吳全龍，胡熙玉

(1.上海華理安全裝備有限公司，上海 201108；2.沈陽特種設備檢測研究院，沈陽 110079)

符號說明：

Qm——介質質量流量，kg/h；

pf——最大排放壓力，MPa；

Z——排放壓力下介質壓縮系數(shù),無量綱;

T——排放壓力下介質溫度，K；

M——摩爾質量，kg/kmol；

Qa——在0.1 MPa，15 ℃時空氣當量體積流量，m3/h；

L——排放壓力下介質汽化潛熱，kJ/kg；

U——充滿介質或空氣時，在T與熱端之間的平均總傳熱系數(shù)(取較大值),kJ/(h·m2·℃)

A——容器外表面積(受熱面積)，m2；

U1——充滿介質或空氣時，在T與熱端之間的平均總傳熱系數(shù)(取較大值),W/(m2·K);

K——安全泄放裝置額定排放系數(shù)，無量綱；

Ar——安全泄放裝置排放面積，m2；

k——絕熱指數(shù);

W1——絕熱系統(tǒng)吸熱量，W；

W2——汽化器吸熱量，W；

W3——真空喪失時絕熱系統(tǒng)吸熱量，W；

W4——支撐件和管道吸熱量，W；

W5——火災下容器吸熱量，W。

0 引言

對于臨界溫度較低的氣體，通常將其冷卻至臨界溫度以下進行運輸和貯存，既可以降低設備壓力，又有利于提高運輸和貯存效率。運輸和貯存這些冷凍液化氣體的設備稱之為低溫容器(深冷壓力容器)，一般由內(nèi)容器和外殼組成，中間抽成真空并安裝絕熱系統(tǒng)(真空絕熱低溫容器)或設置固體絕熱材料進行隔熱(堆積絕熱低溫容器)。真空絕熱低溫容器絕熱方式為真空粉末絕熱、真空復合絕熱或高真空多層絕熱，設備安全運行的關鍵在于絕熱性能是否符合要求，絕熱性能如果達不到要求，在環(huán)境溫度的作用下，容器內(nèi)的液體會大量氣化導致壓力升高，危及使用安全。低溫絕熱性能即使符合要求，內(nèi)容器的液體也會緩慢氣化，如果長期不使用并排出容器內(nèi)氣體，容器的壓力依然會升高而產(chǎn)生安全風險。由此可見，真空絕熱低溫容器由于設備本身的特點，容器壓力升高不可避免，倘若再出現(xiàn)真空喪失或絕熱材料損壞甚至陷入火災工況，則有可能造成冷凍液化氣體進一步大量氣化從而導致內(nèi)容器壓力急劇增加，帶來安全隱患，因此需要設置安全泄放裝置以保證設備在超壓時的安全。

移動式容器標準CGA S-1.2：2005，ASME Ⅻ—2012，IMDG—2002，ADR—2015，ISO 24021-1：2006，NB/T 47058—2017，NB/T 47059—2017及固定式容器標準CGA S-1.3：2008，ISO 21009-1：2008，GB/T 18442.6—2019對真空絕熱低溫容器如何設置安全泄放裝置的要求有諸多類似之處，但也存在相當大的不同。為了方便工程技術人員在設計時科學準確地選用安全泄放裝置，本文將以上述標準為基礎，從真空絕熱低溫容器失效模式及安全泄放裝置類型選擇、結構設置、設定壓力、排放壓力、排放面積的確定等方面進行全面詳細地分析比較。

1 冷凍液化氣體定義與舉例

大部分標準都規(guī)定，冷凍液化氣體是指在運輸或儲存過程中由于溫度低而部分呈液態(tài)的氣體，但也有所區(qū)別。CGA S-1.2及CGA S-1.3要求冷凍液化氣體(Refrigerated (cryogenic) liquid)沸點低于或者等于183.15 K(-90 ℃)，國內(nèi)標準(比如NB/T 47058—2017，NB/T 47059—2017及GB/T 18442—2019)則參照ADR，IMDG等國際規(guī)范規(guī)定冷凍液化氣體沸點不低于77.15 K(-196 ℃)且臨界溫度低于或者等于223.15 K(-50 ℃)。在涉及安全泄放裝置的設置時，還應考慮介質是否易燃的特性。

