承壓設備壓力風險性評價

在許多生產過程中會產生壓力或出現真空。正常情況下，這些壓力或真空環境是安全的，但是一旦出現異常，這些壓力或真空環境通常會造成損害，給生產和經濟造成損失，在最壞的情況下，還可能危及到人的生命安全。鑒于此，在對壓力容器制定安全防護措施時，一些重要因素必須考慮。

圖1：由真空（左側）和超壓引起的罐體損壞

在密閉系統中，可靠的壓力保障是生產平穩安全運行的前提條件。當所用的開關和控制元件失靈或不可預見的過程變化發生時，安全裝置通常是容器和管路的最后一道防護。尤其是在低壓范圍內，這種危險通常會被低估或者沒有對其做出正確的評價，從而造成不必要的損失。

承壓系統所要求具備的安全措施及安全避險方面的法律規定見表1所示，它要求所有操作人員必須嚴格遵守。該要求是依據歐洲承壓設備檢測認證指南（2014/68/EU）的相關規定制定的。“該指南適用于壓力容器及其相關組件的設計、制造及合格性評價，其最大允許壓力可比歐洲承壓設備檢測認證指南2014/68/EU以及歐盟各成員國于2014年5月15日召開的關于市場上銷售的壓力設備法律協調會上所確定的承壓設備壓力高0.5 bar”。其中所說的壓力設備包括壓力罐、管道、安全附件及保壓設備。安全閥必須依據壓力設備檢測認證指南的相關規定進行鑒定，鑒定合格后鉛封CE標簽。真空閥不包含在壓力設備檢測認證指南范圍內。

表1：承壓設備安全措施法律依據

在生產過程的不同操作環境中由于各種原因既可能出現壓力的增加，也可能產生真空狀態。此類案例很多，啤酒灌裝過程中的清酒罐或其它儲罐倒空過程中就會出現真空，為了防止形成真空而使儲罐變形，在儲罐倒空過程中，壓力的補償是必需的，必須以可控的方式往儲罐中補充一定量的氣體。儲罐倒空后，罐內會充有CO2氣體，此時可用堿性溶液對儲罐進行刷洗。隨著堿性溶液對CO2氣體的吸收，CO2氣體體積降低，這時就可能形成真空環境。在清洗過程或者儲罐填充液體過量時，儲罐安全防護系統中的無菌空氣過濾器會受潮，從而堵塞過濾器，中斷氣體的流入，這時易在罐中形成真空。在對罐進行熱清洗時，熱膨脹可以造成儲罐超壓。在對罐冷卻時，由于冷卻工藝及氣體體積的降低，可能在罐中產生真空。當熱清洗完成后，立即用冷水進行沖洗，這時會在罐中突然形成真空環境。

另外，啤酒發酵過程中會產生CO2氣體，隨著CO2氣體的增加，發酵罐壓力增高，此時必須將發酵罐中的氣體排出，以阻止發酵罐中壓力聚集超壓。除了安全性能外，由于當前在高溫和壓力下所進行的二次發酵被縮短，此時的壓力控制更具有重要的商業意義。在用CO2氣體對儲罐背壓時，如果減壓器的功能受到影響，就會出現壓力的增高。

如果閥的控制不正確或者操作錯誤，就會出現超壓或真空狀態。當儲罐的排出閥在恰當的時間沒有關閉，此時如果沒有壓力補償或者壓力補償不足，儲罐就會被抽干而向內塌陷。工藝流程的變化，包括工藝流程的改變、排空參數的設定以及CIP清洗工藝（冷刷洗和熱刷洗）也不容忽視，需根據參數的變化，對所安裝的安全組件的規格型號進行仔細核查，這些是非常必要的。一旦工藝流程有變化，多數使用人員都能選擇正確設計的儲罐，但是卻忽略了必要的監控以及對安全組件必要的更改。

安全組件的失靈、受到污染、缺乏維護或者不正確的安裝均會影響它們的正常功能，從而影響儲罐的安全性。為了彌補壓力方面的增高或降低，必須安裝必要的安全設備，創建安全環境。選用適合于工藝流程且規格型號正確的安全組件是安全設備合理安全應用的前提，有利于儲罐的安全性。

如果上面提到的任何一個問題出現或者儲罐不具備安全性，其所產生的后果是不可想象的。除了對罐體本身造成損壞外，產品也會遭受損失。一旦沒有其它替代品可用時，供應的瓶頸問題不得不接受。損壞的罐也會給生產造成損失。在密閉的房間或空間緊張的區域內，儲罐的拆裝也是一大挑戰，它會產生大的處置、重新采購和建造費用。承壓設備不恰當的防護對人類和環境造成的危害是最嚴重的后果。

為了避免各種后果的出現，在安全設備計算和設計過程中必須給予足夠的重視。雖然制造廠家應該對設計負責，但是用戶富有經驗的工程部門也應該做到。正確的設計和無故障運行取決于不同的工藝參數。

超壓狀態安全閥設計中應考慮的各種要求：介質類型（蒸汽、氣體、液體）；灌裝泵的功率（一旦出現故障，抽干時的流量）；標準操作環境下的工作壓力；安全閥的切換壓力；儲罐最大允許操作壓力（MAWP）；運行溫度（℃）；冷清洗、熱水清洗、熱清洗（℃，min）等清洗工藝；EPED/PEG，ASME，CODE等標準指令。

