鄭海敏，黃喆，劉向東，陳子婧

（中海油研究總院有限責(zé)任公司， 北京 100028）

在海洋石油工程中，壓力容器的減壓系統(tǒng)應(yīng)有足夠的處理能力，以應(yīng)對(duì)其壓力在受到火災(zāi)或其他原因時(shí)，容器內(nèi)壓力快速升高到使其破壞的壓力。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)或其他原因時(shí)，設(shè)備金屬材料溫度升高，并可能出現(xiàn)使其達(dá)到破裂的程度。因此，對(duì)含有天然氣或蒸氣的設(shè)備或容器，需進(jìn)行有控制地降壓，以降低設(shè)備內(nèi)部壓力，避免設(shè)備發(fā)生破裂或破損[1]。

海洋石油工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)APIStandard521 中，對(duì)氣體（或蒸汽）減壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力有這樣的描述：在火災(zāi)工況下，對(duì)于壁厚等于或大于25.4mm（1in）的碳鋼容器，要求在15min內(nèi)設(shè)備內(nèi)壓力由最初的壓力降低到容器設(shè)計(jì)壓力的50%。通過計(jì)算和分析容器壁溫隨時(shí)間的變化，要求在火災(zāi)工況下，對(duì)于壁厚大約等于或大于25.4mm（1in）的容器，要求在15min內(nèi)將設(shè)備內(nèi)的壓力由最初壓力降到容器設(shè)計(jì)壓力的一半。而對(duì)于壁厚更薄一點(diǎn)的容器，則通常需要略大一些的減壓速度，即更短的減壓時(shí)間[2]。

理論上，容器減壓速率越小（即減壓時(shí)間越長(zhǎng)）越危險(xiǎn)，反之，容器減壓速率越大，其發(fā)生破裂的可能性就越小。但減壓速率越大，容器的泄放量也會(huì)隨之增大，并加重火炬系統(tǒng)的負(fù)荷，造成火炬設(shè)計(jì)的浪費(fèi)，不滿足設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性原則。

因此，對(duì)于壁厚大于25.4mm的容器，仍要求在15min將設(shè)備內(nèi)的壓力降到容器設(shè)計(jì)壓力的一半則過于保守。若能準(zhǔn)確分析并計(jì)算出厚壁（壁厚大于25.4mm）容器的臨界減壓時(shí)間，將能更好地服務(wù)于平臺(tái)的設(shè)計(jì)，以減小平臺(tái)資源浪費(fèi)。本論文以南海某平臺(tái)上的天然氣氣體洗滌器（壁厚40mm）為例，分析計(jì)算了火災(zāi)工況下容器的臨界減壓時(shí)間，一方面驗(yàn)證規(guī)范的有效性，另一方面實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)源頭進(jìn)行降本增效。

1 火災(zāi)工況下厚壁容器減壓時(shí)間計(jì)算

2.1 容器基本參數(shù)

本論文中所研究的厚壁（壁厚大于1in）容器為南海某平臺(tái)上的氣體洗滌器，其基本參數(shù)如表1.1所示。

表1.1 氣體洗滌器基本參數(shù)

2.2 容器破裂應(yīng)力計(jì)算

機(jī)械強(qiáng)度是壓力容器安全設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容之一。在設(shè)計(jì)工程中應(yīng)最大程度提高容器的抗壓值，根據(jù)介質(zhì)合理選擇材質(zhì)，在壓力容器長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中減小機(jī)械形變概率，降低機(jī)械損傷；承壓材料的選擇，壓力容器機(jī)械強(qiáng)度，既要滿足國(guó)家強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，又要滿足實(shí)際工藝特性[3]。

未濕潤(rùn)表面的容器指內(nèi)壁僅暴露于氣體、蒸氣或超臨界流體的容器；或者，不管內(nèi)部裝有何種流體，但內(nèi)壁有隔熱作用的容器。對(duì)于未濕潤(rùn)表面的容器，由于其內(nèi)含流體或其他任何隔熱物質(zhì)的阻礙作用使得從器壁到流體的傳熱較低，其裸露的表面從明火中吸收熱量，但由于其內(nèi)所含的流體或其他隔熱物質(zhì)阻礙熱量由器壁傳遞到流體，導(dǎo)致外裸露表面從明火中吸收的熱量能夠快速并充分地使容器達(dá)到一個(gè)足以破壞壁面的溫度，進(jìn)而導(dǎo)致容器的破裂應(yīng)力減小，機(jī)械強(qiáng)度減弱。圖2.1和圖2.2綜合表明未濕潤(rùn)裸露表面容器壁被加熱到破裂狀態(tài)的迅速程度。其中，圖1[4]表示暴露于明火中的幾種厚度不同的未濕潤(rùn)鋼板的溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系，例如1in（25.4mm）厚未濕潤(rùn)鋼板暴露于明火中達(dá)到1100℉大約需要12min，到達(dá)1300℉大約需要17min。圖2[5]則表示溫度過熱ASME A515 70 Grad鋼的影響，例如在103425kPa（15000psi）的應(yīng)力下，未濕潤(rùn)表面鋼制容器在1100℉下破裂時(shí)間為7h，在1300℉條件下破裂時(shí)間為2.5min。

