周建輝

摘 要：本文對(duì)鐵路常壓罐車(chē)呼吸式安全閥整定壓力設(shè)定進(jìn)行了研究分析，對(duì)既有罐車(chē)安全閥整定壓力進(jìn)行了核算，根據(jù)分析結(jié)果，提出了有關(guān)建議。

關(guān)鍵詞：鐵路罐車(chē);安全閥;呼吸式;整定壓力;充裝量

呼吸式安全閥是鐵路罐車(chē)的重要安全附件，它通過(guò)調(diào)節(jié)罐體內(nèi)部和外部的壓力差，來(lái)保證鐵路罐車(chē)運(yùn)用過(guò)程中罐體的安全性。安全閥整定壓力的設(shè)定對(duì)罐車(chē)的運(yùn)用安全尤為重要，本文主要研究分析了非壓力鐵路罐車(chē)安全閥整定壓力的設(shè)定，對(duì)既有安全閥整定壓力進(jìn)行了核算，根據(jù)分析結(jié)果，提出了有關(guān)建議。

1 安全閥整定壓力的定義

整定壓力是安全閥在運(yùn)行條件下的開(kāi)啟預(yù)定壓力，是在閥門(mén)進(jìn)口處測(cè)量的表壓力。呼吸式安全閥的壓力分為呼出整定壓力與吸入整定壓力。

2 呼出整定壓力的設(shè)定

安全閥呼出整定的壓力的設(shè)定與罐車(chē)的充裝量有很大關(guān)系，也與介質(zhì)的飽和蒸汽壓有關(guān)。預(yù)留空容積的大小影響罐車(chē)運(yùn)用期間氣體空間的壓力大小，從而影響罐車(chē)呼吸式安全閥整定壓力的設(shè)置。我國(guó)常壓鐵路罐車(chē)既有A41X型安全閥的呼出整定壓力為150 kPa，吸入整定壓力為1.5 kPa～2 kPa。

2.1 罐車(chē)空容積與充裝量

常壓鐵路罐車(chē)主要運(yùn)輸液體介質(zhì)，運(yùn)輸過(guò)程中，液體介質(zhì)隨溫度升高體積膨脹，為保證罐體安全，應(yīng)預(yù)留足夠空容積以供液體膨脹。此外，還需要合理規(guī)定充裝量。罐車(chē)空容積由液體膨脹量和安全裕量?jī)刹糠秩莘e組成。

GB/T5600規(guī)定：罐體空容積應(yīng)根據(jù)裝載介質(zhì)的性質(zhì)計(jì)算決定，在此基礎(chǔ)上另將罐體空容積與有效容積之比增加0.5%～2%作為容積裕度。

《鐵路危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸管理規(guī)則》規(guī)定：應(yīng)根據(jù)充裝貨物的密度、罐車(chē)標(biāo)記載重量、標(biāo)記容積確定充裝量。充裝重量不得大于罐車(chē)標(biāo)記載重，且充裝上限不得大于罐體標(biāo)記容積的95%，下限不得小于罐體標(biāo)記容積的83%。

2.2 罐車(chē)氣體空壓力計(jì)算

以GQ70型輕油罐車(chē)為例：汽油在常溫50℃的飽和蒸汽壓為86.9 kPa，輕油罐車(chē)裝載汽油后罐體上部氣體空間的壓力并不取決于汽油的飽和蒸汽壓。一方面環(huán)境溫度升高會(huì)使介質(zhì)膨脹，擠壓氣體空間造成壓力升高，另一方面，氣體空間的空氣與油氣的混合物升溫也會(huì)造成壓力升高。以下為模擬計(jì)算罐體頂部的最高壓力。

