李 冰，張惠麗

（北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100176）

0 引言

壓力容器或壓力管道，是生產(chǎn)生活中必不可少的承壓設備，通常用來輸送或儲存高壓、高溫、易燃、易爆、有毒、有腐蝕性的介質，在我國被列為特種設備進行管理，無論是在法律法規(guī)還是在技術規(guī)范層面都有著嚴格的監(jiān)管。安全閥作為壓力容器的最后一道安全防線，在特殊工況下起著泄放壓力、防止設備爆炸、避免造成更大危害的作用，因此安全閥的選型至關重要。

安全閥的選型是一個系統(tǒng)工程，首先由工藝工程師或設備工程師對安全閥的操作工況進行分析，以確定起跳壓力、泄放溫度、泄放量等參數(shù)，最后交由安全閥生產(chǎn)廠商進行設計生產(chǎn)，并定期進行校驗。由于承壓設備的使用場景不同，產(chǎn)生超壓的原因多種多樣。泄放量是安全閥選型的一個關鍵參數(shù)，不同工況導致的泄放量差別巨大，工程經(jīng)驗不足的工程師僅依據(jù)某一規(guī)范公式計算得到數(shù)據(jù)往往不精確，需要系統(tǒng)地分析各種可能工況。結合實際應用，對比現(xiàn)行國內外相關標準后，發(fā)現(xiàn)安全閥泄放量計算公式中的某些系數(shù)、計算依據(jù)有較大不同，需要結合國內外材料性能差異、安裝施工質量等工程實際情況，確定合理的泄放量。

1 壓力容器超壓泄放工況分析

泄放工況的分析不僅是設備專業(yè)的工作，還要綜合工藝專業(yè)、管道專業(yè)進行綜合分析。安全起跳壓力和操作溫度的確定一般沒有太大的難點，但在確定泄放量時往往存在較大爭議，尤其是工程經(jīng)驗不足的工程師可能會漏掉某一關鍵工況、公式對實際情況的實用性，而得到錯誤的結論。

對于壓力容器或管道超壓原因，API 521 中闡述了幾種常見工況，主要有設備出口堵塞、閥門誤關閉、止回閥失效、冷凝器冷卻水失效、塔頂/側線回流中斷、換到熱管破裂、儲罐超液位、管道受熱體積增大、自動控制裝置失效、外部火災等。

（1）分析超壓工況時必須特別考慮：設備換熱管破裂工況中，如果壓力較低部分的水壓試驗壓力比較高壓力部分還要低，這時考慮在低壓部分裝設安全裝置，合理設置安全閥的起跳壓力。

（2）考慮外部火災工況時，API 521 規(guī)定，主要依據(jù)設備盛裝液體接觸的濕潤面積，認為火焰高度小于等于7.6 m（25 英尺），以上部分不再計算。但是有可能存在這樣一種工況：設備安裝在某一裝置樓內，樓內采用混凝土地面，或其他可能導致地面聚集可燃液體的平臺，此時不能機械地套用規(guī)范。任何有可能有發(fā)生聚集燃燒，且會炙烤到設備的失火，都需要考慮外部火災工況，反之不需要考慮火災工況，因此對于火災工況要根據(jù)實際情況，具體問題具體分析。

（3）由止回閥故障、泄漏引起的事故，現(xiàn)實中有許多案例。工程實踐中對于止回閥使用都比較謹慎，在阻力允許的條件下可設置兩道止回閥，或作為輔助使用，另采取其他安全措施。

2 泄放量計算標準規(guī)范

（1）GB 150—2011《壓力容器 第1 部分通用要求》附錄B中主要針對不同的使用場景給出了4 個泄放量計算公式，分別是壓縮機等供氣設備超壓、介質氣受熱汽化，以及火災條件下絕熱和非絕熱條件的泄放量計算，沒有對問題的具體分析。

（2）HG/T 20570.2—1995《安全閥的設置和選用》為行業(yè)規(guī)范，主要應用于化工行業(yè)的生產(chǎn)裝置。該標準較為詳細地羅列了各種常見的事故工況，并給出計算方法。可以看出，其中的計算方法引用了TSG 21—2016 以及API 520 第2.3 節(jié)，但又有所不同。

