油罐安全閥未開(kāi)啟原因分析及改進(jìn)措施研究

楊奉斐 唐金曦 杜建波

1. 中國(guó)航空油料有限責(zé)任公司 北京 100000

2. 中國(guó)航空油料有限責(zé)任公司重慶分公司 重慶 404100

1 引言

安全閥是輸油管道上的重要安全附件，其可靠性和有效性對(duì)直接影響輸油安全。在密閉滿油管線中，安全閥整定壓力過(guò)高，安全閥開(kāi)啟后，安全閥進(jìn)出口管線會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈顫振，可能導(dǎo)致安全閥進(jìn)出口法蘭螺栓松動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致法蘭密封失效。同時(shí)，管線內(nèi)壓力過(guò)高會(huì)導(dǎo)致閥門憋壓、開(kāi)啟困難、降低閥門使用壽命等甚至引起滲漏等問(wèn)題。此外，可能導(dǎo)致安全閥長(zhǎng)期不動(dòng)作，使安全閥密封面粘黏，一旦出現(xiàn)超壓情況，安全閥可能無(wú)法開(kāi)啟。對(duì)此，筆者從安全使用角度進(jìn)行分析并提出改進(jìn)性措施，以確保安全閥達(dá)到使用效果。

2 油罐安全閥未開(kāi)啟原因分析

某油庫(kù)人員巡庫(kù)發(fā)現(xiàn)油罐位置處的DN400倒罐出口管線壓力達(dá)到1.09MPa，而安全閥未開(kāi)啟泄壓，油庫(kù)人員立即開(kāi)閥手動(dòng)泄壓。經(jīng)查，該安全閥整定壓力1MPa，在校驗(yàn)有效期內(nèi)，屬于普通彈簧封閉式安全閥。當(dāng)日天氣晴，上午09：45溫度28℃，連接安全閥出口端的油罐液位高12.5m。當(dāng)日溫度14℃～28℃，晝夜溫差變化大。為查明原因，油庫(kù)換上整定壓力為1MPa的同類型安全閥，在密閉管線上進(jìn)行安全閥開(kāi)啟測(cè)試。上午11：38，溫度27℃，測(cè)試管線受陽(yáng)光直射，壓力上升至1.18MPa后安全閥開(kāi)啟泄壓。連接安全閥出口端的油罐液位高18.94米。當(dāng)日，溫度18℃～27℃，晝夜溫差變化較大。分析原因主要如下：

2.1 忽略附加背壓

安全閥的出口端存在附加背壓，附加背壓對(duì)安全閥出口產(chǎn)生一個(gè)向下的作用力，從而安全閥開(kāi)啟須克服油罐靜壓。經(jīng)咨詢，校驗(yàn)機(jī)構(gòu)根據(jù)設(shè)計(jì)給定的整定壓力，使用空氣對(duì)安全閥進(jìn)行校驗(yàn)整定，安全閥出口沒(méi)有附加背壓。根據(jù)《彈簧直接載荷式安全閥》[1]：整定壓力＞0.5MPa時(shí)，整定壓力偏差在±3%整定壓力內(nèi)即校驗(yàn)合格。故有附加背壓的情況下，安全閥達(dá)到整定壓力不會(huì)開(kāi)啟。此外，校驗(yàn)機(jī)構(gòu)無(wú)法對(duì)附加背壓變化較大的工況，進(jìn)行安全閥的準(zhǔn)確校驗(yàn)。

2.2 安全閥整定值過(guò)高

經(jīng)查閱標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計(jì)說(shuō)明、校驗(yàn)報(bào)告，認(rèn)為該管線上安全閥整定壓力過(guò)高。設(shè)計(jì)說(shuō)明和校驗(yàn)報(bào)告中，油罐倒罐出口管線公稱壓力1.6MPa，工作壓力0.5MPa，安全閥整定壓力1.0MPa。根據(jù)GB50316《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]：安全閥整定壓力為正常最大工作壓力的1.1倍，最低為1.05倍。按照正常最大工作壓力的1.1倍，安全閥整定壓力應(yīng)為0.55MPa，故判斷原安全閥整定壓力1.0MPa過(guò)高。

2.3 密閉滿油管線熱膨脹導(dǎo)致壓力升高

對(duì)于密閉充油的管線，一旦管線充滿油之后，管線內(nèi)油品吸收太陽(yáng)熱輻射，管線壓力就會(huì)隨著溫度的升高而急劇上升。根據(jù)《化工安全技術(shù)手冊(cè)》[3]，在兩端閥門關(guān)斷的密閉充滿油管線中，管線內(nèi)油品溫度和壓力的關(guān)系公式（1）如下：

式中：P0—溫度為t1時(shí)，管線初始?jí)毫?，KPa；

P1—溫度為t2時(shí)，管線最終壓力，KPa；

Δt—溫度變化值，Δt=t2-t1，℃；

β—輕質(zhì)油品的平均膨脹系數(shù)通常為0.0007～0.0016 1/℃，在溫度低于150℃的情況下，膨脹系數(shù)隨溫度的變化較小，為方便計(jì)算，取值為0.001 1/℃；

β0—鋼材線性膨脹系數(shù)，β0=1.2×10-51/℃；

α—輕質(zhì)油品的平均壓縮系數(shù)，α=7.3×10-71/KPa；

Ω—壓力升高時(shí)鋼管容積增大系數(shù)；在壓力不超過(guò)管材的屈服壓力時(shí)，可根據(jù)管材外徑與內(nèi)徑之比，，從表1選用；

表1 鋼管容積增大系數(shù)