表1參照ASME Ⅻ 模式附錄3列出了幾種常見冷凍液化氣體及其典型物理特性[1]。

表1 常見冷凍液化氣體

表1中，二氧化碳、笑氣、乙烯、乙烷、氙氣、三氟甲烷的臨界溫度均高于223.15 K，氖氣、氦氣、氫氣的沸點均低于77.15 K，不屬于國內(nèi)標準NB/T 47058—2017,NB/T 47059—2017及GB/T 18442.6—2019管轄范圍。二氧化碳、笑氣、乙烷、三氟甲烷的沸點均高于183.15 K，不符合CGA S-1.2及CGA S-1.3標準定義的冷凍液化氣體。

2 安全泄放裝置的設置

安全泄放裝置選用是一個綜合考慮的結果，與介質的種類、容器失效模式、安全泄放裝置結構及特性(設定壓力、排放壓力)等因素密切相關。

2.1 真空絕熱低溫容器失效模式

真空絕熱低溫容器要考慮所有可能促使內(nèi)部超壓的條件，從而確定保護系統(tǒng)的能力，例如[2]：

a)額定的容器漏熱量(例如限位構件、夾層管道漏熱量)；

b)備用壓力控制閥無法正常開啟；

c)連接高壓源與內(nèi)容器的線路中的其他閥；

d)泵的可能組合的重復利用；

e)以最大設備能力對工作溫度下的儲罐加注帶液閃蒸氣體；

f)真空喪失時的漏熱量；

g)容器的絕熱系統(tǒng)結構完好或部分完好，但夾層真空已喪失，且外部遭遇火災或遭遇922 K高溫。

h)容器的絕熱系統(tǒng)結構完全損壞，且夾套外部遭遇火災或遭遇922 K高溫。

真空絕熱低溫容器在設計時應當將條件a)～f)任意可能產(chǎn)生的超壓組合作為必須考慮的失效工況。

條件g)和h)為火災失效工況，設計人員應根據(jù)容器具體運行情況決定是否考慮及考慮何種工況(g)或h))。對于充裝易燃氣體的真空絕熱低溫容器應考慮火災失效工況；對于充裝非易燃氣體的移動式真空絕熱低溫容器由于運輸過程中的場合不確定性，一般要把火災失效作為必須考慮的工況，對于埋在地面以下充裝非易燃氣體的固定式真空絕熱低溫容器，則可以不考慮火災工況。

為了敘述方便，本文定義a)～e)可能存在的組合為失效模式Ⅰ，f)為失效模式Ⅱ，g)和h)為失效模式Ⅲ，失效模式Ⅰ和失效模式Ⅱ即通常所說的非火災工況。真空絕熱低溫容器因到達標準維持時間(從滿足充裝條件開始到由于熱量匯集導致容器壓力上升到安全泄放裝置動作壓力時所用的時間)出現(xiàn)超壓泄放屬于失效模式Ⅰ。

2.2 不同失效模式的安全泄放量計算

安全泄放量指容器超壓時單位時間內(nèi)必須排放出去的介質，通常以質量流量或體積流量來表示，是確定安全泄放裝置排放面積的一個重要性能參數(shù)，相應排放壓力下的安全泄放裝置排放能力應大于安全泄放量。由于歐美國家安全閥排放能力標定的是試驗介質(比如標準狀態(tài)空氣)的當量體積流量，為了選型方便，有些標準也會直接計算出當量空氣體積流量。

