液化氣體罐車“過度設計”的隱患

張石

（遼河油田物資公司，遼寧盤錦124012）

液化氣體罐車“過度設計”的隱患

張石

（遼河油田物資公司，遼寧盤錦124012）

目前在液化石油氣運輸中，普遍存在以設計壓力較高的罐車充裝飽和蒸汽壓較低的介質，即所謂“過度設計”的現(xiàn)象，這并不意味著安全，因為在液化氣體罐車現(xiàn)有的安全規(guī)程中，安全閥的整定壓力僅與罐體的設計壓力掛鉤，而與介質物性無直接關聯(lián)，整定壓力過高會導致罐開啟時排放液相，失去預期的作用。針對這種情況，文章分析了液化氣體罐車安全閥的作用原理，指出現(xiàn)行《液化氣體鐵路罐車安全管理規(guī)程》對安全閥參數(shù)的規(guī)定和液位計作用存在的一些不嚴格之處，有可能造成安全隱患，建議在修訂時充分吸收國外先進標準的優(yōu)點，防患于未然。

液化氣體罐車；過度設計；隱患分析

隨著石油化工的高速發(fā)展，液化氣體產量日增。罐車（鐵路罐車或汽車罐車，以下統(tǒng)稱罐車）作為液化氣長途運輸?shù)闹饕ぞ撸渖鐣Ｓ辛恳膊粩嘣龃?。由于液化氣體多系易燃易爆或者有毒氣體，所以運輸?shù)陌踩允艿礁鞣降母叨戎匾?。筆者所在的遼河油田也擁有大批液化氣體罐車，按化工部1988年頒發(fā)的《液化氣體鐵路罐車安全管理規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）定期進行檢修。檢修頻率較高的是安全附件，如安全閥和液位計。但是，筆者認為《規(guī)程》對安全閥開啟壓力（即整定壓力）的規(guī)定等不盡合理，故提出一些自己的看法，供參考。

1 液化氣體罐車安全閥的作用原理

在罐車運行中，最危險的事故應屬罐體爆炸。為了防止出現(xiàn)這種情況，《規(guī)程》對罐體設計、材料和制造均有明確的要求。除此之外，還要求罐體上必須配置相關的安全附件。本文關注的是其中用于防止罐內出現(xiàn)超過設計壓力（即最高允許工作壓力MAWP）以致引起爆炸的安全閥。

什么情況下罐內會出現(xiàn)超過設計壓力的情況呢？眾所周知，罐內液化氣體（以下簡稱介質）的液相與氣相處于物理化學的平衡狀態(tài)，只要這種狀態(tài)不被破壞，壓力則為溫度的函數(shù)，即超壓的前提是過熱?！兑?guī)程》對設計溫度規(guī)定為50°C，超過這個溫度即為過熱。大家已普遍接受美國石油協(xié)會（API）的觀點：雖然曝曬等自然因素能導致罐體過熱，但最極端的條件卻是遭遇火災。為了抵消由火災導入的熱量，阻止溫度升高，API在實驗的基礎上對安全閥提出兩個要求：

（1） 安全閥在罐體內壓力超過其整定值時開啟。

（2） 安全閥全啟后的額定排放能力必須大于下式計算結果：

Q=（37 100 A0.82）/r

式中Q——安全閥的最小排放能力；

A——罐體的表面積；

r——介質在設計溫度下的氣化潛熱。

安全閥的降壓作用并非基于排出多余的介質，而是基于液相的蒸發(fā)，即液—氣相變耗去的潛熱抵消了外部火災導入的熱量，從而維持介質的溫度不變。安全閥的開啟和排放都是為了維持一個連續(xù)的液—氣相變，安全閥只允許排放氣相介質，而不允許直接排放液相。因此在罐體內部必須保有一定的氣相空間，安全閥的入口只允許與氣相空間相通。

2 《規(guī)程》存在的不足

2.1 《規(guī)程》對罐體的“過度設計”無限制

我國現(xiàn)行的規(guī)程、規(guī)范均未涉及“過度設計”概念。它意味著罐體的設計壓力超過了介質工作條件下的實際需要，比如以設計壓力為2.2 MPa的丙烯罐車充裝丙烷（或與之類似的、在50℃下飽和蒸汽壓不大于1.6 MPa的混合液化石油氣）。這種情況普遍存在，任何規(guī)范均未加限制。許多煉廠甚至硬性規(guī)定必須使用設計壓力為2.2 MPa的罐車運輸液化石油氣，這將會導致重大隱患?！兑?guī)程》的條款不能保證在火災情況下，安全閥能正常工作。

其隱患的根源在于安全閥的整定壓力（開啟壓力）是隨罐體設計壓力確定的?！兑?guī)程》“第12條安全閥”之4規(guī)定：“安全閥的開啟壓力（表壓）不得高于罐體設計壓力的1.2倍”，（即也允許為1.2倍）。以前述丙烯罐車充裝丙烷為例，隨著罐體設計壓力的提高，安全閥的開啟壓力相應提高到丙烷飽和蒸汽壓的1.25倍。這意味著在火災情況下，安全閥開啟之前，介質溫度已遠高于設計值。《規(guī)程》“第九條罐車的最大載重量”在注解中說明：“液化氣體重量充裝系數(shù)，按介質在50℃時罐體內留有6%～8%氣相空間及該溫度下的比重求得”，隨著介質溫度超過50℃，氣相空間的存在與否便是一個問題。

