鐵路常壓罐車安全閥整定壓力設定研究分析

周建輝

摘 要：本文對鐵路常壓罐車呼吸式安全閥整定壓力設定進行了研究分析，對既有罐車安全閥整定壓力進行了核算，根據分析結果，提出了有關建議。

關鍵詞：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，它通過調節(jié)罐體內部和外部的壓力差，來保證鐵路罐車運用過程中罐體的安全性。安全閥整定壓力的設定對罐車的運用安全尤為重要，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定，對既有安全閥整定壓力進行了核算，根據分析結果，提出了有關建議。

1 安全閥整定壓力的定義

整定壓力是安全閥在運行條件下的開啟預定壓力，是在閥門進口處測量的表壓力。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 呼出整定壓力的設定

安全閥呼出整定的壓力的設定與罐車的充裝量有很大關系，也與介質的飽和蒸汽壓有關。預留空容積的大小影響罐車運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置。我國常壓鐵路罐車既有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輸液體介質，運輸過程中，液體介質隨溫度升高體積膨脹，為保證罐體安全，應預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兩部分容積組成。

GB/T5600規(guī)定：罐體空容積應根據裝載介質的性質計算決定，在此基礎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。

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

2.2 罐車氣體空壓力計算

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)境溫度升高會使介質膨脹，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造成壓力升高。以下為模擬計算罐體頂部的最高壓力。

已知：GQ70型輕油罐車罐體總容積為80.3 m3，有效容積為78.7 m3，空容積1.6 m3，實際按95%標記容積裝載。罐體長度為11 100 mm，罐體外徑為3 070 mm～3 170 mm。汽油體積熱膨脹系數為0.001 25/℃，碳鋼的熱膨脹系數為1.06×10-6/K～12.2×10-6/K?？諝庠谄椭械娜芙饪珊雎圆挥?。假設罐體升溫50℃，則罐體體積膨脹應為0.009 m3，由此可見，罐體膨脹的體積很小，可忽略不計。

（1）按裝車溫度20℃，介質溫度升溫30℃計算?？芍獎t汽油膨脹體積為2.81 m3。

裝車溫度20℃時，罐內氣體空間壓力為P0，汽油飽和蒸汽壓為37.1 kPa，根據分壓定理，空氣的壓力應為63.9 kPa，空氣與汽油物質的量之比為：n空氣：n汽油蒸汽=63.9：37.1=1.72

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

（2）假設罐內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，罐內氣體空間壓力為P0，汽油飽和蒸汽壓為17.9 kPa，根據分壓定理，空氣的壓力應為83.1 kPa，空氣與汽油物質的量之比應為4.64：1，升溫至40℃后，空氣產生的壓力174.6 kPa，40℃時汽油飽和蒸汽壓為69.2 kPa，則罐內氣體空間壓力為243.8 kPa（絕壓），即142.8 kPa（表壓）。

從（1）、（2）計算分析可知，既有A41X型呼吸式安全閥呼出整定壓力設定為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壓，內壓力最高為GQ70罐車，其次為冰醋酸罐車，分別為123.3 kPa，121.0 kPa。非?；饭捃囉捎谘b載不需要按95%的標記載重裝載，內壓力最高為食用油罐車，可達130.2 kPa。在同等溫升條件下食用油罐車內壓比GQ70罐車稍高，但由于食用油飽和蒸汽壓幾乎為0，不存在介質蒸汽損失的問題。而汽油飽和蒸汽壓最高，內壓也高，以GQ70罐車為例對安全閥的要求進行計算是合理的。

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，根據試驗結果，吸入流量約為0.011 25 m3/s（標況、全啟壓力3.5 kPa）。

3.1 罐體承受負壓能力校核

以GQ70罐車為例計算校核。

（1）按GB150.3外壓圓筒穩(wěn)定性校核，取3倍安全系數，負壓允許值可達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算了罐體的臨界失穩(wěn)壓力，取3倍安全系數，負壓允許值可達23.3 kPa、20.8 kPa。

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

3.2 安全閥吸入能力核算

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

3.2.1 空罐內氣體降溫30℃后需要補充的氣體量

假設罐車初始溫度為50℃，急劇降溫后罐體氣體下降為20℃，由氣態(tài)方程可計算罐內壓力為91.6 kPa，即罐體負壓為9.4 kPa。罐內氣體假設為理想氣體，按空氣參數計算，則初始條件下罐內氣體物質的量為3 021.5 mol，罐內外氣體需重新達到平衡狀需要的氣體物質的量為3 330.9 mol，需補充氣體309.4 mol，換算成標態(tài)空氣約為6.9 m3。

3.2.2 空罐內氣體降溫30℃所需時間

假設罐內全部為空氣，罐內氣體初始溫度50℃，外界環(huán)境溫度20℃，熱交換主要為在罐壁自然對流。按大空間自然對流、水平圓柱計算方式，空氣對流熱交換系數計算，罐內空氣由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℃所需時間計算得591 s。

3.2.3 安全閥平衡負壓所需時間

A41X型呼吸式安全閥的吸入整定壓力為1.5 kPa～2 kPa時，按試驗數據單個安全閥吸入流量0.011 25 m3/s，吸入6.9 m3的空氣需要的時間為308 s。

根據計算結果，罐體平均壓降速度為0.015 9 kPa/s，為維持內壓平衡，補充空氣的速度平均為0.011 7 m3/s。GQ70罐車裝用2個A41X型呼吸式安全閥，安全閥吸氣量為0.022 5 m3/s。吸入閥開啟壓力設置為2 kPa時吸入量能滿足要求。

上述計算若考慮罐內空氣對流熱交換的時間，實際降溫時間應大于591 s，要求補充空氣的速度比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、長度尺寸總體相差不大，對安全閥吸入整定壓力、吸入量要求相當。

4 結論

（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，可以考慮適當提高該壓力。

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

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