油罐安全閥未開啟原因分析及改進措施研究

楊奉斐 唐金曦 杜建波

1. 中國航空油料有限責任公司 北京 100000

2. 中國航空油料有限責任公司重慶分公司 重慶 404100

1 引言

安全閥是輸油管道上的重要安全附件，其可靠性和有效性對直接影響輸油安全。在密閉滿油管線中，安全閥整定壓力過高，安全閥開啟后，安全閥進出口管線會產生強烈顫振，可能導致安全閥進出口法蘭螺栓松動，進而導致法蘭密封失效。同時，管線內壓力過高會導致閥門憋壓、開啟困難、降低閥門使用壽命等甚至引起滲漏等問題。此外，可能導致安全閥長期不動作，使安全閥密封面粘黏，一旦出現超壓情況，安全閥可能無法開啟。對此，筆者從安全使用角度進行分析并提出改進性措施，以確保安全閥達到使用效果。

2 油罐安全閥未開啟原因分析

某油庫人員巡庫發現油罐位置處的DN400倒罐出口管線壓力達到1.09MPa，而安全閥未開啟泄壓，油庫人員立即開閥手動泄壓。經查，該安全閥整定壓力1MPa，在校驗有效期內，屬于普通彈簧封閉式安全閥。當日天氣晴，上午09：45溫度28℃，連接安全閥出口端的油罐液位高12.5m。當日溫度14℃～28℃，晝夜溫差變化大。為查明原因，油庫換上整定壓力為1MPa的同類型安全閥，在密閉管線上進行安全閥開啟測試。上午11：38，溫度27℃，測試管線受陽光直射，壓力上升至1.18MPa后安全閥開啟泄壓。連接安全閥出口端的油罐液位高18.94米。當日，溫度18℃～27℃，晝夜溫差變化較大。分析原因主要如下：

2.1 忽略附加背壓

安全閥的出口端存在附加背壓，附加背壓對安全閥出口產生一個向下的作用力，從而安全閥開啟須克服油罐靜壓。經咨詢，校驗機構根據設計給定的整定壓力，使用空氣對安全閥進行校驗整定，安全閥出口沒有附加背壓。根據《彈簧直接載荷式安全閥》[1]：整定壓力＞0.5MPa時，整定壓力偏差在±3%整定壓力內即校驗合格。故有附加背壓的情況下，安全閥達到整定壓力不會開啟。此外，校驗機構無法對附加背壓變化較大的工況，進行安全閥的準確校驗。

2.2 安全閥整定值過高

經查閱標準、設計說明、校驗報告，認為該管線上安全閥整定壓力過高。設計說明和校驗報告中，油罐倒罐出口管線公稱壓力1.6MPa，工作壓力0.5MPa，安全閥整定壓力1.0MPa。根據GB50316《工業金屬管道設計規范》[2]：安全閥整定壓力為正常最大工作壓力的1.1倍，最低為1.05倍。按照正常最大工作壓力的1.1倍，安全閥整定壓力應為0.55MPa，故判斷原安全閥整定壓力1.0MPa過高。

2.3 密閉滿油管線熱膨脹導致壓力升高

對于密閉充油的管線，一旦管線充滿油之后，管線內油品吸收太陽熱輻射，管線壓力就會隨著溫度的升高而急劇上升。根據《化工安全技術手冊》[3]，在兩端閥門關斷的密閉充滿油管線中，管線內油品溫度和壓力的關系公式（1）如下：