已知：GQ70型輕油罐車(chē)罐體總?cè)莘e為80.3 m3，有效容積為78.7 m3，空容積1.6 m3，實(shí)際按95%標(biāo)記容積裝載。罐體長(zhǎng)度為11 100 mm，罐體外徑為3 070 mm～3 170 mm。汽油體積熱膨脹系數(shù)為0.001 25/℃，碳鋼的熱膨脹系數(shù)為1.06×10-6/K～12.2×10-6/K?？諝庠谄椭械娜芙饪珊雎圆挥?jì)。假設(shè)罐體升溫50℃，則罐體體積膨脹應(yīng)為0.009 m3，由此可見(jiàn)，罐體膨脹的體積很小，可忽略不計(jì)。

（1）按裝車(chē)溫度20℃，介質(zhì)溫度升溫30℃計(jì)算?？芍?jiǎng)t汽油膨脹體積為2.81 m3。

裝車(chē)溫度20℃時(shí)，罐內(nèi)氣體空間壓力為P0，汽油飽和蒸汽壓為37.1 kPa，根據(jù)分壓定理，空氣的壓力應(yīng)為63.9 kPa，空氣與汽油物質(zhì)的量之比為：n空氣：n汽油蒸汽=63.9：37.1=1.72

升溫至50℃后，根據(jù)氣態(tài)方程，空氣產(chǎn)生的壓力137.4 kPa，50℃時(shí)汽油飽和蒸汽壓為86.9 kPa，則罐內(nèi)氣體空間壓力為224.3 kPa（絕壓），即123.3 kPa（表壓）。

（2）假設(shè)罐內(nèi)中心溫度為裝車(chē)溫度0℃，汽油表面溫度為環(huán)境溫度40℃，則汽油平均為26.7℃。汽油膨脹體積為2.50 m3。

裝車(chē)溫度0℃時(shí)，罐內(nèi)氣體空間壓力為P0，汽油飽和蒸汽壓為17.9 kPa，根據(jù)分壓定理，空氣的壓力應(yīng)為83.1 kPa，空氣與汽油物質(zhì)的量之比應(yīng)為4.64：1，升溫至40℃后，空氣產(chǎn)生的壓力174.6 kPa，40℃時(shí)汽油飽和蒸汽壓為69.2 kPa，則罐內(nèi)氣體空間壓力為243.8 kPa（絕壓），即142.8 kPa（表壓）。

從（1）、（2）計(jì)算分析可知，既有A41X型呼吸式安全閥呼出整定壓力設(shè)定為150 kPa滿(mǎn)足要求。

2.3 其它罐車(chē)氣體空間壓力情況

按升溫30℃情況，分別計(jì)算了苯罐車(chē)、粘油罐車(chē)、甲醇罐車(chē)、冰醋酸罐車(chē)、食用油罐車(chē)、乙二醇罐車(chē)氣體空間內(nèi)壓，內(nèi)壓力最高為GQ70罐車(chē)，其次為冰醋酸罐車(chē)，分別為123.3 kPa，121.0 kPa。非?；饭捃?chē)由于裝載不需要按95%的標(biāo)記載重裝載，內(nèi)壓力最高為食用油罐車(chē)，可達(dá)130.2 kPa。在同等溫升條件下食用油罐車(chē)內(nèi)壓比GQ70罐車(chē)稍高，但由于食用油飽和蒸汽壓幾乎為0，不存在介質(zhì)蒸汽損失的問(wèn)題。而汽油飽和蒸汽壓最高，內(nèi)壓也高，以GQ70罐車(chē)為例對(duì)安全閥的要求進(jìn)行計(jì)算是合理的。

3 吸入整定壓力分析

既有A41X型安全閥的吸入整定壓力為1.5 kPa～2 kPa，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，吸入流量約為0.011 25 m3/s（標(biāo)況、全啟壓力3.5 kPa）。

3.1 罐體承受負(fù)壓能力校核

以GQ70罐車(chē)為例計(jì)算校核。

（1）按GB150.3外壓圓筒穩(wěn)定性校核，取3倍安全系數(shù)，負(fù)壓允許值可達(dá)29 kPa。

（2）采用ANSYS有限元軟件，利用特征值法和非線(xiàn)性法分別計(jì)算了罐體的臨界失穩(wěn)壓力，取3倍安全系數(shù)，負(fù)壓允許值可達(dá)23.3 kPa、20.8 kPa。