此段輸油管線外徑406mm，壁厚8.7mm，管線外徑與內(nèi)徑之比為1.04，查詢表1，管線容積增大系數(shù)Ω=24×10-81/KPa，管線最終壓力計(jì)算如下：：

由上述計(jì)算可知，管線內(nèi)油品溫度每升高1℃，管線內(nèi)壓力將升至993.8KPa。管線內(nèi)油品初始?jí)毫0為100kpa，假設(shè)密閉滿油管線因陽(yáng)光暴曬使管線內(nèi)油品溫度升高了2℃（即Δt=t2-t1=2），導(dǎo)入公式計(jì)算可得P1=2087.6KPa，即2.0876MPa，超過(guò)了管線的設(shè)計(jì)公稱壓力（1.6 MPa）。因此，密閉充滿油的管線上合理設(shè)置安全閥整定值以及確保安全閥正常工作顯得尤為重要。

2.4 調(diào)整安全閥整定壓力應(yīng)用

油庫(kù)根據(jù)該輸油管線0.5MPa的工作壓力，將原整定壓力1.0～1.3MPa等級(jí)的安全閥更換為整定壓力0.4～0.6MPa等級(jí)的安全閥，送檢后，安全閥整定壓力調(diào)整為0.55MPa，安全閥開(kāi)啟正常，開(kāi)啟時(shí)產(chǎn)生的顫振明顯減小。油庫(kù)通過(guò)人防、物防、技防的手段對(duì)泄壓裝置進(jìn)行管控，確保泄壓裝置有效可靠。

3 改進(jìn)措施研究

3.1 安全閥公稱壓力、工作壓力、安全閥彈簧壓力級(jí)的確定

安全閥公稱壓力、工作壓力及彈簧工作壓力意義均不相同，應(yīng)避免混淆。同一公稱壓力的安全閥，根據(jù)彈簧的設(shè)計(jì)要求，可劃分為不同工作壓力級(jí)。例如：原來(lái)整定壓力為1.0MPa的安全閥，無(wú)法將整定值降低至0.5MPa，但同一公稱壓力的安全閥，送廠更換彈簧、重新校驗(yàn)后，即可調(diào)整壓力級(jí)，在彈簧壓力級(jí)范圍可以調(diào)整整定壓力。

3.2 根據(jù)最大附加背壓選擇安全閥類型

（1）當(dāng)P最大附加背壓≤10%P整定壓力時(shí)，可選擇常用的彈簧封閉式安全閥，生產(chǎn)廠家較多，價(jià)格合適，不易損壞。

（2）當(dāng)P最大附加背壓＞10%P整定壓力時(shí)，按照GB/T 24921.1-2010《石化工業(yè)用壓力釋放閥的尺寸確定、選型和安裝 第1部分：尺寸的確定和選型》[4]：當(dāng)排放背壓力較大（大于整定壓力的10%）或相對(duì)于整定壓力的附加背壓力變動(dòng)較大時(shí)，通常選用平衡式壓力釋放閥。

（3）波紋管彈簧安全閥用于平衡背壓，波紋管有效直徑等于閥門密封面平均直徑。在安全閥開(kāi)啟前背壓對(duì)閥瓣的作用力處于平衡狀況。將背壓變化給安全閥動(dòng)作的影響降到最低。

（4）經(jīng)咨詢廠家技術(shù)人員，平衡式波紋管安全閥的出口法蘭口徑比普通彈簧安全閥的出口法蘭口徑要大，更換為平衡式波紋管安全閥，出口需變徑。大多數(shù)在役油庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)較難滿足更換條件。經(jīng)咨詢校驗(yàn)機(jī)構(gòu)，在低壓管線上，附加背壓對(duì)安全閥開(kāi)啟壓力影響不大，主要用于輔助判斷安全閥是否有效。

4 結(jié)論與建議

（1）安全閥整定壓力的設(shè)定應(yīng)充分考慮泄壓出口是否有附加背壓的情況，這對(duì)判斷安全閥是否校驗(yàn)有效、是否在整定壓力開(kāi)啟有很大借鑒意義，也能對(duì)避免誤判安全閥失效或者安全閥整檢定不準(zhǔn)確提供支持。

（2）安全閥整定壓力的設(shè)定應(yīng)充分考慮工作壓力，按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定安全閥整定壓力。當(dāng)安全閥整定壓力過(guò)高，安全閥進(jìn)出口管線會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈顫振。顫振過(guò)大，可能會(huì)使安全閥進(jìn)出口法蘭螺栓松動(dòng)，導(dǎo)致法蘭密封失效，發(fā)生油品滲漏。另外，管線內(nèi)壓力會(huì)過(guò)高，從而易導(dǎo)致油品從法蘭處滲漏、相關(guān)閥門開(kāi)啟困難、降低閥門使用壽命困難等問(wèn)題。

（3）在油品輸送狀態(tài)的管線中，安全閥整定壓力過(guò)高，整定壓力遠(yuǎn)超工作壓力，可能導(dǎo)致安全閥長(zhǎng)期不動(dòng)作，會(huì)使安全閥密封面粘黏，一旦出現(xiàn)超壓情況，安全閥可能無(wú)法開(kāi)啟。