液化石油氣儲(chǔ)罐安全閥整定壓力確定的討論

李崇勇張雅新張 光

（1.中國(guó)石油遼陽(yáng)石化公司機(jī)械廠 遼陽(yáng) 111003）

（2.遼陽(yáng)石化公司機(jī)動(dòng)設(shè)備處 遼陽(yáng) 111003）

液化石油氣儲(chǔ)罐安全閥整定壓力確定的討論

李崇勇1張雅新2張 光1

（1.中國(guó)石油遼陽(yáng)石化公司機(jī)械廠 遼陽(yáng) 111003）

（2.遼陽(yáng)石化公司機(jī)動(dòng)設(shè)備處 遼陽(yáng) 111003）

以液化石油氣臥式儲(chǔ)罐為例，對(duì)影響確定安全閥整定壓力的相關(guān)壓力進(jìn)行了分析，認(rèn)為確定安全閥整定壓力不僅需要考慮容器的工作壓力、設(shè)計(jì)壓力以及超壓限度，而且尚需考慮安全閥的整定壓力允許偏差、排放壓力以及密封試驗(yàn)壓力，總體上既要滿足pw＜pz≤p，細(xì)節(jié)上又要滿足pf≤p+Δp，并且有必要考慮pt＞pw，以保證安全閥安全排放后的密封性能。建議相關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)合理完善相關(guān)壓力之間的關(guān)系。

壓力容器 安全閥 整定壓力 相關(guān)壓力

Li Chongyong1Zhang Yaxin2Zhang Guang1

（1. CNPC Liaoyang Petrochemical Fibre Company Machinery Factory Liaoyang 111003)

(2. PetroChina Liaoyang Petrochemical Company Machinery and Equipment Division Liaoyang 111003)

《固容規(guī)》[1]中3.4設(shè)計(jì)文件中規(guī)定：裝有安全閥的壓力容器，設(shè)計(jì)文件還應(yīng)包括壓力容安全泄放量、安全閥排放量的計(jì)算書(shū)，要求壓力容器設(shè)計(jì)合理選擇安全閥并確定整定壓力。

NB/T 47001鋼制液化石油氣臥式儲(chǔ)罐（簡(jiǎn)稱臥罐）標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定見(jiàn)表1。

表1 臥罐設(shè)計(jì)參數(shù)

表1中的公稱（設(shè)計(jì)）壓力是根據(jù)儲(chǔ)存物料在50℃下飽和蒸氣壓并考慮原標(biāo)準(zhǔn)的連續(xù)性而確定的，而安全閥開(kāi)啟（整定）壓力卻只規(guī)定小于或等于設(shè)計(jì)壓力，究竟如何合理確定，是設(shè)計(jì)人員所要面對(duì)的問(wèn)題，現(xiàn)對(duì)此進(jìn)行討論。

1 壓力容器與安全閥相關(guān)壓力的定義[3-5]

《固容規(guī)》中8.3.2規(guī)定：安全閥的整定壓力一般不大于壓力容器的設(shè)計(jì)壓力，去掉了“安全閥的密封試驗(yàn)壓力應(yīng)大于壓力容器的工作壓力”。

GB 150.1中4.3.3則規(guī)定，當(dāng)容器上裝有超壓泄放裝置時(shí)，應(yīng)按附錄B確定設(shè)計(jì)壓力。其中裝有安全閥時(shí)，容器的設(shè)計(jì)壓力按以下步驟確定：a）根據(jù)容器的工作壓力pw，確定安全閥的整定壓力pz，一般取pz=(1.05~1.1)pw；當(dāng)pz＜0.18MPa時(shí)，可適當(dāng)提高pz相對(duì)于pw的比值；b）取容器的設(shè)計(jì)壓力p等于或稍大于整定壓力pz，即p≥pz。

從上面規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定中可以看到安全閥的整定壓力與壓力容器的設(shè)計(jì)壓力以及工作壓力之間的聯(lián)系。為下面討論方便，對(duì)涉及到的相關(guān)壓力定義描述如下。

1）工作壓力pw：在正常工作情況下，容器頂部可能達(dá)到的最高壓力。

2）設(shè)計(jì)壓力p：設(shè)定的容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度一起作為容器的基本設(shè)計(jì)載荷條件，其值不低于工作壓力。

