肖學(xué)文，周偉明，吳全龍

（1.荊門宏圖特種飛行器制造有限公司，湖北 荊門 448000；2.上海市氣體工業(yè)協(xié)會，上海 200030；3.上海華理安全裝備有限公司，上海 201108）

符號說明

Wsg（Ws1g）——罐體的安全泄放量，kg/h

Wg——安全閥的排放能力（額定泄放量），kg/h

Was——安全閥的空氣排放能力，kg/h

Wa1s（Qa，Qg）——安全閥的空氣排放能力，m3/s

qg（qs，La）——泄放壓力下液化氣體的汽化潛熱，kJ/kg

λg——常溫下絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/（m·h·℃）

δg——絕熱層厚度，m

tg——泄放壓力下介質(zhì)的飽和溫度，℃

t1g（t1a）——液化氣體在充裝過程中的實際溫度，該溫度未知時取15℃

Arg（Ars，Ara）——罐體外表面積，m2

Ag（As）——安全閥流道面積，mm2

Kg（Ks）——安全閥的額定泄放系數(shù)

Cg——氣體特性系數(shù)。當k1g＞1時,Cg=520C1g；當k1g=1或未知時，Cg=315

Cs——空氣特性系數(shù)

k1g——氣體絕熱指數(shù)

Fa（Fg，F(xiàn)1g）——與絕熱層有關(guān)的系數(shù)

cpg——標準狀態(tài)下氣體的比定壓熱容，kJ/（kg·K）

cVg——標準狀態(tài)下氣體的比定容熱容，kJ/（kg·K）

Mg（Ma）——氣體的摩爾質(zhì)量，kg/kmol

Ms——空氣的摩爾質(zhì)量，kg/kmol

Tg——額定排放壓力下飽和氣體絕對溫度，K

Ts（Ta）——額定排放壓力下空氣絕對溫度，K

Zg（Za）——額定排放壓力下飽和氣體的壓縮系數(shù)

pdg（ps）——安全閥的排放壓力（絕壓），MPa

psg——罐體設(shè)計壓力，MPa

pog——安全閥出口側(cè)壓力（絕壓），MPa

U1g（Ua，Ug）——絕熱層材料在38℃時的導(dǎo)熱率，kW/（m2·K）

GB/T 19905—2017《液化氣體汽車罐車》[1]已經(jīng)于2017-10-14由國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家標準化管理委員會聯(lián)合發(fā)布，該標準代替了 GB/T 19905—2005《液化氣體運輸車》[2]，內(nèi)容有以下變化：①將GB/T 19905—2005中安全泄放裝置的設(shè)計計算改為GB/T 19905—2017中的罐體安全泄放量及安全泄放裝置排放能力的計算。②增加了根據(jù)安全閥銘牌上的標示值，罐體安全泄放量及安全閥排放能力可以按GB/T 19905—2017中B.2條或B.3條的規(guī)定計算。其中B.2條為“按介質(zhì)質(zhì)量法計算罐體安全泄放量及安全閥排放能力”，B.3條為參照ADR—2015《國際危險貨物公路運輸?shù)臍W洲協(xié)議》[3]（以下簡稱ADR）增加的“按空氣體積法計算罐體安全泄放量及安全閥排放能力”。

文中擬對上述變化內(nèi)容進行探討說明，以增加對GB/T 19905—2017的理解和掌握，正確熟練地進行罐體安全泄放量及安全泄放裝置排放能力的計算。

為便于區(qū)分，將GB/T 19905—2017中各量符號添加下標g，將ADR中各量符號添加下標a，將ASME BPVC.Ⅷ.1—2017《Rules for Construction of Pressure Vessels》[4]強制性附錄11中各量符號添加下標s。

1 GB/T 19905—2017中公式（B.1）與 ADR相應(yīng)公式一致性

1.1 GB/T 19905—2017公式

根據(jù) GB/T 19905—2017中的公式 （B.1），無絕熱層罐體的安全泄放量為：

根據(jù) GB/T 19905—2017公式 （B.3）（無絕熱結(jié)構(gòu)液化氣體汽車罐車罐體的安全閥排放能力均采用臨界條件進行計算），單個安全閥的排放能力（額定泄放量）為：

為了保證罐體的安全泄放，安全閥的排放能力應(yīng)不小于罐體的安全泄放量。安全閥的數(shù)量對之后的分析不會產(chǎn)生影響，為便于分析，取安全閥數(shù)量為1，安全閥的排放能力等于罐體的安全泄放量，即 Wsg=Wg。

根據(jù)式（1）、式（2）得：

提取出KgAgpdg后有：

根據(jù)ASME BPVC.Ⅷ.1—2017，安全閥的空氣排放能力計算公式為：

當1個安全閥選定后，其KAp為常數(shù)[4-5]，故KgAgpdg=KsAsps， 將 Cs=27.03、Ms=28.97 kg/kmol、Ts=293 K 代入式（3）、式（4）得：

