液化氣儲存容器中充裝量的探討

李為民

（山西陽煤化工機械有限公司，山西 太原 030032）

液化氣儲存容器的設(shè)計沒有專門的行業(yè)設(shè)計標準，一般參照 GB150.1－4《壓力容器》設(shè)計。但是，該壓力容器設(shè)計與一般壓力容器設(shè)計有不同之處。所以，為保證液化氣儲存容器的安全運行，要求設(shè)計中明確給出其充裝量。TSG R004－2009《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》3.13條要求“儲存液化氣體的壓力容器應(yīng)當規(guī)定設(shè)計儲存量，裝量系數(shù)不得大于0.95”。此條款只原則上規(guī)定了裝量系數(shù)，沒作具體規(guī)定?？墒?，液化氣的儲存量卻直接影響容器的工作壓力，關(guān)系到容器的設(shè)計與使用安全，應(yīng)予以高度重視。

1 液化氣儲存容器工作壓力與充裝量的關(guān)系

眾所周知，液化氣是將氣體加壓或降溫后，液化成液體，液化氣在壓力作用下，大部分應(yīng)呈液態(tài)，但實際上是氣液并存的飽和狀態(tài)。液化氣按照臨界點可分為2類：一類是低臨界點的液化氣，如乙烯、乙炔等；另一類是高臨界點的液化氣，如氨、氯等。液化氣容器充裝量。對其工作壓力的影響分析如下：

1）容器內(nèi)盛裝低臨界點液化氣，容器內(nèi)介質(zhì)設(shè)計溫度若按50℃考慮，容器內(nèi)液體全部氣化成氣

式中：P為容器內(nèi)氣體壓力，MPa；Z為氣體壓縮系數(shù)；R為氣體常數(shù)；T為氣體溫度，K；V為容器體積，m3；M為氣體相對分子質(zhì)量；m為容器內(nèi)液化氣質(zhì)量，kg。

由式（1）可知，容器內(nèi)的壓力P與其充裝質(zhì)量m成正比。在設(shè)計此類容器時，其設(shè)計壓力的大小是根據(jù)容器中介質(zhì)的充裝量來確定的。在使用時，容器的實際充裝量不應(yīng)超過設(shè)計充裝量。否則，會導(dǎo)致容器的實際工作壓力大于其設(shè)計壓力，甚至造成破壞。

2）液化氣容器充裝量過大時，對工作壓力的影響。盛裝低臨界點液化氣，容器內(nèi)介質(zhì)溫度50℃以下，在安全設(shè)計充裝量內(nèi)，容器內(nèi)為氣液兩態(tài)并存，其工作壓力始終是液體的飽和蒸汽壓。但是，充裝過量，會出現(xiàn)容器內(nèi)實際壓力大于設(shè)計壓力。因為液態(tài)液化氣的密度隨溫度變化比較大，同樣質(zhì)量的介質(zhì)在不同溫度下有不同的體積。若使用時不注意溫度引起的密度變化，就有可能造成超裝，達到一定溫度后，容器將會全部被液體充滿。此時，溫度再升高，液體則要繼續(xù)膨脹，由于液體的壓縮性很小，往往會造成容器內(nèi)壓力的急劇增高，甚至造成容器破裂。例如，過量充裝的液氯鋼瓶滿液時，溫度每升高1℃，瓶內(nèi)壓力增加1MPa～2MPa；當溫度再升高，就會導(dǎo)致爆炸，發(fā)生所謂“蒸汽爆炸”或稱“爆沸”現(xiàn)體。此時，氣體壓力值由氣態(tài)方程式（1）計算：象，這時所釋放的能量要比盛裝一般氣體大得多。液化氣體過量充裝是這類壓力容器發(fā)生爆炸的主要原因之一。

綜上所述，液化氣體過量充裝十分危險，合理確定設(shè)計充裝量對容器的使用安全非常重要。

2 液化氣儲存容器充裝量的計算與確定

液化氣儲存容器安全設(shè)計儲存量不得超過式（2）計算值：

式中：W為液化氣儲存量，kg；φ為設(shè)計裝量系數(shù)（一般取0.90，不得大于0.95）；ρt為設(shè)計溫度下的飽和液體密度，kg／m3；其余參數(shù)同前。

由式（2）可看出，該式計算的設(shè)計儲存量，在設(shè)計溫度下液體所占體積不會超過容器體積的90%或95%，可確保容器在設(shè)計溫度下仍有5%～10%的氣相空間。即，液化氣儲存容器使用過程中，只要實際儲存量不超過式（2）計算的設(shè)計充裝量，就不出現(xiàn)在設(shè)計溫度下容器被液體充滿的現(xiàn)象，保證了設(shè)備的安全運行。

但為了計量方便，有不少液化氣儲存容器在使用中通常用液位計觀察介質(zhì)的體積充裝量，并非按式（2）計算充裝量。同時，也不可以直接按圖樣中標注的裝量系數(shù)進行充裝。因為由前述可知，一定質(zhì)量的液化氣，其體積隨溫度的不同而變化。圖樣中所標注的為設(shè)計裝量系數(shù)，是在設(shè)計溫度下充裝時的裝量系數(shù)。實際裝量系數(shù)應(yīng)以式（3）修正計算為宜。

式中：φ′為實際充裝溫度下的裝量系數(shù)；ρ′為實際充裝溫度下的飽和液體密度，kg／m3；其余參數(shù)同前。

例如，一臺液氨儲罐，其設(shè)計溫度為50℃，設(shè)計裝量系數(shù)為0.9，裝料時的溫度為10℃。如果操作過程中不了解溫度對液化氣體積的影響，仍按設(shè)計裝量系數(shù)0.9充裝，那么，當溫度升為設(shè)計溫度時，容器則會被液體完全充滿乃至超壓。由相關(guān)資料可查得，液氨密度10℃時ρ10℃＝624kg／m3、50℃時ρ50℃＝562kg／m3，當φ＝0.9時，則導(dǎo)致在設(shè)計溫度50℃下，φ50℃＝（ρ′／ρt）φ′＝（624／562）×0.9＝1＞φ＝0.9，顯然不符合設(shè)計要求。

如果已知設(shè)計裝量系數(shù)φ＝0.9，由相關(guān)資料查得在設(shè)計溫度（50℃）下液氨密度ρt＝526kg／m3，裝料溫度為10℃、0℃、－10℃時，液氨密度ρ′分別為625、638、652kg／m3。然后按式（3）計算。

在10℃充裝時，φ′＝（526／624）×0.9＝0.84；0℃充裝時，φ′＝（526／638）×0.9＝0.82；－10℃充裝時，φ′＝（526／652）×0.9＝0.80。

即，在液氨為10℃充裝時，只可充裝容器的84%；在0℃充裝時，允許充裝容器的82%；在－10℃充裝時，則更少，裝量不可超過容器體積的80%。只有這樣，才能保證容器在設(shè)計溫度（50℃）下仍有10%的氣相空間。

3 結(jié)論

1）液化氣儲存容器設(shè)計圖樣或使用說明書中最好直觀地給出容器的允許充裝量。

2）當按體積裝量系數(shù)表達充裝量時，建議設(shè)計者按式（3）分別計算出可能出現(xiàn)的各裝料溫度下的裝量系數(shù)值（間隔可為5℃～10℃），且在圖樣技術(shù)要求或使用說明書中注明，以指導(dǎo)使用者正確操作，確保容器的安全運行。