液化氣儲罐設計參數(shù)及泄放壓力的確定與討論

李 岳，張興和，才 勝，王振偉，溫殿江

（1.大連理工大學 化工機械與安全學院，遼寧 大連 116011；2.大連度達理工安全系統(tǒng)有限公司，遼寧大連 116620；3.大連理工安全技術與控制工程研究中心有限公司，遼寧大連 116620）

液化氣分為低壓液化氣、高壓液化氣和冷凍液化氣 （Refrigerated Liquid gas或 Cryogenic Liquid），這3種液化氣的儲存壓力與其臨界溫度密切相關。低壓液化氣的臨界溫度tc通常高于70℃，常見低壓液化氣主要有液氨、液氯、液化丙烯等，這類氣體施加較低的壓力就可以在常溫下實現(xiàn)液化。高壓液化氣臨界溫度tc小于等于70℃，常見的高壓液化氣有乙烯（tc=12℃)、二氧化碳（tc=31℃)等，對這類氣體需要施加較高壓力才能在常溫下液化，高壓液化氣儲罐內(nèi)介質(zhì)為氣液并存、以液體為主狀態(tài)。冷凍液化氣的臨界溫度低于-50℃，常見的冷凍液化氣主要有液氫、液氧、液氮及液體甲烷等，此類液化氣體大多采用常壓下深冷工藝實現(xiàn)液化，儲罐也大多采用真空粉末絕熱或真空多層絕熱，設計溫度在-150℃以下[1-3]。液化氣體的一個顯著特點是，當使用過程中的環(huán)境溫度高于介質(zhì)臨界溫度 （對無隔熱儲罐）或者低溫儲罐隔熱層損壞而發(fā)生漏熱（對真空絕熱儲罐）時，罐內(nèi)液化介質(zhì)會迅速汽化，罐內(nèi)壓力隨之急速升高。因此，儲罐設計參數(shù)選取事關安全生產(chǎn)[4-8]。

文中以低壓液化丙烯儲罐的設計參數(shù)確定為例，從合理性考慮角度討論液化氣儲罐設計參數(shù)的選取，并重點比較了API 520—2014《Sizing,Selection, and Installation of Pressure-relieving Devices》[9]和 GB/T 150.1—2011《壓力容器 第一部分 通用要求》[10]在確定爆破片與安全閥泄壓裝置的動作壓力、容器設計壓力及泄放壓力的異同點。

1 液化丙烯儲罐設計壓力

TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》[11]（以下簡稱新版《容規(guī)》）的 3.1.9 節(jié)規(guī)定，常溫液化氣體儲罐的設計壓力以規(guī)定溫度下的工作壓力為基礎確定，并且注明設計壓力指儲罐頂部的最高壓力，其值不低于工作壓力。對臨界溫度大于等于50℃的情況，新版《容規(guī)》中進一步明確，其規(guī)定溫度下的工作壓力為液化介質(zhì)在50℃時的飽和蒸氣壓。丙烯臨界溫度為92℃，其在 50℃時的飽和蒸汽壓為 2.06 MPa[12]。因此，無保冷設施的液化丙烯氣儲罐的設計壓力取為2.06 MPa較合理。

目前還能見到一些單位設計液化丙烯儲罐時，將儲罐的設計壓力取為2.16 MPa。一些設計者認為其設計依據(jù)自1999出版的 《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》[13]（簡稱 99 版 《容規(guī)》）。99 版《容規(guī)》第36條的表3-3中給出的移動式液化丙烯罐體的設計壓力為2.16 MPa。盡管筆者不了解為何99版《容規(guī)》將移動式液化丙烯儲罐的設計壓力取為2.16 MPa，但是在新版《容規(guī)》實施之后依然將固定式液化丙烯儲罐的設計壓力取為2.16 MPa就缺乏合理性了，畢竟設計壓力高的結果，不僅會增加制造成本，而且氣密檢驗時也容易泄漏。

筆者猜測，目前仍然將固定式液化丙烯儲罐的設計壓力取為2.16 MPa的設計依據(jù)可能來自GB/T 150.1—2011。 GB/T 150.1—2011 規(guī)定，安裝安全閥泄壓裝置的壓力容器的設計壓力可取為工作壓力的1.05～1.1倍。按此規(guī)定，設計溫度50℃的液化丙烯儲罐的設計壓力最小可取為1.05×2.06≈2.16（MPa）。

2 液化丙烯儲罐的氣密檢驗壓力

新版《容規(guī)》規(guī)定，對盛裝介質(zhì)為極度、高度危害，或設計上不允許有微量泄漏的壓力容器必須進行氣密檢驗，氣密檢驗壓力為容器的設計壓力，氣密檢驗時應將容器安全附件裝備齊全。丙烯是易燃、易爆的危險介質(zhì)，按照新版《容規(guī)》規(guī)定，液化丙烯儲罐應進行氣密檢驗，而且氣密檢驗壓力定為2.06 MPa（丙烯儲罐設計壓力）較合理。如果將液化丙烯儲罐設計壓力取為2.16 MPa，盡管設計壓力只增加了0.1 MPa，但對大型球罐而言，相應的設計壁板厚度可能明顯增加。此外，設計壓力的增加對安全閥整定壓力、球罐最大允許工作壓力也都有較大影響。

