3，有效容積為78.7 m3，空容積1.6 m3，實(shí)際按95%標(biāo)記容積裝載。罐體長(zhǎng)度為11 100 mm，罐體外徑為3 070 mm～3 170 mm。汽油體積熱膨脹系數(shù)為0.001 25/℃，碳鋼的熱膨脹系數(shù)為1.06×10-6/K～12.2×10-6/K。空氣在汽油中的溶解可忽略不計(jì)。假設(shè)罐體升溫50℃，則罐體體積膨脹應(yīng)為0.009 m3，由此可見(jiàn)，罐體膨脹的體積很小，可忽略不計(jì)。

（1）按裝車溫度20℃，介質(zhì)溫度升溫30℃計(jì)算。可知?jiǎng)t汽油膨脹體積為2.81 m3。

裝車溫度20℃時(shí)，罐內(nèi)氣體空間壓力為P0，汽油飽和蒸汽壓為37.1 kPa，根據(jù)分壓定理，空氣的壓力應(yīng)為63.9 kPa，空氣與汽油物質(zhì)的量之比為：n空氣：n汽油蒸汽=63.9：37.1=1.72

升溫至50℃后，根據(jù)氣態(tài)方程，空氣產(chǎn)生的壓力137.4 kPa，50℃時(shí)汽油飽和蒸汽壓為86.9 kPa，則罐內(nèi)氣體空間壓力為224.3 kPa（絕壓），即123.3 kPa（表壓）。

（2）假設(shè)罐內(nèi)中心溫度為裝車溫度0℃，汽油表面溫度為環(huán)境溫度40℃，則汽油平均為26.7℃。汽油膨脹體積為2.50 m3。

裝車溫度0℃時(shí)，罐內(nèi)氣體空間壓力為P0，汽油飽和蒸汽壓為17.9 kPa，根據(jù)分壓定理，空氣的壓力應(yīng)為83.1 kPa，空氣與汽油物質(zhì)的量之比應(yīng)為4.64：1，升溫至40℃后，空氣產(chǎn)生的壓力174.6 kPa，40℃時(shí)汽油飽和蒸汽壓為69.2 kPa，則罐內(nèi)氣體空間壓力為243.8 kPa（絕壓），即142.8 kPa（表壓）。

從（1）、（2）計(jì)算分析可知，既有A41X型呼吸式安全閥呼出整定壓力設(shè)定為150 kPa滿足要求。

2.3 其它罐車氣體空間壓力情況

按升溫30℃情況，分別計(jì)算了苯罐車、粘油罐車、甲醇罐車、冰醋酸罐車、食用油罐車、乙二醇罐車氣體空間內(nèi)壓，內(nèi)壓力最高為GQ70罐車，其次為冰醋酸罐車，分別為123.3 kPa，121.0 kPa。非危化品罐車由于裝載不需要按95%的標(biāo)記載重裝載，內(nèi)壓力最高為食用油罐車，可達(dá)130.2 kPa。在同等溫升條件下食用油罐車內(nèi)壓比GQ70罐車稍高，但由于食用油飽和蒸汽壓幾乎為0，不存在介質(zhì)蒸汽損失的問(wèn)題。而汽油飽和蒸汽壓最高，內(nèi)壓也高，以GQ70罐車為例對(duì)安全閥的要求進(jìn)行計(jì)算是合理的。

3 吸入整定壓力分析

既有A41X型安全閥的吸入整定壓力為1.5 kPa～2 kPa，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，吸入流量約為0.011 25 m3/s（標(biāo)況、全啟壓力3.5 kPa）。

3.1 罐體承受負(fù)壓能力校核

以GQ70罐車為例計(jì)算校核。

（1）按GB150.3外壓圓筒穩(wěn)定性校核，取3倍安全系數(shù)，負(fù)壓允許值可達(dá)29 kPa。

（2）采用ANSYS有限元軟件，利用特征值法和非線性法分別計(jì)算了罐體的臨界失穩(wěn)壓力，取3倍安全系數(shù)，負(fù)壓允許值可達(dá)23.3 kPa、20.8 kPa。