（3）ASME Ⅷ-1 Rules for construction of pressure vessels鍋爐及壓力容器規(guī)范Ⅷ卷第一冊《壓力容器建造規(guī)則》給出了氣體、蒸汽、水超壓時泄放量計算方法。

（4）API 520 及API 521 主要應用于石油化工行業(yè)壓力泄放裝置的分析、計算、選型。該規(guī)范給出了盛裝、輸送氣體、蒸汽、液體汽化等情況下壓力容器超壓泄放量的計算公式。API 521 是API 520 的補充，前者是系統(tǒng)分析，后者提供解決方案及選型。

（5）TSG 21—2016《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》給出了盛裝、輸送氣體、蒸汽、液體汽化等情況下壓力容器超壓泄放量的計算公式。

（6）GB/T 12241—2005《安全閥一般要求》給出了氣體或蒸汽以及液體泄放量的計算方法。

上述標準關于壓力容器泄放量的計算公式大部分相同，但又有差異。我國石油化工工業(yè)相對國外發(fā)達國家起步較晚，在工藝以及原材料方面都與之有不小的差距，許多標準都引用或照搬了國外的標準，但是在翻譯過程中有許多信息在歷次版本中多少有些遺漏甚至錯誤，由于缺少具體的分析，給設計選型帶來一定程度的困擾?；馂墓r的分析是其中的重點和難點，引用的標準不同導致泄放量的數(shù)值也不同。本文選取兩種特殊的外部火災工況，采用不同標準分別計算泄放量進行對比說明。

3 外部火災工況下安全閥泄放量的計算

火災工況是安全閥所有工況中占比最大的工況，國內外相關的規(guī)范標準也有較大的差異，因此要謹慎對待。火災工況的計算可分為有隔熱措施和無隔熱措施兩種情況，一般裝置中的容器都帶有絕熱層，但隔熱層的質量不同，絕熱層的質量對泄放量的影響很大。

設備無隔熱措施安全泄放量：

式中 Q——壓力容器安全泄放量，kg/h

F——容器外壁修正系數(shù)，容器為地下罐用且被沙土覆蓋，F(xiàn) 取值0.3；容器安裝在地面上，F(xiàn) 取值1.0，容器置于大于0.6 m3/（m2·h）噴淋裝置下，F(xiàn) 取值0.6

A——容器受熱濕表面積，m2

q——液體在泄壓工況時的汽化潛熱，kJ/kg

設備有完善隔熱層安全泄放量：

式中 Q——火災工況時排放量，kg/h

t——安全排放時被排放介質的飽和溫度，℃

λ——常溫下隔熱材料的導熱系數(shù)，kJ/（m·h·℃）

A——容器受熱濕表面積，m2

δ——保溫層厚度，m

q——安全排放時介質汽化潛熱，kJ/kg

隨著社會需求的不斷增長，石油化工裝置規(guī)模不斷擴大，單個物料容器的容積也在增大。如果采用式（1）進行計算，泄放量很大，會增加后續(xù)的接收裝置或焚燒裝置投資。如果使用式（2）計算，則泄放量只相當于式（1）計算值的幾十分之一。但是，對于式（2）使用的前提“設備帶有完善的絕熱保溫層”，目前國內的標準或規(guī)范尚沒有確切的定義，也就是說，如何使用式（2）并不明確，因此在實際工程設計中不敢采用。

根據(jù)API 521，對于有隔熱層的設備，火災發(fā)生時隔熱層可以減少熱量的輸入，因此可采用隔熱系統(tǒng)允許的減低系數(shù)F 來計算。隔熱的減低系數(shù)的計算公式為：

式中 F——減低系數(shù)（無保溫層F=1）

t——排放條件下介質的飽和溫度，℃

λ1——在904 ℃和泄放條件下的絕熱材料平均傳熱系數(shù)，W/（m·℃）

δ——保溫層厚度，m

在API 521 中，對于有足夠的消防措施和能夠及時排走泄漏可燃介質時容器的泄放量為：

消防設施不足和無及時排走泄漏可燃介質時容器的泄放量為：

將F 值代入式（4）、式（5），可得有足夠消防措施和能夠及時排走泄漏可燃介質時容器的泄放量為：

無足夠的消防措施和能夠及時排走泄漏可燃介質時容器的泄放量為：

式（2）為完善隔熱層條件下壓力容器的泄放量，實際情況常常是施工質量并不能達到此要求，計算結果可能偏保守。而API 321 對絕熱層狀態(tài)分情況進行了討論：能夠承受904 ℃高溫，同時在滅火時承受消防水的沖擊，否則增大安全系數(shù)更為合理。

