黃承明

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

外部火災(zāi)工況下壓力容器潤(rùn)濕面積的計(jì)算

黃承明

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

工程設(shè)計(jì)中，進(jìn)行火災(zāi)工況下的安全閥泄放量的計(jì)算時(shí)，需要計(jì)算裝有部分液體的容器的潤(rùn)濕面積。常規(guī)容器中的立式容器和球罐容器的潤(rùn)濕面積是比較容易計(jì)算的，但臥式容器由于其封頭的部分表面積的求取需要進(jìn)行復(fù)雜的積分計(jì)算，從而使工程技術(shù)人員的計(jì)算變得復(fù)雜繁瑣。介紹了臥式容器封頭潤(rùn)濕面積的簡(jiǎn)單計(jì)算方法，列舉了三類常規(guī)容器的火災(zāi)工況下的潤(rùn)濕面積的計(jì)算實(shí)例。通過(guò)簡(jiǎn)便計(jì)算，即可滿足工程設(shè)計(jì)中的精度要求，又極大地方便了工程設(shè)計(jì)人員在實(shí)際工作中的應(yīng)用。

火災(zāi)工況；潤(rùn)濕面積計(jì)算；封頭部分表面積計(jì)算

在工程設(shè)計(jì)中，若壓力容器設(shè)置在有可能發(fā)生火災(zāi)的環(huán)境中時(shí)，必須考慮設(shè)置壓力容器的安全閥保護(hù)。而火災(zāi)工況下的安全閥排量計(jì)算與壓力容器的總濕潤(rùn)表面積有關(guān)。不同的壓力容器外形將采用不同的濕潤(rùn)面積計(jì)算方法。例如當(dāng)臥式橢圓封頭壓力容器內(nèi)液位未充滿時(shí)，其濕潤(rùn)表面積計(jì)算比較繁瑣。本文在列舉了橢圓封頭、平蓋封頭、球形封頭以及球罐容器的濕潤(rùn)表面積的計(jì)算方法，并將繁瑣的積分計(jì)算方法簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單計(jì)算。簡(jiǎn)單計(jì)算方法可操作性強(qiáng)，計(jì)算結(jié)果精度可靠，可廣泛用于工程設(shè)計(jì)時(shí)壓力容器的總濕潤(rùn)表面積的計(jì)算。

1 火災(zāi)安全閥排量與總濕潤(rùn)面積的關(guān)系

美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 520［1］和API 521［2］規(guī)定了火災(zāi)工況下壓力容器的安全泄放分析及泄放量的計(jì)算。

對(duì)于設(shè)備內(nèi)含有液體時(shí)，發(fā)生外部火災(zāi)，根據(jù)API 521描述，壓力容器在火災(zāi)工況下的安全泄放量的計(jì)算公式為：

式中 W——壓力容器安全泄放量，kg/s （ Ib/h ）；

Q—— 壓力容器在火災(zāi)工況下液體的吸熱量，W（Btu/h）；

Hvap—— 壓力容器內(nèi)液體介質(zhì)在泄放溫度的汽化潛熱，J/kg （ Btu/Ib ）。

而API 521中也規(guī)定了此工況下壓力容器內(nèi)液體吸熱量的計(jì)算公式，如下：

式中 Q——潤(rùn)濕表面的吸熱量，W（Btu/h）；

C1—— 常數(shù)，43 200（SI單位制）或21 000 （USC單位制）；

F——環(huán)境系數(shù)；

Aws——總潤(rùn)濕面積，m2（ft2）。

所以工程技術(shù)人員在計(jì)算安全泄放量時(shí)需要計(jì)算容器暴露在外部火災(zāi)中的潤(rùn)濕面積。這也使得在計(jì)算過(guò)程中，求此潤(rùn)濕面積成為一項(xiàng)關(guān)鍵工作。