按式（5）可以計算出安全閥進口空氣在0.1 MPa和20℃時，安全閥的空氣排放能力 Was，其單位為kg/h。為了方便后續(xù)進行比較，需要將安全閥的排放能力轉(zhuǎn)換成在0.1 MPa和0℃時的排放量，同時將單位轉(zhuǎn)換成m3/s。在0.1 MPa和0℃下，安全閥進口空氣質(zhì)量流量為1.293 kg/m3[6]，根據(jù)質(zhì)量不變原理，需將安全閥的空氣排放能力Was除以 （1.293×3 600）。 將 Cg=520C1g代入式（5），得到在0.1 MPa和0℃下安全閥的空氣排放能力Wa1s為：

由式（6）推導(dǎo)出：

1.2 ADR公式

根據(jù)ADR公式，進口空氣在0.1 MPa和0℃時安全閥的空氣排放能力Qa為：

對于無絕熱層罐體，F(xiàn)a=1。 同時有 Ara=Ars、La=qg、Ca=C1g、Za=Zg、Ta=Tg、Ma=Mg，代入式（7）、式（8）得：

1.3 分析論證

從式（7）、式（9）可以看出，對于無絕熱層罐體，采用ADR公式計算得到的安全閥空氣排放能力 Qa與采用 GB/T 19905—2017中公式 （B.1）計算后推導(dǎo)得到的安全閥空氣排放能力Wals是相等的，故GB/T 19905—2017中采用介質(zhì)質(zhì)量計算罐體安全泄放量及安全閥排放能力中的計算結(jié)果與ADR公式計算結(jié)果一致。此外，GB/T 19905—2017 中的公式（B.1）與 GB 150.1—2011《壓力容器 第1部分：通用要求》[7]中的公式（B.3）也完全一致。

2 GB/T 19905—2017 公式（B.7）與 ADR相應(yīng)公式一致性

在GB/T 19905—2017中，標準條件（0.1 MPa，0℃）下無絕熱層罐體所需安全泄放裝置總的排放能力計算公式（B.7）為：

令 Fg=Fa、Arg=Ara、qg=La、Cg=520C1g=520Ca、Zg=Za、Tg=Ta、Mg=Ma，代入式（10）得：

對比式（11）、式（9）可以看出，GB/T 19905—2017中按空氣體積計算罐體安全泄放量及安全閥排放能力的計算結(jié)果與ADR公式的計算結(jié)果是一致的。

在GB/T 19905—2017編制過程中，公式（B.7）是根據(jù)ADR的公式，即式（8），并將 ADR公式中的Ca轉(zhuǎn)換成Cg而來的。需要說明的是，式（8）中的Fa＝Ua（649－t1a）/13.6， 進行轉(zhuǎn)換時將公式中的649改為了 650，即 GB/T 19905—2017中公式（B.7）的 Fg＝Ug（650－t1g）/13.6，這是為了與 GB/T 19905—2017中公式（B.2）中的650相對應(yīng)。

此外，GB/T 19905—2017 中的公式 （B.7）與GB/T 19905—2005中的公式（A.7）在形式上基本一致，但公式（A.7）是用作各安全裝置總排放能力的驗算，在GB/T 19905—2005有效期內(nèi)實際使用很不方便，故極少使用。

3 GB/T 19905—2017公式 （B.2） 與公式（B.7）對比

3.1 公式（B.2）

GB/T 19905—2017中有完整絕熱層時的罐體安全泄放量公式（B.2）為：

常溫下絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)λg與δg相除得到 Ug，將 Ug單位轉(zhuǎn)換成 kW/（m2·K），有：

進而可推導(dǎo)出：

將式（12）與式（1）相除，并將式（14）帶入，得到系數(shù) Fg：

3.2 公式（B.7）

在 GB/T 19905—2017公式（B.7）中，當具有能減小罐體安全泄放量的絕熱層時，與絕熱層有關(guān)的系數(shù)F1g按式（16）計算，且在任何情況下F1g均不應(yīng)小于0.25。

將式（16）與式（15）相除，得到系數(shù) B：

3.3 分析比較

GB/T 19905—2017中公式（B.2）的導(dǎo)熱系數(shù)λ是在常溫下取值[8-9]，公式（B.7）中規(guī)定的導(dǎo)熱率為絕熱層材料在38℃時的導(dǎo)熱率。絕熱層材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨著溫度的升高而增大[10]，為了簡化分析，文中取Ug=U1g。