不同失效模式下安全泄放量的計算公式不同，大部分真空絕熱低溫容器標準都是按CGA S-1.2或ISO 21013-3進行計算，兩個標準的計算方法歸納如表2所示。CGA S-1.2給出標準空氣(15 ℃，0.1 MPa)體積排量，ISO 21013-3給出的是介質質量流量，下面將ISO 21013-3中的質量流量轉換成當量標準空氣體積流量[3-4]。

表2 CGA S-1.2與ISO 21013-3安全泄放量計算比較

2.2.1 質量流量與當量標準空氣體積流量之間的關系[5-6]

相同的安全泄放裝置以不同介質來衡量排放能力時，排放面積和排放系數(shù)K相同，由GB/T 150.1附錄B可建立如下關系式(下標帶a的為標準空氣性能參數(shù))：

(1)

將15 ℃，0.1 MPa時空氣諸參數(shù)Ca=356，Za=1.0，Ta=288.15 K，Ma=29，代入上式可得：

(2)

15 ℃，0.1 MPa時空氣密度ρ=1.223 kg/m3，換算成體積流量表達式：

(3)

公式(3)即為介質質量流量與當量標準空氣體積流量之間的換算關系。

2.2.2 失效模式Ⅱ工況下，CGA S-1.2與ISO 21013-3計算公式比較

根據(jù)表2可以得出，失效模式Ⅱ工況下CGA S-1.2的安全泄放量計算公式為：

(4)

將表2中此工況下ISO 21013-3安全泄放量計算公式代入式(3)可得：

(5)

在非火災時適用的環(huán)境溫度最高為55 ℃，即Ta=328.15 K，U和U1單位不同，相差系數(shù)3.6，即U=3.6U1，因此兩者完全一致。

2.2.3 失效模式Ⅲ工況下，CGA S-1.2與ISO 21013-3計算公式比較

(1)失效模式Ⅲ工況下，絕熱層損壞時。

此工況下CGA S-1.2安全泄放量計算公式為：

(6)

將表2中此工況下ISO 21013-3安全泄放量計算公式代入式(3)可得：

(7)

兩者一致。

(2)失效模式Ⅲ工況下，絕熱層完好時。

此工況下CGA S-1.2安全泄放量計算公式為：

(8)

將表2中此工況下ISO 21013-3安全泄放量計算公式代入式(3)可得：

(9)

綜合以上推導分析可知，CGA S-1.2和ISO 21013-3關于不同工況下真空絕熱低溫容器安全泄放量的計算結果完全一致。

國內(nèi)標準NB/T 47058—2017,NB/T 47059—2017及GB/T 18442.6—2019采用ISO 21013-3計算方法。CGA S-1.2對失效模式Ⅰ工況下的安全泄放量未給出計算公式。

大多數(shù)情況下，對于確定的真空絕熱低溫容器，失效模式Ⅰ工況下的安全泄放量最小，失效模式Ⅱ其次，失效模式Ⅲ最大；如果真空絕熱低溫容器配氣化增壓器，失效模式Ⅰ工況下的安全泄放量也可能超過失效模式Ⅱ和失效模式Ⅲ。

2.3 真空絕熱低溫容器安全泄放裝置結構

對于承壓設備，通常只考慮根據(jù)最大事故狀態(tài)下的安全泄放量選擇泄放裝置，當出現(xiàn)僅部分流量必須通過泄放裝置排放的輕微故障狀態(tài)時，一旦介質流量不足于維持流體的流動將引起安全閥頻跳(Chatter，安全閥閥瓣快速異常地來回運動，運動中閥瓣接觸閥座)，從而降低其操作性能，閥的復位能力也可能受到影響。如果正常操作中上述工況反復出現(xiàn)，則應采用多個具有分級設定壓力的尺寸較小的泄放裝置，讓具有最低設定壓力的泄放裝置就足以處理最小的事故狀態(tài)，其他泄放裝置在需要泄放的量增大時才動作，從而避免安全閥頻跳。

