火災工況厚壁容器減壓時間計算

鄭海敏，黃喆，劉向東，陳子婧

（中海油研究總院有限責任公司， 北京 100028）

在海洋石油工程中，壓力容器的減壓系統(tǒng)應有足夠的處理能力，以應對其壓力在受到火災或其他原因時，容器內(nèi)壓力快速升高到使其破壞的壓力。當發(fā)生火災或其他原因時，設備金屬材料溫度升高，并可能出現(xiàn)使其達到破裂的程度。因此，對含有天然氣或蒸氣的設備或容器，需進行有控制地降壓，以降低設備內(nèi)部壓力，避免設備發(fā)生破裂或破損[1]。

海洋石油工程設計標準APIStandard521 中，對氣體（或蒸汽）減壓系統(tǒng)的設計能力有這樣的描述：在火災工況下，對于壁厚等于或大于25.4mm（1in）的碳鋼容器，要求在15min內(nèi)設備內(nèi)壓力由最初的壓力降低到容器設計壓力的50%。通過計算和分析容器壁溫隨時間的變化，要求在火災工況下，對于壁厚大約等于或大于25.4mm（1in）的容器，要求在15min內(nèi)將設備內(nèi)的壓力由最初壓力降到容器設計壓力的一半。而對于壁厚更薄一點的容器，則通常需要略大一些的減壓速度，即更短的減壓時間[2]。

理論上，容器減壓速率越小（即減壓時間越長）越危險，反之，容器減壓速率越大，其發(fā)生破裂的可能性就越小。但減壓速率越大，容器的泄放量也會隨之增大，并加重火炬系統(tǒng)的負荷，造成火炬設計的浪費，不滿足設計的經(jīng)濟性原則。

因此，對于壁厚大于25.4mm的容器，仍要求在15min將設備內(nèi)的壓力降到容器設計壓力的一半則過于保守。若能準確分析并計算出厚壁（壁厚大于25.4mm）容器的臨界減壓時間，將能更好地服務于平臺的設計，以減小平臺資源浪費。本論文以南海某平臺上的天然氣氣體洗滌器（壁厚40mm）為例，分析計算了火災工況下容器的臨界減壓時間，一方面驗證規(guī)范的有效性，另一方面實現(xiàn)從設計源頭進行降本增效。

1 火災工況下厚壁容器減壓時間計算

2.1 容器基本參數(shù)

本論文中所研究的厚壁（壁厚大于1in）容器為南海某平臺上的氣體洗滌器，其基本參數(shù)如表1.1所示。

表1.1 氣體洗滌器基本參數(shù)

2.2 容器破裂應力計算

機械強度是壓力容器安全設計的核心內(nèi)容之一。在設計工程中應最大程度提高容器的抗壓值，根據(jù)介質(zhì)合理選擇材質(zhì)，在壓力容器長期運轉(zhuǎn)過程中減小機械形變概率，降低機械損傷；承壓材料的選擇，壓力容器機械強度，既要滿足國家強制標準，又要滿足實際工藝特性[3]。

未濕潤表面的容器指內(nèi)壁僅暴露于氣體、蒸氣或超臨界流體的容器；或者，不管內(nèi)部裝有何種流體，但內(nèi)壁有隔熱作用的容器。對于未濕潤表面的容器，由于其內(nèi)含流體或其他任何隔熱物質(zhì)的阻礙作用使得從器壁到流體的傳熱較低，其裸露的表面從明火中吸收熱量，但由于其內(nèi)所含的流體或其他隔熱物質(zhì)阻礙熱量由器壁傳遞到流體，導致外裸露表面從明火中吸收的熱量能夠快速并充分地使容器達到一個足以破壞壁面的溫度，進而導致容器的破裂應力減小，機械強度減弱。圖2.1和圖2.2綜合表明未濕潤裸露表面容器壁被加熱到破裂狀態(tài)的迅速程度。其中，圖1[4]表示暴露于明火中的幾種厚度不同的未濕潤鋼板的溫度隨時間的變化關系，例如1in（25.4mm）厚未濕潤鋼板暴露于明火中達到1100℉大約需要12min，到達1300℉大約需要17min。圖2[5]則表示溫度過熱ASME A515 70 Grad鋼的影響，例如在103425kPa（15000psi）的應力下，未濕潤表面鋼制容器在1100℉下破裂時間為7h，在1300℉條件下破裂時間為2.5min。