對于某有完整絕熱層的丙烷汽車罐車，其設(shè)計壓力1.61 MPa，安全閥泄放壓力1.77 MPa，泄放壓力下丙烷的飽和溫度tg=54.25℃，丙烷在充裝過程中的實際溫度 t1g=15℃，代入式（17）計算得到B=2.132；對于某有完整絕熱層的二氧化碳汽車罐車，其設(shè)計壓力為2.15 MPa，安全閥泄放壓力為2.365 MPa，泄放壓力下二氧化碳的飽和溫度tg=－12.24℃，二氧化碳在充裝過程中的實際溫度t1g=－20℃，代入式（17）得B=2.024。由此計算結(jié)果可以看出，對于有完整絕熱層的汽車罐車，按照 GB/T 19905—2017公式（B.7）計算得到的罐體的安全泄放量比按公式（B.2）計算得到的罐體的安全泄放量大，公式（B.7）的計算結(jié)果約為公式（B.2）計算結(jié)果的2倍，計算結(jié)果偏安全。液化氣體汽車罐車的危險性比固定式容器更大，應(yīng)從嚴要求[11]，建議在后續(xù)標準修訂過程中，是否考慮將公式（B.2）修改到與公式（B.7）等同。

GB/T 19905—2017公式 （B.2）來源于API標準，在API中規(guī)定該公式適用于通風(fēng)條件良好、敞開空間著火的油池火災(zāi)[12]。與GB/T 19905—2017公式（B.7）對應(yīng)的ADR公式?jīng)]有明確說明適用工況，但GB/T 19905—2017統(tǒng)一規(guī)定為通風(fēng)條件良好、敞開空間著火的火災(zāi)工況。GB/T 19905—2017公式（B.2）與 GB 150.1—2011 中的公式（B.4）完全一致，兩者均對由相關(guān)參數(shù)計算所得到的系數(shù)Fg未加限制，而 GB/T 19905—2017 公式（B.7）中規(guī)定任何情況下系數(shù)F1g均不應(yīng)小于0.25。對完整的絕熱保溫層，在火災(zāi)條件下應(yīng)不被破壞[7]，而且要求保溫材料在火災(zāi)中應(yīng)具有良好的耐熱性和機械強度[8，13-16]。 參照 ADR 要求，GB/T 19905—2017中公式（B.2）與公式（B.7）均提出，在任何情況下，用于減少罐體安全泄放量的絕熱層應(yīng)在不超過650℃下始終保持完好有效，其外保護層應(yīng)采用熔點不低于700℃的材料。

4 無絕熱層液化氣體汽車罐車罐體安全閥排放能力臨界條件計算推導(dǎo)

根據(jù)GB/T 19905—2017的規(guī)定，無絕熱結(jié)構(gòu)的罐體設(shè)計壓力 psg應(yīng)不小于0.7 MPa，即 psg≥0.7 MPa，安全閥的排放壓力 （絕壓）pdg＝1.2psg＋0.1≥1.2×0.7+0.1=0.94（MPa）。 由于安全閥出口直接朝著大氣進行排放，故安全閥出口側(cè)壓力（絕壓）pog=0.1 MPa，由此可以推導(dǎo)出pog/pdg=0.106 4。

對于氣體絕熱系數(shù)k1g，可以通過常用氣體性質(zhì)表進行查詢，或進行粗略的估算，單原子氣體的k1g=1.67，雙原子氣體的k1g=1.40，多原子氣體的k1g=1.33[17]。文獻[18]收集的157種氣體的氣體絕熱指數(shù) k1g的數(shù)值均處于[1.036，1.667]，為單調(diào)遞減函數(shù)（圖 1），根據(jù) k1g的數(shù)值可以計算出的值處于 [0.598 5，0.487 1]。

圖1 不同氣體絕熱系數(shù)k1g對應(yīng)的值

5 結(jié)語

對于無絕熱層的液化氣體汽車罐體，按照GB/T 19905—2017中采用介質(zhì)質(zhì)量計算罐體安全泄放量及安全閥排放能力與按空氣體積計算罐體安全泄放量及安全閥排放能力得到的計算結(jié)果是相同的，也與ADR公式的計算結(jié)果一致。采用介質(zhì)質(zhì)量計算罐體安全泄放量及安全閥排放能力的計算方式在國內(nèi)使用較為普遍，國內(nèi)安全閥制造廠家一般在安全閥銘牌上標示安全閥的最小流道直徑（或流道面積）及安全閥的額定泄放系數(shù)，這時需采用此方法進行計算。按空氣體積計算罐體安全泄放量及安全閥排放能力的計算方式在國外使用較為普遍，國外安全閥制造廠家一般在安全閥銘牌上標示標準條件（0.1 MPa，0℃）下的排放能力，這時需要采用此方法進行計算。對于有完整絕熱層的液化氣體汽車罐車，按GB/T 19905—2017公式（B.7）計算得到的罐體安全泄放量比按公式（B.2）計算得到的罐體安全泄放量大，公式（B.7）計算結(jié)果約為公式（B.2）計算結(jié)果的2倍，公式（B.7）計算結(jié)果偏安全，建議采用公式（B.7）進行計算。在后續(xù)標準修訂過程中，是否考慮將公式（B.2）修改到與公式（B.7）等同，值得探討和商榷。此外，無絕熱層液化氣體汽車罐車罐體的安全閥排放能力均應(yīng)采用臨界條件進行計算。