按照HG5-1587-84《液化石油氣罐車彈簧式安全閥》的定義，安全閥的開啟壓力（即整定壓力）為“閥瓣開始離開閥座，介質由視覺或聽覺感知呈連續(xù)排出狀態(tài)”時的壓力。按GB/T12241-2005《安全閥一般要求》的定義，開啟壓力是“由介質壓力產生的使閥門開啟的力同使閥瓣保持在閥座上的力相互平衡”時的壓力?？傊藭r安全閥尚不具備額定排放能力。“開啟”和“全啟”是兩個概念。HG5-1587-84規(guī)定達到額定排放能力時（此時“閥瓣全啟高度應不小于閥座喉頸的1/4，且‘簾面積’大于喉部凈面積”）的壓力（又稱額定排放壓力）可為開啟壓力（即整定壓力）的1.1倍，亦即罐體設計壓力的1.32倍。對于一臺“過度設計”的丙烷罐車，安全閥的額定排放壓力，亦即可以平衡火災熱量時的壓力，是其50°C時飽和蒸汽壓的1.65倍，約2.8 MPa（絕壓）。

丙烷在50℃時飽和蒸汽壓為1.59 MPa（表壓），液相密度γ=0.445 t/m3，因《規(guī)程》要求“重量充裝系數(shù)”Φ=0.42 t/m3，可保證有約6%的氣相空間。隨著溫度升高到63.3°C，液相介質密度降為γ=0.421 t/m3，與“重量充裝系數(shù)”一致，罐內已無氣相空間。而介質達到2.8 MPa（絕壓）時，對應飽和溫度約為74℃，密度γ=0.39t/m3，即液相的逸出量已達約7%。罐內無相變，液相介質在外來熱量的作用下，溫度迅速提高，壓力將沿著壓—焓圖中近似垂直的曲線上升，導致罐體破壞。

2.2 《規(guī)程》對充裝量的限制措施要求不明確

前文已述及出于安全考慮，罐車留有氣相空間是絕對必要的。為此除了防止過熱、超壓，還有一個前提是合理充裝。雖然《規(guī)程》有“第四十條罐車充裝量必須嚴格按第二章第九條執(zhí)行，嚴禁超裝，并以重量計量為準”的規(guī)定，但對罐體容積的計量卻未述及。還應指出，目前各煉廠產品成分不穩(wěn)定，密度也有變化。所以應該提供各批次介質的密度數(shù)值。“重量充裝系數(shù)”可用于罐車設計，在運行中卻不該是絕對的。

《規(guī)程》還要求罐車須有液面指示裝置，作為“指示液面的安全裝置”，此語容易引起歧義。國家質檢總局就曾下文要求罐車液位計精度應不低于2.5級，還要求對“最高安全液位應有明顯標記”。須知“重量充裝系數(shù)”是對介質50℃時規(guī)定的，而我們不可能在50℃下充裝，因而最高液位是個不可以“明顯標記”的變量。

3 結論和建議

（1） “過度設計”是一個普遍存在尚未引起足夠重視的問題。按照美國壓縮氣體協(xié)會（CGA）標準，當罐體設計壓力超過實際需要時，其安全閥的整定壓力應與罐體設計壓力脫鉤，而按所充裝介質于50℃下的飽和蒸汽壓的1.1倍確定。修訂《規(guī)程》時，應采納此原則。

（2） 為了保持罐體充裝后預留的氣相空間有效地發(fā)揮作用，安全閥的入口必須處于氣相空間，美國鐵路協(xié)會（AAR）標準明確規(guī)定：安全閥應位于罐體正上方，并在罐體的中部，其入口探入罐內的深度不能超過150 mm（6 in），《規(guī)程》也應有類似明確的要求。

（3） 液化石油氣密度的溫度系數(shù)較大，設計狀態(tài)與常溫充裝狀態(tài)偏差很大。液位計僅可作為參考手段。罐車出廠前應經(jīng)容積計量檢定，對檢定精度和責任方應明確規(guī)定；充裝單位應提供介質密度并負責確定安全充裝重量和進行稱重。

Abstract:At present,utilizing tank cars of higher design pressures to storage media with saturated steam pressures is a general approach.Such a so-called“excessive design”phenomenon does not mean safety.The reason is that in existing safety regulations of liquefied natural gas tank cars,the set-pressure of relief valve depends on the design pressure of tank only and does not relate to medium directly,and the excessive setpressure will cause liquid-phase emission as opening a tank and lead to an undesirable effect.This paper analyzes the working principle of relief valve at liquefied natural gas tank car and indicates that the active“Safety Management Regulations for Railway Liquefied Natural Gas Tank Cars”is not strict in relief valve parameters and liquidometer function,which may induce safety danger.Hence it suggests that the merits of foreign advanced standards should be learnt sufficiently for revising the regulations in order to prevent hidden danger.

Key words:liquefied natural gas tank car;excessive design;hidden danger analysis

（79）Hidden Danger from Excessive Design of Liquefied Natural Gas Tank Cars

ZHANG Shi（Liaohe Oilfield Materials Company,Panjin 124012,China）

TE972

B

1001－2206（2011）02－0079－02

張石（1976-），男，山東單縣人，工程師，1999年畢業(yè)于遼寧工程技術大學，碩士，現(xiàn)從事石油儲運工作。

2010-03-04；

2010-12-20