圖2.1 暴露于明火中鋼板溫升速率

圖2.2 破裂應力隨ASTM A515 Grade 70鋼材加熱時間的變化

圖2.1表示暴露于明火中鋼板溫度隨時間升高趨勢線，由圖可以看出：對于不同厚度的鋼板，其溫升速率是不同的，鋼板厚度越大，溫升速率越慢；反之，鋼板厚度越小，溫升速率越快，即對厚壁容器而言，暴露于明火中鋼板溫度升高溫度相對薄壁容器的要慢。圖2.2表示破裂應力隨容器鋼板加熱時間的變化趨勢，由圖可以看出：隨著加熱（暴露于明火中）時間的增長，鋼板的破裂應力急劇減?。浑S著加熱溫度的升高，鋼板所能承受的破裂應力是減小的。

根據(jù)圖2.1和圖2.2，可以得出減壓過程中器壁溫度和對應破裂應力值隨時間的變化，如表2.2和圖2.3所示。并由圖2.3可看出，未濕潤表面的容器暴露于明火中的時間越長，容器破裂應力越小，則其所能承受的壓力越小，受到破壞的可能性隨之增大。

圖2.3 容器（氣體洗滌器）破裂應力隨加熱時間變化趨勢

表2.2 火災工況下不同時間容器鋼板溫度和破裂應力

2.3 容器承壓能力計算

對于壓力容器，在內(nèi)壓作用下，根據(jù)環(huán)向薄膜應力得到器壁厚度如下式[6]：

式中，t表示計算厚度，in；P表示內(nèi)壓力，psi；R表示內(nèi)半徑，in；S表示材料的許用應力（數(shù)值上等于材料的破裂應力），psi；E表示焊接接頭系數(shù)，取值為0.85。式（2-1）適用條件為t＜0.5R或P＞0.385SE。

因此，在壁厚已知的的情況下，可以推導出容器所能承受的最大壓力如下式：

可得出，式（2-2）恒小于式（2-4）。因此，設計器壁厚度時，容器所能承受最大壓力為根據(jù)環(huán)向薄膜應力計算出的器壁厚度所能承受最大壓力。

由式（2-2）計算氣體洗滌器在減壓過程中，所能承受的最大壓力隨時間變化的情況，如表2.3和圖2.4所示。

表2.3 洗滌器不同時間下所能承受最大壓力

圖2.4 不同時間所對應容器承壓能力曲線

由圖2.4可看出，隨著受熱時間的增長，氣體洗滌器承壓能力呈下降趨勢，所能承受最大壓力值在不斷減小。經(jīng)過15分鐘，氣體洗滌器所能承受的內(nèi)壓是15078.1 kPaG，遠高于規(guī)范中要求15分鐘內(nèi)洗滌器內(nèi)壓力要降至設計壓力（9700kPaG）的50%即4850kPaG。因此，發(fā)生火災工況下，按照規(guī)范要求的減壓速率進行減壓，氣體洗滌器不會發(fā)生破裂，減壓速率滿足要求，該計算也進一步驗證了規(guī)范的適用性。

按照規(guī)范要求，容器內(nèi)壓力降至設計壓力（9700kPaG）的50%（4850kPaG）即可保證其安全性。由圖2.4可得，在20.5min處氣體洗滌器承壓能力為4580kPaG，即該氣體洗滌器臨界減壓時間為20.5min，但實際減壓時間需低于20.5min。雖然減壓時間越短越安全，但是減壓時間越短，氣體洗滌器的減壓速率和泄放量也會隨之增大，可能加重火炬系統(tǒng)的負荷，造成其浪費。因此在實際工程設計中，該氣體洗滌器的減壓時間以略小于20.5min為宜。

3 結論與建議

論文中根據(jù)分析火災工況下容器壁溫隨時間變化規(guī)律，獲得對應時間破裂應力，通過計算得到洗滌器在火災工況下的臨界減壓時間為20.5min，長于規(guī)范中要求其15min的減壓時間。因此，發(fā)生火災工況下，按照規(guī)范要求的減壓速率進行減壓，氣體洗滌器不會發(fā)生破裂，驗證了規(guī)范要求的有效性。雖然減壓時間越短越安全，但是減壓時間越短，氣體洗滌器的減壓速率和泄放量也會隨之增大，可能加重火炬系統(tǒng)的負荷，造成其浪費。因此在實際工程設計中，該氣體洗滌器的減壓時間選擇以略小于20.5min為宜，進一步實現(xiàn)對今后工藝系統(tǒng)的優(yōu)化設計。