4）整定壓力pz：安全閥在運(yùn)行條件下開(kāi)始開(kāi)啟（開(kāi)啟高度＞0）的預(yù)定壓力，是在閥門(mén)進(jìn)口處測(cè)量的表壓力。一般取pz=(1.05~1.1)pw，且p≥pz。

5）回座壓力ph：安全閥排放后其閥瓣重新與閥座接觸，即開(kāi)啟高度變?yōu)榱銜r(shí)的進(jìn)口靜壓力。整定壓力與回座壓力之差稱為啟閉壓差。對(duì)于空氣或其他氣體用安全閥，當(dāng)pz＞0.2MPa且金屬密封面時(shí)，啟閉壓差≤15%pz，此時(shí)ph≥0.85pz。

6）密封試驗(yàn)壓力pt：安全閥進(jìn)行密封試驗(yàn)時(shí)的進(jìn)口壓力，在該壓力下測(cè)量通過(guò)閥瓣與閥座密封面間的泄漏率。對(duì)于空氣或其他氣體的介質(zhì)，當(dāng)pz＞0.3MPa時(shí)，pt=0.9pz。

7）排放壓力pf：安全閥閥瓣達(dá)到規(guī)定的開(kāi)啟高度時(shí)的進(jìn)口壓力。pf=pz+超過(guò)壓力（超過(guò)安全閥整定壓力的壓力增量），對(duì)于空氣或其他氣體用安全閥pf≤1.10pz。

8）超壓限度△p：壓力容器在超壓泄放裝置動(dòng)作時(shí)，容器內(nèi)允許達(dá)到的相對(duì)設(shè)計(jì)壓力的最大允許增壓，是針對(duì)容器在泄放裝置動(dòng)作后最大承載能力提出的壓力指標(biāo)，不能隨便用于正常操作工況，在設(shè)計(jì)時(shí)一般不需要作具體計(jì)算。當(dāng)容器上僅安裝一個(gè)泄放裝置時(shí)，泄放裝置的動(dòng)作壓力應(yīng)不大于設(shè)計(jì)壓力，容器的超壓限度應(yīng)不大于設(shè)計(jì)壓力的10%或20kPa中的較大值?？梢?jiàn)，容器的超壓限度小于水壓試驗(yàn)壓力超出設(shè)計(jì)壓力的數(shù)值。實(shí)際上，這是對(duì)安全閥排放壓力的限制，即pf≤p+△p，以保證壓力容器的安全泄放。

從上面相關(guān)壓力的定義中歸納出，當(dāng)pz＞0.3MPa時(shí)，其他壓力與整定壓力之間的關(guān)系：

pw=(0.90~0.95)pz，p≥ pz，ph≥ 0.85pz，pt=0.9pz，pf≤1.10pz。

下面以臥罐（符合規(guī)定的裝量系數(shù)）為例，對(duì)安全閥的整定壓力確定進(jìn)行討論。但前提條件僅限于：臥罐安裝在遠(yuǎn)離熱源且有完善可靠防火設(shè)施的場(chǎng)合，并設(shè)有一個(gè)能滿足容器安全泄放量要求的封閉全啟式安全閥（彈簧直接載荷式），這里只討論容器設(shè)計(jì)壓力（工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)具體考慮容器的最高允許工作壓力）與安全閥整定壓力的關(guān)系。

2 安全閥整定壓力確定需要的相關(guān)壓力

下面以丙烯臥罐為例對(duì)安全閥整定壓力的確定進(jìn)行討論，丙烯臥罐設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 丙烯臥罐設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 按GB 150.1確定安全閥整定壓力

容器的超壓限度（△p）應(yīng)不大于設(shè)計(jì)壓力的10%或20kPa中的較大值，即△p≤0.216MPa；安全閥整定壓力偏差（δ）不應(yīng)超過(guò)±3%pz或±0.015 MPa的較大值。

1）取pz=1.05pw，pw=1.95MPa，則pz=2.05MPa，考慮δ=±0.062MPa，pz=1.99～2.11MPa。

根據(jù)上面其他壓力與整定壓力之間的關(guān)系式，并考慮整定壓力偏差（δ）得出：

ph≥0.85pz（=1.69～1.79MPa)，最小ph的上限值＜pw。

pt=0.9pz（=1.79～1.90MPa），pt的上限值＜pw。

pf≤1.10pz（=2.19～2.32MPa)，最大pf的上限值＜p+△p（=2.376MPa)。

可見(jiàn)，當(dāng)pz=2.05MPa時(shí)，盡管安全閥的最大pf的上限值滿足容器的超壓限度要求能夠安全泄放，但是，安全閥的密封性能達(dá)不到要求。