圖2.1 暴露于明火中鋼板溫升速率

圖2.2 破裂應(yīng)力隨ASTM A515 Grade 70鋼材加熱時(shí)間的變化

圖2.1表示暴露于明火中鋼板溫度隨時(shí)間升高趨勢(shì)線，由圖可以看出：對(duì)于不同厚度的鋼板，其溫升速率是不同的，鋼板厚度越大，溫升速率越慢；反之，鋼板厚度越小，溫升速率越快，即對(duì)厚壁容器而言，暴露于明火中鋼板溫度升高溫度相對(duì)薄壁容器的要慢。圖2.2表示破裂應(yīng)力隨容器鋼板加熱時(shí)間的變化趨勢(shì)，由圖可以看出：隨著加熱（暴露于明火中）時(shí)間的增長(zhǎng)，鋼板的破裂應(yīng)力急劇減??；隨著加熱溫度的升高，鋼板所能承受的破裂應(yīng)力是減小的。

根據(jù)圖2.1和圖2.2，可以得出減壓過程中器壁溫度和對(duì)應(yīng)破裂應(yīng)力值隨時(shí)間的變化，如表2.2和圖2.3所示。并由圖2.3可看出，未濕潤(rùn)表面的容器暴露于明火中的時(shí)間越長(zhǎng)，容器破裂應(yīng)力越小，則其所能承受的壓力越小，受到破壞的可能性隨之增大。

圖2.3 容器（氣體洗滌器）破裂應(yīng)力隨加熱時(shí)間變化趨勢(shì)

表2.2 火災(zāi)工況下不同時(shí)間容器鋼板溫度和破裂應(yīng)力

2.3 容器承壓能力計(jì)算

對(duì)于壓力容器，在內(nèi)壓作用下，根據(jù)環(huán)向薄膜應(yīng)力得到器壁厚度如下式[6]：

式中，t表示計(jì)算厚度，in；P表示內(nèi)壓力，psi；R表示內(nèi)半徑，in；S表示材料的許用應(yīng)力（數(shù)值上等于材料的破裂應(yīng)力），psi；E表示焊接接頭系數(shù)，取值為0.85。式（2-1）適用條件為t＜0.5R或P＞0.385SE。

因此，在壁厚已知的的情況下，可以推導(dǎo)出容器所能承受的最大壓力如下式：

可得出，式（2-2）恒小于式（2-4）。因此，設(shè)計(jì)器壁厚度時(shí)，容器所能承受最大壓力為根據(jù)環(huán)向薄膜應(yīng)力計(jì)算出的器壁厚度所能承受最大壓力。

由式（2-2）計(jì)算氣體洗滌器在減壓過程中，所能承受的最大壓力隨時(shí)間變化的情況，如表2.3和圖2.4所示。

表2.3 洗滌器不同時(shí)間下所能承受最大壓力

圖2.4 不同時(shí)間所對(duì)應(yīng)容器承壓能力曲線

由圖2.4可看出，隨著受熱時(shí)間的增長(zhǎng)，氣體洗滌器承壓能力呈下降趨勢(shì)，所能承受最大壓力值在不斷減小。經(jīng)過15分鐘，氣體洗滌器所能承受的內(nèi)壓是15078.1 kPaG，遠(yuǎn)高于規(guī)范中要求15分鐘內(nèi)洗滌器內(nèi)壓力要降至設(shè)計(jì)壓力（9700kPaG）的50%即4850kPaG。因此，發(fā)生火災(zāi)工況下，按照規(guī)范要求的減壓速率進(jìn)行減壓，氣體洗滌器不會(huì)發(fā)生破裂，減壓速率滿足要求，該計(jì)算也進(jìn)一步驗(yàn)證了規(guī)范的適用性。

按照規(guī)范要求，容器內(nèi)壓力降至設(shè)計(jì)壓力（9700kPaG）的50%（4850kPaG）即可保證其安全性。由圖2.4可得，在20.5min處氣體洗滌器承壓能力為4580kPaG，即該氣體洗滌器臨界減壓時(shí)間為20.5min，但實(shí)際減壓時(shí)間需低于20.5min。雖然減壓時(shí)間越短越安全，但是減壓時(shí)間越短，氣體洗滌器的減壓速率和泄放量也會(huì)隨之增大，可能加重火炬系統(tǒng)的負(fù)荷，造成其浪費(fèi)。因此在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，該氣體洗滌器的減壓時(shí)間以略小于20.5min為宜。

3 結(jié)論與建議

論文中根據(jù)分析火災(zāi)工況下容器壁溫隨時(shí)間變化規(guī)律，獲得對(duì)應(yīng)時(shí)間破裂應(yīng)力，通過計(jì)算得到洗滌器在火災(zāi)工況下的臨界減壓時(shí)間為20.5min，長(zhǎng)于規(guī)范中要求其15min的減壓時(shí)間。因此，發(fā)生火災(zāi)工況下，按照規(guī)范要求的減壓速率進(jìn)行減壓，氣體洗滌器不會(huì)發(fā)生破裂，驗(yàn)證了規(guī)范要求的有效性。雖然減壓時(shí)間越短越安全，但是減壓時(shí)間越短，氣體洗滌器的減壓速率和泄放量也會(huì)隨之增大，可能加重火炬系統(tǒng)的負(fù)荷，造成其浪費(fèi)。因此在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，該氣體洗滌器的減壓時(shí)間選擇以略小于20.5min為宜，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)今后工藝系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。