安全閥的設計主要與被釋放的介質類型有很大關系。液體是最重要的介質，因此安全閥的設計通常是基于這種介質。如果罐體僅適用于氣體，那么安全閥的設計相應地要基于氣體介質。在設計過程中，必須考慮不同的壓力條件。

圖2：新系統中麥汁流分布圖

在標準操作條件也就是正常運行壓力下，通過安全閥需要釋放的體積流量與灌裝能力和額定泵輸出能力有關。這部分體積流量在達到預先設定的響應壓力時必須釋放。安全閥在設計時必須注意：儲罐壓力不得超過允許工作壓力的10%，這一壓力稱為安全閥的開啟壓力，這一壓力必須低于儲罐的設計壓力。響應壓力與儲罐運行時的保壓能力或者罐體的耐壓強度有關聯。

在遇到事故安全閥正常開啟后，它必須能再次安全并完全地關閉。當關閉壓力低于響應壓力時，安全閥關閉過程中的延時必須考慮。另外，也必須確保關閉壓力是高于標準工作壓力，這樣可確保標準運行過程中，當工作壓力短時間內超壓時，安全閥不能太頻繁地開啟。

在計算設計真空閥時，必須確定所需要的真空閥規格，以確保充足的空氣供應。在計算設計時必須考慮最大允許真空壓力（mbar）、允許運行的真空壓力（mbar/mmWC）、罐體總高度（mm）、儲罐出口公稱直徑、排空能力（m3/h）。

在設計階段，需要將從密閉儲罐中排出的體積流量和引起真空狀態的體積流量與通過真空閥可能的流量進行比對。閥的壓力應該滿足這些要求：不得超過允許運行的真空壓力。為了確保可靠的真空閥設計，必須考慮真空閥的清洗工藝（冷清洗、熱水清洗、熱清洗）以及流過的液體（水、堿性溶液和酸）等因素。為了計算熱清洗量，罐的容量、罐體的直徑、介質溫度、制冷量和冷卻溫度也是需要了解的。

在多數情況下，安全設備是最后一道安全保護裝置，在所有時間及任何條件下必須正常工作。在密閉系統中，如壓力容器、儲罐和管道中，需安裝安全閥來預防因壓力引起的安全事故，安裝真空閥來預防因真空狀態引起的安全事故。

通過安裝安全閥，液體、氣體和蒸汽可以通過安全閥釋放出來（液體需根據表1中EPED/PEG2014/68/EU規則執行）。安全閥是為釋放特定壓力而設置的。由流體力引起的流體壓力，在壓力下降后，安全閥的自動打開和自動關閉是通過對應的反力（彈力/重力）來完成。

正如EPED/PEG附錄中所敘述的那樣：“具有安全功能的設備零部件不得執行其它功能，除非在執行其它功能時，它們與安全有關的功能不會受到危及”。（歐洲承壓設備檢測認證指南2014/68/EU以及歐盟各成員國于2014年5月15日召開的關于市場上銷售的壓力設備法律協調會上所確定的承壓設備相關敘述中也表達了同樣內容）。這表明帶有旋塞（或蓋子）的設備不需遵從EPED/PEG相關要求，因此不能夠同時承擔安全閥的功能。作為壓力安全防護的替代物，不得用泄爆膜片或組合安全閥。在一確定壓力下，泄爆膜片會爆裂，降低壓力。在這種情況下，必須及時更換泄爆膜片，因為它已不具備密封功能。

圖3：建議方案中的壓力防護裝置

為了確保儲罐在真空狀態下工作，真空閥的響應真空壓力應為30～50 mm水柱（3～5 mbar）。真空閥需安裝在儲罐的最高點，在潛在的真空狀態下能提供足夠的保護功能（防止內爆）。為了彌補產生的真空環境，環境空氣通常要進入儲罐中。只要儲罐的內部壓力低于預先設定的響應壓力，真空閥就會開啟。當儲罐中需補充無菌空氣時，真空閥的唯一功能就是在緊急情況下起保護作用，也就是說在標準狀況下，真空閥不會啟動。空氣過濾器中的無菌空氣量也需要設計，確保響應壓力不能超過50 mm（5 mbar）的工作壓力。

筆者建議安全閥和真空閥可以作為單獨元件安裝，也可以與其它設備作為故障元件組合安裝。組合清潔空氣閥和圓頂蓋是可選項。監控和控制設備元件、觀察孔以及儲罐清洗裝置的旋轉噴霧頭也可以安裝在圓頂蓋上（見圖3所示）。

除了安全方面的要求外，依據壓力設備衛生設計方面的要求，清潔在產品防護中也扮演著重要的角色。除了設計和材質的選擇外，最重要地是要確保與產品接觸的部分能夠徹底清空并能進行正確地清洗。不留任何死角的設計是衛生設計的目標，通過CIP旁路可清洗難以清洗的部位。通過安裝可升降裝置用于閥座或閥盤的清洗。所選用的安全部件，要易于維護。

圖4：衛生設計