因此，既有A41X型安全閥吸入整定壓力設(shè)定為1.5 kPa～2 kPa在罐體承受負(fù)壓范圍內(nèi)。

3.2 安全閥吸入能力核算

空罐條件下，罐內(nèi)氣體降溫形成負(fù)壓速度有可能較快，這就要求安全閥吸入空氣的速度也相應(yīng)較快。

3.2.1 空罐內(nèi)氣體降溫30℃后需要補(bǔ)充的氣體量

假設(shè)罐車(chē)初始溫度為50℃，急劇降溫后罐體氣體下降為20℃，由氣態(tài)方程可計(jì)算罐內(nèi)壓力為91.6 kPa，即罐體負(fù)壓為9.4 kPa。罐內(nèi)氣體假設(shè)為理想氣體，按空氣參數(shù)計(jì)算，則初始條件下罐內(nèi)氣體物質(zhì)的量為3 021.5 mol，罐內(nèi)外氣體需重新達(dá)到平衡狀需要的氣體物質(zhì)的量為3 330.9 mol，需補(bǔ)充氣體309.4 mol，換算成標(biāo)態(tài)空氣約為6.9 m3。

3.2.2 空罐內(nèi)氣體降溫30℃所需時(shí)間

假設(shè)罐內(nèi)全部為空氣，罐內(nèi)氣體初始溫度50℃，外界環(huán)境溫度20℃，熱交換主要為在罐壁自然對(duì)流。按大空間自然對(duì)流、水平圓柱計(jì)算方式，空氣對(duì)流熱交換系數(shù)計(jì)算，罐內(nèi)空氣由50℃降為20℃損失的熱量為3 135.8 kJ，罐體表面積為124.6 m2，則降溫30℃所需時(shí)間計(jì)算得591 s。

3.2.3 安全閥平衡負(fù)壓所需時(shí)間

A41X型呼吸式安全閥的吸入整定壓力為1.5 kPa～2 kPa時(shí)，按試驗(yàn)數(shù)據(jù)單個(gè)安全閥吸入流量0.011 25 m3/s，吸入6.9 m3的空氣需要的時(shí)間為308 s。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，罐體平均壓降速度為0.015 9 kPa/s，為維持內(nèi)壓平衡，補(bǔ)充空氣的速度平均為0.011 7 m3/s。GQ70罐車(chē)裝用2個(gè)A41X型呼吸式安全閥，安全閥吸氣量為0.022 5 m3/s。吸入閥開(kāi)啟壓力設(shè)置為2 kPa時(shí)吸入量能滿(mǎn)足要求。

上述計(jì)算若考慮罐內(nèi)空氣對(duì)流熱交換的時(shí)間，實(shí)際降溫時(shí)間應(yīng)大于591 s，要求補(bǔ)充空氣的速度比0.011 7 m3/s更小，所以安全閥的吸入量是滿(mǎn)足罐體安全要求的。

3.3 其它常壓罐車(chē)

其它常壓罐車(chē)如：苯罐車(chē)、粘油罐車(chē)、甲醇罐車(chē)、冰醋酸罐車(chē)、食用油罐車(chē)等，罐體直徑、長(zhǎng)度尺寸總體相差不大，對(duì)安全閥吸入整定壓力、吸入量要求相當(dāng)。

4 結(jié)論

（1）既有常壓罐車(chē)呼出整定壓力150 kPa、吸入整定壓力1.5 kPa～2 kPa、吸入量能滿(mǎn)足罐車(chē)安全要求。

（2）安全閥吸入整定壓力1.5 kPa～2 kPa有較大安全裕量，可以考慮適當(dāng)提高該壓力。

（3）裝運(yùn)飽和蒸汽壓較低介質(zhì)的罐車(chē)內(nèi)壓比既有安全閥設(shè)定的呼出整定壓力低很多，充裝量可適當(dāng)增大，能充分利用罐體容積增大車(chē)輛載重。

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