如第2.1節(jié)和第2.2節(jié)所述，真空絕熱低溫容器引起安全泄放裝置動作的失效模式較多，每一種失效模式需要的安全泄放量大小不一樣，有的甚至會相差幾十倍，這些失效工況可能單獨發(fā)生，也可能組合出現(xiàn)。如果用根據(jù)失效模式Ⅲ確定的大口徑安全閥來排放失效模式Ⅰ的小泄放量，安全閥在排放時有可能出現(xiàn)頻跳。

基于以上原因，國內(nèi)外標準通常都規(guī)定，只要存在真空喪失或火災工況，則必須設置一個或多個主泄放裝置并附加一個或多個輔助泄放裝置。

安全閥和爆破片裝置是真空絕熱低溫容器中主要的兩種安全泄放裝置，常見安全泄放裝置結構有3種，如圖1～3所示。

圖1所示結構為2個主安全閥中間帶1個三通閥(任何時候3個方向都連通)，僅適用于非火災工況，該結構僅在標準ISO 21009-1中允許使用。

圖1 不帶輔助泄放裝置結構示意

圖2 輔助泄放裝置為安全閥結構示意

圖3 輔助泄放裝置為爆破片結構示意

圖2所示結構為兩組安全泄放裝置，每組包含1個主安全閥和1個輔助安全閥，中間帶1個切換閥(可3個方向連通，也可兩個方向連通)，常用于易燃介質的超壓泄放。

圖3所示結構為兩組安全泄放裝置，每組包含1個主安全閥和1個輔助爆破片裝置，中間帶1個切換閥(可3個方向連通，也可兩個方向連通)，常用于火災工況時的非易燃介質的超壓泄放。

當標準要求所有組合裝置共同滿足排放能力時，中間的切換閥和三通閥必須時刻連通所有安全泄放裝置，當標準(比如國內(nèi)標準NB/T 47058—2017,NB/T 47059—2017,GB/T 18442.6—2019)要求每組安全泄放裝置均能單獨滿足排放能力要求時，必要時(在線檢驗或更換)可以通過切換閥僅使一組安全泄放裝置連通受壓介質。

主泄放裝置用于滿足非火災工況下的超壓泄放。由于失效發(fā)生頻率相對較高，且超壓時只需泄放少量介質就可使容器壓力降至正常工作壓力，所以主泄放裝置只能采用安全閥，不能采用非重新閉合泄放裝置。

輔助泄放裝置主要用于補充滿足真空喪失或火災工況下的超壓泄放。在火災工況下，泄壓系統(tǒng)只要求將介質排放至能使壓力降低到一個預先確定的安全水平所必須的量，而不要排放過多數(shù)量以免造成二次事故或更嚴重的危害。安全閥開啟后可以回座，從而避免過多介質排放，因此可優(yōu)先選擇安全閥。

當然，火災時也必須考慮由于容器材料受熱導致相應的強度削弱，引起容器安全水平降低的可能性。爆破片裝置能一次性排放全部介質，在較短時間內(nèi)使容器壓力降至零，所以對于火災工況經(jīng)常選擇爆破片作為輔助泄放裝置，并讓爆破片盡可能延后動作(比如設定較高的爆破壓力)。

火災工況下選擇安全閥還是爆破片裝置作為輔助泄放裝置，應權衡考慮介質泄放后的危害性、火災規(guī)模大小及持續(xù)時間長短、設備的安全、泄放裝置自身特性等因素。

2.4 真空絕熱低溫容器安全泄放裝置設定壓力和排放壓力

設定壓力指安全閥整定壓力(開啟壓力)或爆破片的設計爆破壓力，是一個理論值，實際動作壓力應在設定壓力的某一范圍之內(nèi)。

排放壓力(泄放壓力)指泄放裝置動作并達到最大開啟程度后被保護設備內(nèi)的壓力，即超過壓力與動作壓力之和。同一批次的產(chǎn)品，每個泄放裝置實際排放壓力可能不同，但最大值不能超過被保護設備制造標準的規(guī)定，這個最大值稱之為安全泄放裝置最大排放壓力，即容器允許的最大積聚壓力[7]。