2 潤(rùn)濕面積的計(jì)算方法

當(dāng)考慮壓力容器需要安裝安全閥來(lái)保護(hù)設(shè)備時(shí)，若容器暴露在環(huán)境火災(zāi)中，引起容器內(nèi)超壓的原因往往是隨著容器內(nèi)液體介質(zhì)受熱溫度不斷上升，直到汽化產(chǎn)生了氣體所致。而容器內(nèi)液體潤(rùn)濕表面才是產(chǎn)生蒸汽的有效面積。API 521中描述容器內(nèi)液體潤(rùn)濕面積只考慮容器在火焰源上面等于或小于7.6 m（25 ft）的那部分，高于7.6 m（25 ft）的那部分液體一般不包括在內(nèi)。

對(duì)于球形容器的潤(rùn)濕面積，如果半球最大水平直徑的高度低于7.6 m，則取達(dá)到7.6 m處的潤(rùn)濕面積；如果半球高度高于7.6 m，則取整個(gè)半球的內(nèi)表面作為潤(rùn)濕面積。

當(dāng)儲(chǔ)存部分液體的壓力容器為常規(guī)臥式容器時(shí)，計(jì)算潤(rùn)濕面積就會(huì)涉及到計(jì)算部分容器封頭的內(nèi)表面積，容器的封頭多為橢圓封頭或半圓封頭，而此面積計(jì)算較為復(fù)雜；當(dāng)容器為常規(guī)立式容器時(shí)，其暴露在火災(zāi)中的封頭潤(rùn)濕面積多為整個(gè)封頭的內(nèi)表面積，此情況下的封頭表面積較容易計(jì)算。

本文介紹常規(guī)的臥式、立式容器和球罐容器，容器封頭主要考慮三種常用封頭類型——橢圓封頭、半球封頭和平板封頭。下面介紹常規(guī)的計(jì)算公式。

（1）臥式容器（裝載部分液體）

圓筒部分潤(rùn)濕面積公式［3］：

式中 Aws——潤(rùn)濕面積；

D——圓筒截面直徑；

h—— 液體在容器內(nèi)距容器底有效高度（根據(jù)有效吸熱火焰高度）。

封頭部分潤(rùn)濕面積［3］：

2∶1 橢圓封頭

半球封頭：

平蓋封頭：

由上面總結(jié)的計(jì)算公式可以看出，橢圓封頭和半圓封頭的部分表面積計(jì)算需要求解積分，當(dāng)不借助外部計(jì)算工具的情況下，求解相對(duì)困難費(fèi)時(shí)，不便于工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)用。為了便于工程技術(shù)人員的計(jì)算工作，國(guó)外文獻(xiàn)總結(jié)了容器封頭部分表面積的簡(jiǎn)便計(jì)算公式，公式如下［4］：

2∶1 橢圓封頭（單）：

半球封頭（單）：

為驗(yàn)證上述公式的可靠性，將以上公式的參數(shù)調(diào)整到計(jì)算封頭的全部面積，與GB/T 25198［5］或JB/T 4746［6］提供的計(jì)算公式比較，其計(jì)算結(jié)果相同。注意，國(guó)標(biāo)規(guī)范的算法考慮了封頭折邊的直邊面積，而此計(jì)算表中潤(rùn)濕面積計(jì)算省略了這部分面積。取最終潤(rùn)濕面積時(shí)可以取一定的設(shè)計(jì)裕量。

另外，馮傳令等［7］人在進(jìn)行原油容器安全閥火災(zāi)工況泄放量計(jì)算時(shí)，也總結(jié)了臥式容器橢圓型封頭部分潤(rùn)濕面積的計(jì)算公式。其公式及計(jì)算方法表述如下［7］：

內(nèi)部潤(rùn)濕面積分兩部分，一部分為中間柱段，另一部分為封頭端。另外封頭端的潤(rùn)濕面積計(jì)算又涉及到圓筒橫截面的液位線對(duì)應(yīng)的弧度和弦系數(shù)。

式中 λ——圓筒橫截面液位高度與直徑的比值；

H——橫截面液位的高度。

式中 α——圓截面液位線對(duì)應(yīng)的弧度。

式中 f ——圓截面液位線對(duì)應(yīng)的弦系數(shù)。

式中 A1——橢圓封頭（半橢圓）的潤(rùn)濕面積。

式中 A2——中間柱段的潤(rùn)濕面積；

L——分離器的封頭切線間的長(zhǎng)度。

式中 A—— 分離器內(nèi)部總的潤(rùn)濕面積（考慮1.1倍的余量系數(shù)）。

同樣，將馮傳令等人描述的計(jì)算方法與GB/T 25198或JB/T 4746提供的計(jì)算公式比較，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的誤差比較大，建議應(yīng)用于粗略計(jì)算。