某項目200 m3的C4H10儲罐，介質汽化潛熱258 kJ/kg，罐體外保溫厚度700 mm，超壓時排放溫度100 ℃，浸潤面積150 m2；保溫材料采用玻璃棉，導熱系數(shù)λ20 ℃=0.046 4 W/（m·℃）即0.167 kJ/（m·h·℃），λ100 ℃=0.06 W/（m·℃），λ904 ℃=0.197 W/（m·℃）。

如果按設備無保溫考慮，采用式（1）計算出的泄放量是64 716 kg/h，如果按照設備具備完善的保溫，采用式（2）計算出的泄放量是965 kg/h，前者是后者的近80 倍。按照API 321 標準，采用式（7）計算出的泄放量是1434 kg/h。綜合考慮，設計中采用泄放量1434 kg/h 作為安全閥選型的依據(jù)，既有把握，又不會導致安全閥口徑以及排放管線加大太多。壓力容器火災泄放量的計算要結合工程實際情況分析計算方法的適用性，同時還要兼顧成本和可行性。

4 火災泄放量計算中存在的問題

國內標準關于壓力容器泄放量的計算主要參照GB 150—2011 和美標API 321 兩套體系。當容器外部沒有保溫時，兩種標準下安全閥泄放量的計算公式相同，泄放量相同。但石油化工企業(yè)各種壓力容器根據(jù)工藝需求基本上都有外保溫，選擇不同的標準，計算得出的泄放量不同。

4.1 容器外壁修正系數(shù)

容器外壁修正系數(shù)（式（3））。API 321 中絕熱材料是有條件的：絕熱材料應有較好的施工質量，火災時承受消防水的沖擊能保持完整；絕熱材料能夠耐受904 ℃高溫2 h。具備上述兩個條件才能夠采用式（6）計算。GB 150—2011 沒有對外保溫容器外壁修正系數(shù)進行詳細說明，可以分析公式中的數(shù)值（650 ℃）也考慮了國內的實際情況進行的調整。兩者中導熱系數(shù)的取用也不相同，前者的單位是W/（m·℃），后者采用的是kJ/（m·h·℃）；前者采用的是904 ℃和泄壓工況時被泄放液體的飽和溫度對應的導熱系數(shù)的平均值，后者采用的是常溫下的導熱系數(shù)，設計人員在選型計算時需要特別注意。

4.2 火災吸熱量

API 321 同時考慮了現(xiàn)場消防設施以及泄漏的可燃介質及時排走對火災的影響，分別給出了不同系數(shù)。Q=C1×F×A0.82中Q為吸熱量（W），當現(xiàn)場消防設施以及泄漏的可燃介質能及時排走時C1=432 000，否則C1=70 900。

4.3 保溫材料

國內絕熱工程中常用的絕熱材料有礦渣棉、硅酸鋁纖維陶瓷模塊等，這些材料的耐溫一般達不到904 ℃。另外，保溫工程的施工質量參差不齊，故有些保守的工程師將其視為無保溫容器，這將導致泄放量數(shù)值增大很多，安全閥的口徑、排放系統(tǒng)管道尺寸相應增大。

5 結語

根據(jù)不同標準針對不同的應用領域，分析安全閥泄放量的計算，其中火災工況是一個重要工況，泄放量在各工況中占比較大，對安全閥的選型起決定作用。國內外標準有一定差異，在特定條件下計算得到的泄放量差別較大。API 321 對火災工況的分析更科學、合理，但是國內保溫材料性能在很多情況達不到該標準的要求，因此在工程實際應用中應當綜合考慮，科學選用安全閥，采用較好的保溫材料，高標準施工，提高系統(tǒng)的安全性并盡可能減少項目建設成本，避免資源浪費。