設定壓力和排放壓力通常以容器的設計壓力P或最大允許工作壓力MAWP(有時也涉及到容器耐壓試驗壓力PT)為基準進行確定。不同的容器制造標準對P，MAWP，PT的定義可能不同，比如很多國外標準對于真空容器的MAWP是指容器內(nèi)壓與真空夾套的壓差，而安全泄放裝置設定壓力和最大排放壓力是指與大氣壓的壓差，因此兩者存在0.1 MPa的差值(可參考CGA S-1.2中5.1.13和5.1.14)。

安全泄放裝置設定壓力和最大排放壓力的確定應考慮以下幾個原則。

(1)當出現(xiàn)失效模式Ⅰ時，僅主泄放裝置動作，為了避免此工況下輔助泄放裝置動作，輔助泄放裝置設定壓力應不小于主泄放裝置的最大排放壓力。

(2)當出現(xiàn)失效模式Ⅱ，Ⅲ時，要求所有泄放裝置動作，并能保證容器內(nèi)壓力不超過最大排放壓力。

(3)當各失效模式下的安全泄放量相差較大時，不能用較大安全泄放量確定的安全閥來排放其他失效模式的小泄放量，以避免安全閥發(fā)生頻跳。

為了便于比較，將國內(nèi)外標準關于真空絕熱低溫容器安全泄放裝置的設置及性能參數(shù)要求匯總，如表3所示。

從表3可看出，除了CGA S-1.2，CGA S-1.3，ISO 21009-1,其他標準都規(guī)定：充裝易燃冷凍液化氣體(包括氧氣)真空絕熱低溫容器的輔助泄放裝置無論火災與否均只能采用安全閥；非易燃冷凍液化氣體(氧除外)以及氫氣，輔助泄放裝置可采用安全閥或爆破片裝置，當需要考慮火災工況時，采用爆破片裝置作為輔助泄放裝置。

從表3還可以看出，CGA S-1.2規(guī)定主安全閥設定壓力不超過1.1P，且開啟后應能將容器壓力控制在1.2P之內(nèi)。安全閥輔助泄放裝置設定壓力為P～0.91PT(若PT=1.3P，則相當于P～1.18P)，實際選用時輔助安全閥的設定壓力應大于主安全閥設定壓力，并盡量靠上限。輔助泄放裝置選擇爆破片時設定壓力為0.87PT～PT(相當于1.13P～1.3P)，爆破片最大爆破壓力可達到1.3P，但考慮到爆破壓力允差，其設定壓力(設計爆破壓力)需相應適當降低。

泄放裝置在保證設備安全的前提下盡可能在更高壓力時動作，CGA S-1.2這一思路值得所有標準借鑒。以目前安全閥的技術性能水平，設定壓力只要小于1.1P則基本能保證全開啟時容器壓力不超過1.2P，適當偏高的設定壓力有利于避免安全閥過早動作或不動作(比如容器壓力到達1.05P以后不再增加，則安全閥就沒有必要動作了)，既可以保證設備安全，又能避免介質過多外泄。

表3 不同標準安全泄放裝置結構及性能參數(shù)

ASME Ⅻ，IMDG,ADR，ISO 24021-1及CGA S-1.2選擇安全閥作為輔助泄放裝置時，在失效模式Ⅲ下允許容器最大積聚壓力到達耐壓試驗壓力，存在安全隱患。這主要是由于安全閥的重新閉合特性可能會出現(xiàn)在耐壓試驗壓力下反復動作，從而使容器反復到達耐壓試驗壓力。爆破片屬于不可重新閉合泄放裝置，開啟后介質全部泄放，只要口徑選擇合適，爆破后容器壓力不再升高，容器最多一次達到極限壓力。另外，當爆破片最大爆破壓力高達容器耐壓試驗壓力時，在一些較小規(guī)模的火災工況下，主泄放裝置的動作已足以使容器積聚壓力不超過爆破片的設定壓力，爆破片此時不動作，從而避免過多數(shù)量介質泄放，所以爆破片比較合適作為火災工況時的輔助泄放裝置[8-11]。