2）取pz=1.1pw，pw=1.95MPa，則pz=2.15MPa，考慮δ=±0.065MPa，pz= 2.09～2.22MPa。

根據(jù)上面其他壓力與整定壓力之間的關(guān)系式，并考慮整定壓力偏差（δ）得出：

ph≥0.85pz（=1.78～1.89MPa)，最小ph的上限值＜pw。

pt=0.9 pz（=1.88～2.00MPa)，pt的下限值＜pw。

pf≤1.10pz（=2.30～2.44MPa），最大pf的上限值＞p+△p（=2.376MPa)。

可見(jiàn)，當(dāng)pz=2.15MPa時(shí)，安全閥的最大pf的上限值大于容器的超壓限度，并且pt的下限值＜pw，密封仍然達(dá)不到要求。

由上可知，此案例按GB 150.1確定的安全閥整定壓力滿足不了密封性能要求。

2.2 按pt≥pw確定安全閥整定壓力

在考慮整定壓力正偏差后，先取pt=pw=1.95MPa，可導(dǎo)出pz=1.15pw=2.24MPa，然后取pz=2.25MPa（可使pt＞pw)，再考慮δ=±0.068MPa，則pz= 2.18～2.32MPa。由此得出相關(guān)壓力為：

ph≥0.85pz（=1.85～1.97MPa)，最小ph的下限值＜pw。

pt=0.9pz（=1.96～2.09MPa)，pt的下限值＞pw。

pf≤1.10pz（=2.40～2.48MPa），最大pf的下限值＞p +△p（=2.376MPa），允許向下調(diào)整，但要滿足開(kāi)啟高度。

此時(shí)，需取臥罐的設(shè)計(jì)壓力p=pz=2.25MPa。

可見(jiàn)，雖然安全閥能滿足密封性能要求，但需要提高臥罐的設(shè)計(jì)壓力。

2.3 對(duì)確定安全閥整定壓力的討論

由上可知，確定安全閥整定壓力不僅需要考慮容器的工作壓力、設(shè)計(jì)壓力以及超壓限度，而且尚需考慮安全閥的整定壓力允許偏差、密封性試驗(yàn)壓力以及排放壓力?？傮w上既要滿足pw＜pz≤p，細(xì)節(jié)上又要滿足pf≤p+△p，并有必要考慮pt=0.9pz的合理性。

1）按GB 150.1確定安全閥整定壓力，出現(xiàn)pt＜pw，理論上安全閥密封不符合要求；并且pz=1.1pw時(shí)最大pf的上限值＞p+△p。那么，為什么臥罐一直沿用表1的設(shè)計(jì)壓力，并規(guī)定pz≤p。答案有一種可能：臥罐的安全閥只是個(gè)安全“附件”——從未因超溫導(dǎo)致超壓而起跳開(kāi)啟過(guò)。因?yàn)椋浩湟?，所討論的pw=1.95MPa系丙烯在最高工作溫度50℃下飽和蒸氣壓，即只有罐內(nèi)丙烯溫度高于50℃時(shí)，才有可能發(fā)生超壓工況：當(dāng)pz=2.05MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的丙烯溫度為52.3℃；當(dāng)pz=2.15MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的丙烯溫度為54.4℃；而pz=p=2.16MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的丙烯溫度為54.6℃。但實(shí)際上，這個(gè)設(shè)計(jì)溫度是根據(jù)國(guó)內(nèi)氣象資料確定的最高溫度，即使對(duì)南方地區(qū)也是保守溫度（尚未見(jiàn)到超過(guò)50℃高溫報(bào)道），更有設(shè)計(jì)者建議北方地區(qū)的儲(chǔ)罐降低設(shè)計(jì)溫度為40℃[6]；其二，盡管安裝在遠(yuǎn)離熱源場(chǎng)所的無(wú)保冷設(shè)施常溫儲(chǔ)存液化石油氣臥罐，其設(shè)計(jì)溫度取決于烈日暴曬下的罐壁金屬溫度（其值一般在大氣溫度和地面溫度之間）和常溫下充裝的介質(zhì)溫度，而儲(chǔ)存的介質(zhì)溫度則低于罐壁溫度。但是臥罐外表面防曬涂料、安裝場(chǎng)所設(shè)置的防曬棚、降溫噴淋及消防噴淋的冷卻水裝置、遠(yuǎn)程測(cè)溫實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)等，都能有效控制臥罐溫度不超出規(guī)定值；其三，臥罐標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)壓力是取儲(chǔ)存介質(zhì)50℃飽和蒸氣壓的1.1倍，即p=1.1pw。所以，只能要求安全閥的整定壓力小于或等于設(shè)計(jì)壓力，即pz≤p（但要滿足pw＜pz≤p），這樣安全閥就形如“安全附件”——不起跳開(kāi)啟（至少在北方地區(qū)），況且尚未見(jiàn)到有關(guān)臥罐因安全閥開(kāi)啟而閥瓣不回座致使密封不符合要求的文獻(xiàn)論述，更未見(jiàn)到關(guān)于臥罐因強(qiáng)度失效而發(fā)生爆裂事故的報(bào)道。