式中：P0—溫度為t1時，管線初始壓力，KPa；

P1—溫度為t2時，管線最終壓力，KPa；

Δt—溫度變化值，Δt=t2-t1，℃；

β—輕質油品的平均膨脹系數通常為0.0007～0.0016 1/℃，在溫度低于150℃的情況下，膨脹系數隨溫度的變化較小，為方便計算，取值為0.001 1/℃；

β0—鋼材線性膨脹系數，β0=1.2×10-51/℃；

α—輕質油品的平均壓縮系數，α=7.3×10-71/KPa；

Ω—壓力升高時鋼管容積增大系數；在壓力不超過管材的屈服壓力時，可根據管材外徑與內徑之比，，從表1選用；

表1 鋼管容積增大系數

此段輸油管線外徑406mm，壁厚8.7mm，管線外徑與內徑之比為1.04，查詢表1，管線容積增大系數Ω=24×10-81/KPa，管線最終壓力計算如下：：

由上述計算可知，管線內油品溫度每升高1℃，管線內壓力將升至993.8KPa。管線內油品初始壓力P0為100kpa，假設密閉滿油管線因陽光暴曬使管線內油品溫度升高了2℃（即Δt=t2-t1=2），導入公式計算可得P1=2087.6KPa，即2.0876MPa，超過了管線的設計公稱壓力（1.6 MPa）。因此，密閉充滿油的管線上合理設置安全閥整定值以及確保安全閥正常工作顯得尤為重要。

2.4 調整安全閥整定壓力應用

油庫根據該輸油管線0.5MPa的工作壓力，將原整定壓力1.0～1.3MPa等級的安全閥更換為整定壓力0.4～0.6MPa等級的安全閥，送檢后，安全閥整定壓力調整為0.55MPa，安全閥開啟正常，開啟時產生的顫振明顯減小。油庫通過人防、物防、技防的手段對泄壓裝置進行管控，確保泄壓裝置有效可靠。

3 改進措施研究

3.1 安全閥公稱壓力、工作壓力、安全閥彈簧壓力級的確定

安全閥公稱壓力、工作壓力及彈簧工作壓力意義均不相同，應避免混淆。同一公稱壓力的安全閥，根據彈簧的設計要求，可劃分為不同工作壓力級。例如：原來整定壓力為1.0MPa的安全閥，無法將整定值降低至0.5MPa，但同一公稱壓力的安全閥，送廠更換彈簧、重新校驗后，即可調整壓力級，在彈簧壓力級范圍可以調整整定壓力。

3.2 根據最大附加背壓選擇安全閥類型

（1）當P最大附加背壓≤10%P整定壓力時，可選擇常用的彈簧封閉式安全閥，生產廠家較多，價格合適，不易損壞。

（2）當P最大附加背壓＞10%P整定壓力時，按照GB/T 24921.1-2010《石化工業用壓力釋放閥的尺寸確定、選型和安裝 第1部分：尺寸的確定和選型》[4]：當排放背壓力較大（大于整定壓力的10%）或相對于整定壓力的附加背壓力變動較大時，通常選用平衡式壓力釋放閥。

（3）波紋管彈簧安全閥用于平衡背壓，波紋管有效直徑等于閥門密封面平均直徑。在安全閥開啟前背壓對閥瓣的作用力處于平衡狀況。將背壓變化給安全閥動作的影響降到最低。

（4）經咨詢廠家技術人員，平衡式波紋管安全閥的出口法蘭口徑比普通彈簧安全閥的出口法蘭口徑要大，更換為平衡式波紋管安全閥，出口需變徑。大多數在役油庫現場較難滿足更換條件。經咨詢校驗機構，在低壓管線上，附加背壓對安全閥開啟壓力影響不大，主要用于輔助判斷安全閥是否有效。

4 結論與建議

（1）安全閥整定壓力的設定應充分考慮泄壓出口是否有附加背壓的情況，這對判斷安全閥是否校驗有效、是否在整定壓力開啟有很大借鑒意義，也能對避免誤判安全閥失效或者安全閥整檢定不準確提供支持。

（2）安全閥整定壓力的設定應充分考慮工作壓力，按照標準設定安全閥整定壓力。當安全閥整定壓力過高，安全閥進出口管線會產生強烈顫振。顫振過大，可能會使安全閥進出口法蘭螺栓松動，導致法蘭密封失效，發生油品滲漏。另外，管線內壓力會過高，從而易導致油品從法蘭處滲漏、相關閥門開啟困難、降低閥門使用壽命困難等問題。

（3）在油品輸送狀態的管線中，安全閥整定壓力過高，整定壓力遠超工作壓力，可能導致安全閥長期不動作，會使安全閥密封面粘黏，一旦出現超壓情況，安全閥可能無法開啟。