據(jù)了解，目前一些需要做氣密檢驗的儲罐，由于設計壓力定值不合理，在安裝泄壓附件后，發(fā)生了泄漏或破壞導致的氣密檢驗不合格。為了讓這些儲罐通過氣密檢驗，工程上往往將泄壓裝置取下，用盲板將泄壓口堵上再進行氣密試驗。這種做法不僅造成了實際操作與新版《容規(guī)》中的規(guī)定不一致，泄壓裝置的泄漏也給儲罐運行帶來了一定的風險。

3 液化丙烯儲罐最大允許工作壓力的確定

GB/T 150.1—2011規(guī)定的容器最大允許工作壓力（MAWP），是根據(jù)容器有效厚度計算出來的（通常大于容器設計壓力）。而新版 《容規(guī)》中規(guī)定，對進行氣密檢驗的容器，必須提供容器的最大允許工作壓力，并且安全泄壓裝置的動作壓力應不大于容器的最大允許工作壓力。

對于設計了安全閥泄壓裝置的儲罐，為保證氣密檢驗時安全閥不漏，安全閥的動作壓力（又稱整定壓力）必須合理。GB/T 12243—2005《彈簧直接載荷式安全閥》[14]規(guī)定，安全閥氣密試驗壓力為其整定壓力的90%，在該壓力下檢漏時安全閥的泄漏率必須滿足標準要求。如果液化丙烯儲罐設計壓力為2.06 MPa，則氣密檢驗壓力也為2.06 MPa，為保證安全閥氣密檢驗合格，安全閥整定壓力至少為2.27 MPa，由此可確定丙烯儲罐的最大允許工作壓力至少為2.27 MPa，水壓試驗壓力為2.84 MPa。如果液化丙烯儲罐設計壓力取2.16 MPa，則儲罐最大允許工作壓力為2.4 MPa，水壓試驗壓力為3.0 MPa。

4 儲罐泄壓裝置設計參數(shù)確定

4.1 安全閥動作壓力

對各種工況下安全閥泄壓裝置的動作壓力，GB/T 150.1—2011附錄B中有明確規(guī)定，加之安全閥的動作壓力具有唯一性，在使用中疑問較少。此外，GB/T 150.1—2011對安全閥動作壓力的規(guī)定與API 520—2014相同。

但對爆破片泄壓裝置的動作壓力規(guī)定，API 520—2014與GB/T 150.1—2011則存在著一些差別，下面重點討論一下爆破片泄壓裝置的設計參數(shù)。

4.2 爆破片動作壓力

爆破片與安全閥動作原理不同。爆破片是不可重復使用的，設備內(nèi)壓力達到設定爆破壓力范圍內(nèi)任意值，爆破片隨時可能發(fā)生爆破泄壓，無法重新關閉。安全閥動作壓力有唯一確定的值，爆破片的動作壓力則不同。爆破片的動作壓力是一個規(guī)定的范圍，壓力達到規(guī)定范圍內(nèi)任意值即發(fā)生爆破泄壓，而且同一批次生產(chǎn)的多個爆破片發(fā)生爆破泄壓時的動作壓力都略有差別。按GB/T 567.1—2012《爆破片安全裝置 第1部分：基本要求》[15]中規(guī)定，爆破片標定爆破壓力為給定爆破溫度下一批產(chǎn)品隨機抽樣各件的爆破壓力算數(shù)平均值。當產(chǎn)品給定制造范圍時，可按制造范圍計算出標定爆破壓力的允許最大與最小值，抽樣爆破壓力平均值落在制造范圍內(nèi)即可，同時要求參與抽樣檢查的爆破片的爆破允差滿足相應標準要求。當不考慮制造范圍（制造范圍為0），只有爆破允差時，其標定爆破壓力即為設計（或指定）爆破壓力。對設計爆破壓力大于等于0.3 MPa，參與抽樣檢查的爆破片的爆破壓力均應在設計爆破壓力的±5%范圍內(nèi)，則標定爆破壓力的最大與最小值也在設計爆破壓力的±5%范圍內(nèi)。

由于爆破片泄壓裝置是不可重復使用的一次性泄壓裝置，在使用時必須考慮所選擇類型爆破片的允許操作壓力比 （操作壓力比為容器工作壓力與爆破片最小允許爆破壓力之比），操作壓力比必須滿足相關規(guī)范的要求，否則過高的操作壓力會極大縮短爆破片使用壽命，使生產(chǎn)過程無法連續(xù)進行。

既然爆破片的動作壓力是一個范圍，不是一個確定值，而容器的設計壓力或最大允許工作壓力又是一個確定值，因此有必要對API 520—2014和GB/T 150.1—2011中有關爆破片動作壓力的規(guī)定進行比較。