因此，既有A41X型安全閥吸入整定壓力設(shè)定為1.5 kPa～2 kPa在罐體承受負(fù)壓范圍內(nèi)。

3.2 安全閥吸入能力核算

空罐條件下，罐內(nèi)氣體降溫形成負(fù)壓速度有可能較快，這就要求安全閥吸入空氣的速度也相應(yīng)較快。

3.2.1 空罐內(nèi)氣體降溫30℃后需要補(bǔ)充的氣體量

假設(shè)罐車初始溫度為50℃，急劇降溫后罐體氣體下降為20℃，由氣態(tài)方程可計(jì)算罐內(nèi)壓力為91.6 kPa，即罐體負(fù)壓為9.4 kPa。罐內(nèi)氣體假設(shè)為理想氣體，按空氣參數(shù)計(jì)算，則初始條件下罐內(nèi)氣體物質(zhì)的量為3 021.5 mol，罐內(nèi)外氣體需重新達(dá)到平衡狀需要的氣體物質(zhì)的量為3 330.9 mol，需補(bǔ)充氣體309.4 mol，換算成標(biāo)態(tài)空氣約為6.9 m3。

3.2.2 空罐內(nèi)氣體降溫30℃所需時(shí)間

假設(shè)罐內(nèi)全部為空氣，罐內(nèi)氣體初始溫度50℃，外界環(huán)境溫度20℃，熱交換主要為在罐壁自然對(duì)流。按大空間自然對(duì)流、水平圓柱計(jì)算方式，空氣對(duì)流熱交換系數(shù)計(jì)算，罐內(nèi)空氣由50℃降為20℃損失的熱量為3 135.8 kJ，罐體表面積為124.6 m2，則降溫30℃所需時(shí)間計(jì)算得591 s。

3.2.3 安全閥平衡負(fù)壓所需時(shí)間

A41X型呼吸式安全閥的吸入整定壓力為1.5 kPa～2 kPa時(shí)，按試驗(yàn)數(shù)據(jù)單個(gè)安全閥吸入流量0.011 25 m3/s，吸入6.9 m3的空氣需要的時(shí)間為308 s。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，罐體平均壓降速度為0.015 9 kPa/s，為維持內(nèi)壓平衡，補(bǔ)充空氣的速度平均為0.011 7 m3/s。GQ70罐車裝用2個(gè)A41X型呼吸式安全閥，安全閥吸氣量為0.022 5 m3/s。吸入閥開(kāi)啟壓力設(shè)置為2 kPa時(shí)吸入量能滿足要求。

上述計(jì)算若考慮罐內(nèi)空氣對(duì)流熱交換的時(shí)間，實(shí)際降溫時(shí)間應(yīng)大于591 s，要求補(bǔ)充空氣的速度比0.011 7 m3/s更小，所以安全閥的吸入量是滿足罐體安全要求的。

3.3 其它常壓罐車

其它常壓罐車如：苯罐車、粘油罐車、甲醇罐車、冰醋酸罐車、食用油罐車等，罐體直徑、長(zhǎng)度尺寸總體相差不大，對(duì)安全閥吸入整定壓力、吸入量要求相當(dāng)。

4 結(jié)論

（1）既有常壓罐車呼出整定壓力150 kPa、吸入整定壓力1.5 kPa～2 kPa、吸入量能滿足罐車安全要求。

（2）安全閥吸入整定壓力1.5 kPa～2 kPa有較大安全裕量，可以考慮適當(dāng)提高該壓力。

（3）裝運(yùn)飽和蒸汽壓較低介質(zhì)的罐車內(nèi)壓比既有安全閥設(shè)定的呼出整定壓力低很多，充裝量可適當(dāng)增大，能充分利用罐體容積增大車輛載重。

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