（2）立式容器（裝載部分液體）

圓筒部分潤(rùn)濕面積公式：

字母含義同上。

封頭部分潤(rùn)濕面積：

2∶1橢圓封頭：

半球封頭：

平蓋封頭：

（3）球罐容器（裝載部分液體）

當(dāng)液面高度h大于球罐半徑：

當(dāng)液面高度h小于等于球罐半徑：

式中 r ——球罐容器的軸心半徑。

3 容器潤(rùn)濕面積計(jì)算實(shí)例

假設(shè)容器的直徑為3 m，容器的圓筒部分T/T長(zhǎng)度為6 m，容器內(nèi)液體的液面高度為2 m，容器放置的高度為6.6 m。下面以立式容器、臥式容器和球罐容器為例，簡(jiǎn)單表述其分別暴露在環(huán)境火災(zāi)中的放置位置，簡(jiǎn)單示意圖如下。

圖1 容器暴露于外部火災(zāi)的放置位置Fig 1 The layout of vessels under external fire

綜合上述內(nèi)容中總結(jié)的公式，將簡(jiǎn)單的公式輸入到計(jì)算軟件中，然后根據(jù)假設(shè)的條件，分別輸入各種容器的計(jì)算參數(shù)，得出火災(zāi)工況下容器內(nèi)吸熱潤(rùn)濕面積的結(jié)果。計(jì)算表格數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 容器潤(rùn)濕面積計(jì)算Tab.1 Calculation for wetted area

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）利用文中列出的式（7）和（8）可以簡(jiǎn)單準(zhǔn)確的計(jì)算出臥式容器的液面潤(rùn)濕的部分表面積，與精確計(jì)算方法的誤差較小。此方法不必采用復(fù)雜的積分求解過(guò)程，調(diào)整設(shè)計(jì)方便簡(jiǎn)單，極大地方便了在此方面的計(jì)算工作，提高了工程設(shè)計(jì)人員的工作效率。

（2）列舉了三類常規(guī)容器的火災(zāi)工況下的潤(rùn)濕面積的求取方法和計(jì)算公式，并列舉了計(jì)算實(shí)例，可作為工程技術(shù)人員進(jìn)行此類工程計(jì)算時(shí)的參考。

［1］Sizing，Selection，and Installation of Pressure-relieving Devices in Refineries.API Standard 520，Eighth Edition，December 2008.

［2］Pressure-Relieving and Depressuring Systems.API Standard 521，F(xiàn)ifth Edition，January 2007.

［3］Apendix-Geometric Calculation of VESA Online Help.

［4］Richard C.Doane，Accurate Wetted Areas for Partially Filled Vessels［J］.Chemical Engineering，December 2007.

［5］GB/T 25198—2010 壓力容器封頭［S］.

［6］JB/T 4746—2002 鋼制壓力容器用封頭［S］.

［7］馮傳令，楊勇.原油容器安全閥火災(zāi)工況泄放量動(dòng)態(tài)模擬［J］.石油工程建設(shè)，2006.

Calculation of Wet Area on Pressure Vessel in External Fire Relief Scenario

Huang Chengming
（SINOPEC Shanghai Engineering Co.，Ltd，Shanghai 200120）

In engineering design，wet area on the vessel contained partly with liquid is needed to calculate when relieving volume of safety valve is calculated under fire condition.It is easy to calculate wet area on spheroidal tank and vertical vessel.But for horizontal vessel the calculation becomes complicated in view of integral calculation for the surface area of some heads.In this article，one simplified method for calculating wet area on horizontal vessel was introduced，and the examples of calculating wet area for three normal kind vessels were presented.With the simplified method，not only the accuracy required in engineering design can be reached，but also the design is convenient to perform.

fire condition； calculation of wet area； calculation of part surface on head

TQ 086.2

A

2095-817X（2016）04-0025-004

2016-05-20

黃承明（1983—），男，工程師，主要從事石化工藝設(shè)計(jì)。