4.2.1 API 520—2014中爆破片動作壓力規(guī)定

API 520—2014中爆破片的動作壓力定義為爆破片標定爆破壓力的最大允許值 （簡稱最大允許標定爆破壓力），并規(guī)定爆破片最大允許標定爆破壓力不大于容器的最大允許工作壓力（如果有）或容器設計壓力（對單一泄壓裝置而言）。按此規(guī)定，保爆破片最大標定爆破壓力不會大于容器許用壓力。

4.2.2 GB/T150.1—2011中爆破片動作壓力規(guī)定

GB/T 150.1—2011中將爆破片的動作壓力定義為爆破片設計爆破壓力 （一個確定參數(shù)），規(guī)定爆破片動作壓力不大于容器設計壓力 （對單一泄壓裝置而言）。即是說，如果爆破片設計爆破壓力確定了，則考慮爆破允差（不同壓力值的允差不相同）、制造范圍等因素。按照此規(guī)定確定的爆破片最大標定爆破壓力容易超過容器許用壓力 （設計壓力）。

4.3 API 520—2014中泄壓裝置動作壓力及泄放壓力確定

4.3.1 當泄壓裝置動作壓力參照容器最大允許工作壓力確定時

（1）對容器安裝單一泄壓裝置時，泄放裝置的動作壓力不大于容器最大允許工作壓力。非火災超壓工況下，泄放壓力為容器最大允許工作壓力+允許超壓限(10%)（絕壓）。泄放壓力指設備安全泄放面積計算公式中用到的壓力。

（2）對容器安裝多個泄壓裝置時，第一個泄壓裝置的動作壓力不大于容器最大允許工作壓力，其他泄壓裝置的動作壓力為1.05倍容器最大允許工作壓力。對非火災超壓工況，此設備安裝的各泄壓裝置的泄放壓力均為容器最大允許工作壓力+ 允許超壓限（16%）（絕壓）。

（3）考慮容器遇到外來火災或接近無法預知的外來熱源引起的超壓時，容器超壓上限應不大于容器最大允許工作壓力的21%。當所安裝的泄壓裝置的泄壓能力不足以同時滿足上述第（1）條和第(2)條中非火災工況引起的超壓和火災（熱源）引起的超壓而需要增加輔助泄壓裝置時，增加的輔助泄壓裝置的動作壓力取為容器最大允許工作壓力的1.1倍 （此輔助泄壓裝置只考慮火災或熱源引起的超壓泄放）。

當設備的超壓是熱源（火災）引起時，泄壓裝置的動作壓力同上述規(guī)定，泄放壓力均為容器最大允許工作壓力+允許超壓限（21%）（絕壓）。

4.3.2 當規(guī)定泄壓裝置動作壓力小于容器最大允許工作壓力時

各種條件下泄壓裝置的泄放壓力計算式均為：泄放壓力=泄放裝置動作壓力+允許超壓限+容器最大允許工作壓力與泄壓裝置動作壓力之差(絕壓)。即是說，不管規(guī)定泄壓裝置的動作壓力比容器最大允許工作壓力小多少，但進行安全泄放面積計算時，公式中的泄放壓力與泄壓裝置動作壓力無關，只與容器許用壓力有關，這個規(guī)定與我國一些設計規(guī)范的規(guī)定不一致。

5 討論與建議

（1）對需要做氣密試驗的液化氣儲罐，應當按照新版《容規(guī)》規(guī)定，充分考慮安全閥的氣密性，在保證《容規(guī)》要求基礎上，盡量降低儲罐設計壓力，這樣也降低了安全氣密檢驗要求。按照新版 《容規(guī)》規(guī)定需要氣密檢驗的容器，應按照容器最大允許工作壓力進行設計制造，而最大允許工作壓力應以安全閥氣密試驗規(guī)定為基礎進行合理確定，這樣不僅滿足設備安全要求，也可降低設備的制造成本。

（2）對超壓泄放裝置各參數(shù)確定，應按相應標準的規(guī)定執(zhí)行。作為與容器設計密切相關的泄壓裝置動作壓力，比較API 520—2014和GB/T 150.1—2011對動作壓力的定義可以看出，兩者對安全閥動作壓力定義基本相同，但對爆破片動作壓力的定義卻有較大區(qū)別。API 520—2014考慮了爆破片動作壓力是一個范圍值，選取最大允許標定壓力作為爆破片動作壓力，規(guī)定容器最大允許工作壓力不低于爆破片最大允許標定爆破壓力。GB/T 150.1—2011中以爆破片設計爆破壓力為爆破片動作壓力，是最大與最小允許標定爆破壓力的平均值，盡管兩種定義對容器設計影響較小，但在理論上，API 520—2014的定義更加合理，真正保證了泄壓裝置的動作壓力不大于容器設計壓力。而GB/T 150.1—2011的規(guī)定就無法保證，對爆破壓力偏上限的產(chǎn)品，其實際爆破壓力就可能大于容器設計壓力。

（3）建議在修訂 GB/T 150.1—2011時，增加各種工況下泄壓裝置的泄放壓力計算實例，以避免設計者對計算參數(shù)理解不充分而錯誤使用的情況發(fā)生。