2）按pt≥pw確定安全閥整定壓力，雖然安全閥能滿足密封性能要求，但需要提高臥罐的設(shè)計(jì)壓力。看來(lái)，有必要分析一下臥罐和安全閥的工作過(guò)程。臥罐在常溫下按設(shè)計(jì)規(guī)定的充裝量充裝，然后在常溫下儲(chǔ)存，隨著季節(jié)變化，可能達(dá)到夏季預(yù)定的最高工作溫度——對(duì)應(yīng)的介質(zhì)飽和蒸氣壓作為基準(zhǔn)確定安全閥整定壓力，一旦超過(guò)這個(gè)壓力，安全閥即起跳開(kāi)啟直至達(dá)到全啟高度，安全排放超壓氣體，罐內(nèi)壓力隨之下降，接近（等于或小于）工作壓力后回座?？梢?jiàn)，臥罐在“常溫（經(jīng)常性）～最高溫度（偶然性）——相應(yīng)對(duì)應(yīng)的壓力”之間工作，所以，安全閥雖然回座，但仍可能處在“回座～開(kāi)啟”之間狀態(tài)，這就是所謂的密封試驗(yàn)壓力?！度菀?guī)》規(guī)定的50℃是考慮國(guó)內(nèi)各地溫度所取的最高值，而臥罐固定應(yīng)用于某地后，最高工作溫度也應(yīng)為定值（一般低于50℃），比如文獻(xiàn)[6]取為40℃，對(duì)應(yīng)丙烯的飽和蒸氣壓作為1.50MPa。以此壓力再按GB 150.1確定安全閥的整定壓力如下：

取pz=1.05pw，pw=1.50MPa，則pz=1.58MPa，考慮δ=±0.047MPa，pz=1.53～1.63MPa。由此得：

ph≥0.85pz（=1.30～1.39MPa)，最小ph的上限值＜pw。

pt=0.9pz（=1.38～1.47MPa)，pt的上限值＜pw。

pf≤1.10pz（=1.68～1.79MPa)，最大pf的上限值＜p+△p（=2.376MPa）。

若取pz=1.1pw，pw=1.50MPa，則pz=1.65MPa，考慮δ=±0.050MPa，pz=1.60～1.70MPa。由此得：

ph≥0.85pz（=1.36～1.45MPa)，最小ph的上限值＜pw。

pt=0.9pz（=1.45～1.53MPa)，pt的下限值＜pw。

pf≤1.10pz（=1.76～1.87MPa)，最大pf的上限值＜p+△p（=2.376MPa）。

可見(jiàn)，按GB 150.1確定的安全閥整定壓力仍然滿足不了密封性能要求，看來(lái)，相應(yīng)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)壓力之間的關(guān)系需要合理調(diào)整完善。