CGA S-1.3，ISO 21009，NB/T 47058—2017，NB/T 47059—2017，GB/T 18442.6—2019規(guī)定主安全閥應能同時滿足非火災工況(失效模式Ⅰ和失效模式Ⅱ)下的排放要求，CGA S-1.2則規(guī)定主安全閥應能同時滿足火災工況(失效模式Ⅲ)和非火災工況(失效模式Ⅰ和失效模式Ⅱ)下的排放要求，當這些失效模式下的安全泄放量相差較大時，設計人員要考慮如何避免安全閥產(chǎn)生頻跳。

考慮到安全閥因冰凍等原因的失效以及泄放裝置的在線檢驗和更換，NB/T 47058—2017，NB/T 47059—2017及GB/T 18442.6—2019要求每一個安全泄放裝置能單獨滿足非火災工況排放且每一組安全泄放裝置能單獨滿足火災工況排放。當然，由于安全閥尺寸是根據(jù)單組滿足排放要求進行計算，如果泄放時兩組安全泄放裝置都連通且動作，則可能出現(xiàn)安全閥在設定壓力下介質流量不足于維持流體流動的現(xiàn)象，從而導致安全閥頻跳[12-16]。

2.5 安全泄放裝置排放面積計算

安全泄放裝置的設置最終要歸結到尺寸(排放面積)的確定，很多標準對此有專門介紹。公式(10)為臨界狀態(tài)下氣體排放面積計算公式，可以看出，排放面積的計算與容器要求的最大排放壓力及安全泄放量密切相關，不同失效模式下，容器要求的最大排放壓力和安全泄放量的計算方法不同，具體見表2，3[5]。

(10)

當安全泄放量采用當量標準空氣體積流量表示時，由式(3)可得：

(11)

將式(11)代入式(10)，可得：

(12)

式(12)即為用當量空氣體積排量計算排放面積的公式。

從內(nèi)容器到安全泄放裝置入口的排放管長度超過600 mm時，必須考慮壓力降和熱量損失，對泄放裝置入口的排放壓力和對應溫度進行修正，相關修正方法可參照CGA S-1.2或CGA S-1.3。

安全閥或爆破片裝置排放面積計算更加詳細的內(nèi)容可參考GB/T 150.1—2011附錄B。

3 結語

本文參考的九大標準在安全泄放裝置設置原則上基本一致，但技術要求和性能指標有所不同，這種區(qū)別主要緣于容器設計理念、容器設計標準的差異。

國際標準中，移動式真空絕熱低溫容器按介質的易燃(包括氧氣)或非易燃(或氫氣)來區(qū)分設置安全泄放裝置，固定式容器不需要根據(jù)介質這一特性進行區(qū)分。國內(nèi)標準中，無論移動式或固定式，均按介質是否易燃來區(qū)分安全泄放裝置的設置。

除了CGAS-1.2,CGAS-1.3，ISO 21009-1，其他標準都規(guī)定:對于易燃介質不能選擇爆破片作為輔助泄放裝置。需要強調的是，火災工況下輔助泄放裝置為安全閥時，容器最大積聚壓力應控制在不超過1.2P，不建議其達到耐壓試驗壓力，CGA S-1.2,ASME Ⅻ,IMDG,ADR,ISO 24021-1均存在這一安全隱患。

標準編制人員應博采眾標準之長，為工程設計制定科學、安全、經(jīng)濟的泄放裝置選用依據(jù)標準。容器設計人員選用安全泄放裝置時，在不違反標準規(guī)定的前提下，可權衡考慮，綜合分析，力求可靠且經(jīng)濟。