再按pt≥pw確定安全閥整定壓力：取pt=pw=1.50MPa， 得 出pz=1.15pw=1.73MPa， 然后取pz=1.75MPa，再考慮δ=±0.053MPa，則pz=1.70～1.80MPa。由此得出相關(guān)壓力為：

ph≥0.85pz（=1.45～1.53MPa)，最小ph的下限值＜pw。

pt=0.9pz（=1.53～1.62MPa)，pt的下限值＞

pw。

pf≤1.10pz（=1.87～1.98MPa)，最大pf的上限值＜p+△p（=2.376MPa)。

由此得到pz=1.75MPa，即可滿足安全閥的密封性能要求，又可使安全閥的最大pf的上限值也能滿足容器的超壓限度要求。

在當(dāng)今環(huán)境保護(hù)愈加嚴(yán)格的氣候下，不論是從安全性、清潔性、還是經(jīng)濟(jì)性考慮，容器使用愈加期望無(wú)泄漏，液化石油氣儲(chǔ)罐更是如此。對(duì)于安全閥，為保證壓力容器的安全運(yùn)行，既要開(kāi)啟靈敏并排放到位，又要及時(shí)回座并密封可靠。由于ph≥0.85pz，究竟為多少合適，容器設(shè)計(jì)與使用不得而知，但期望ph接近容器的pw為宜，以便泄放后及時(shí)回座，減少不必要的泄放損失。所以，99版《容規(guī)》規(guī)定pt＞pw是有一定道理的。

3 結(jié)束語(yǔ)

1）臥罐標(biāo)準(zhǔn)中所謂的設(shè)計(jì)溫度50℃（國(guó)內(nèi)最高溫度）是按《容規(guī)》規(guī)定確定的，而設(shè)計(jì)壓力則是取50℃介質(zhì)飽和蒸氣壓（工作壓力）的1.1倍（其對(duì)應(yīng)溫度才是設(shè)計(jì)溫度，但實(shí)際上達(dá)不到）。所以，以此工作壓力再按GB 150.1確定安全閥整定壓力時(shí)，就出現(xiàn)滿足不了安全閥的密封性能要求；而按pt≥pw確定安全閥整定壓力時(shí)，則需要提高臥罐的設(shè)計(jì)壓力。

這是因?yàn)闆](méi)有考慮臥罐的實(shí)際工況：在“常溫（經(jīng)常性）～最高溫度（偶然性，并應(yīng)視安裝地定最高溫度如文獻(xiàn)[6] 40℃）——相應(yīng)對(duì)應(yīng)的壓力”之間工作。

2）確定臥罐安全閥的整定壓力，不僅需要考慮臥罐的工作壓力、設(shè)計(jì)壓力以及超壓限度，而且尚需考慮安全閥的整定壓力允許偏差、密封性試驗(yàn)壓力以及排放壓力?？傮w上既要滿足pw＜pz≤p，細(xì)節(jié)上又要滿足pf≤p+△p，并且有必要考慮pt＞pw，以保證安全閥安全排放后的密封性能。所以，首先應(yīng)明確臥罐的實(shí)際工作壓力（對(duì)應(yīng)實(shí)際最高工作溫度的飽和蒸汽壓）。

3）原《容規(guī)》規(guī)定pt＞pw有一定道理，相關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)合理確定安全閥與容器的相關(guān)壓力之間的關(guān)系：安全閥整定壓力與容器工作壓力及設(shè)計(jì)壓力；安全閥整定壓力與排放壓力、回座壓力及密封試驗(yàn)壓力；容器工作壓力與安全閥回座壓力及密封試驗(yàn)壓力。

[1] TSG R0004—2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程及釋義[S].

[2] NB/T 47001—2009 鋼制液化石油氣臥式儲(chǔ)罐[S].

[3] GB 150—2011 壓力容器及釋義[S].

[4] TSG ZF001—2006 安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

[5] GB/T 12243—2005 彈簧直接載荷式安全閥[S].

[6] 董振龍.液化石油氣儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題[J].石油化工設(shè)備，1989，18(6)：36.

Discussion on Safety Valve Set-pressure of Liquefied Petroleum Gas Tanks

Take liquefied petroleum gas horizontal tanks as an example, analyzing the pertinent pressure which has an influence on the safety valve set pressure determination, it is concluded that not only the vessel operating pressure, design pressure and overpressure limit need to be considered, but also allowable deviation, relieving pressure and seal test pressure of the safety valve set pressure. To ensure the safety valve sealing performance, pw＜pz≤p as a whole, pf≤p+Δp on details, and pt＞pw, all above conditions should be met. There is a suggestion that the relationship between the pertinent pressures should be improved rationally in the pertinent regulations and standards.

Pressure vessel Safety valve Set pressure Pertinent pressure

X933.4

B

1673-257X(2015)09-0027-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.09.006

李崇勇(1982~)，男，本科，工程師，從事壓力容器建造工作。

2015-03-17）