液體危險品運輸罐式車輛、罐式集裝箱泄放系統研究

趙云

（福托偉閥門（上海）有限公司，上海201108）

現代人們的生活中，充滿了各式各樣的化工制品，這些化工制品在給人們帶來便利的同時，在其生產、制造、運輸過程中都存在這各種各樣的風險。集裝罐出現在20 世紀60 年代，經過50 年的發展，目前已經具有全球統一的設計、制造、管理、運輸規范和標準，作為目前最為安全的危險貨物運輸工具已經廣泛得到應用。由于其多式聯運的特點，廣泛的被應用于國際危險品運輸。截止2016 年，全球標準集裝罐所有量已經超過50 萬臺并且近5 年依然保持每年有超過10%的增長量3。除了聯合國出版的“關于危險貨物運輸的建議書”之外，世界各主要經濟體也都針對集裝罐的設計、建造、使用給出了針對各地區特殊要求而設立的法規、標準。如美國CFR49，歐盟的ADR/RID，中國的JB/T 4781 和JB/T 4782 等。以上規范、標準均給出罐體泄放需求和計算方法。但在實施過程中，廠家往往僅針對安全閥本身瀉放能力，并沒有考慮溢流盒對瀉放流量的影響。本文針對以上情況，考慮流量影響因素，通過模擬分析對比實驗結果的方式找出溢流盒瀉放開口與安全閥尺寸的關系。針對集裝罐安全閥選型與溢流盒瀉放開口給出設計建議。

1 泄放裝置流量計算

在集裝罐泄放裝置設計計算過程中，超壓保護是重中之重。針對超壓情況，集裝罐的設計考慮兩種因素，第一種考慮的是由于異物意外進入罐體，導致罐內貨物劇烈反應，產生大量壓力。這種狀況下，壓力變化相當劇烈，需要立即將產生的壓力瀉放，以預防罐體發生爆炸，因此采用的辦法是250mm 通徑爆破片直接泄放。其通徑尺寸，是通過大量實驗獲取的。第二種情況，考慮的罐體進入火場，外界熱量傳遞入罐內，使罐內貨物升溫，導致壓力升高。這種情況下，罐體考慮采用安全閥，安全閥與爆破片或安全閥與爆破片及防火網組合裝置泄放罐內壓力。在設計罐箱時，可以通過罐體表面積查表取得罐體所需流量，也可以基于罐體絕熱系數、貨物汽化潛熱、泄放溫度等參數計算罐體所需泄放流量。針對此流量再選擇對應能夠滿足需求的安全閥，或通過計算得到所需要的泄放孔直徑。

對于安全閥與爆破片組合的流量確定，在ASME VIII DIV1 UG-132 中，GB150.1 附錄B.6 中均做出了明確規定，需要采用實驗的方式來確定組合流量系數。罐箱廠家在設計罐箱時，往往也會考慮到爆破片、防火網對瀉放流量的影響，但卻忽略了溢流盒的影響。并且在相關標準中也沒有具體的設計指導。

溢流盒通常安裝在集裝罐頂部，用于收集由于不當操作或事故導致的溢出貨物。在溢流盒內通常有安全閥，裝卸料閥，空氣閥，人孔和備用孔。溢流盒通常配有蓋板，用于保護內部部件，便于加設海關封，同時防止雨水污染部件。在有蓋板的溢流盒上，通常設計人員會在溢流盒長邊一側開一組孔矩形陣列的小孔，用于瀉放安全閥瀉放的壓力，平衡壓差。典型溢流盒布置如圖1 所示。但這組孔與安全閥相對位置，總開孔面積與安全閥泄放面積比率，小孔大小與陣列疏密無統一要求，設計人員通常依照自身經驗在安全閥泄放面積基礎上增加30%到300%不等。開孔組與安全閥相對位置，通常也沒有具體要求，依各個箱體設計而不同。

2 CFD 模型建立以及驗證

基于通常溢流盒設計尺寸，在CREO5.0 中建立實體模型，為了簡化分析和實驗，在本模型中不包含溢流盒內其他閥件，僅僅安裝安全閥。溢流盒長度1220mm，寬度920mm，高度范圍195mm 到300mm。安全閥安裝位置可相對溢流盒中心軸線偏移，偏轉角度范圍±16°，偏移范圍±500mm。溢流盒開孔直徑10mm，填充陣列在長方形范圍內，長方形長寬邊界分別為[150,300] 和[50,100]，矩形中心距離溢流盒中心點位置范圍為[0,350]。開孔邊緣間距范圍[2,4]安全閥選取DN65 系列安全閥，泄放面積3685mm2。整體設置如圖1 所示。

圖1 安全閥安裝在溢流盒內的CFD 模型設置

在模擬溢流盒對安全閥瀉放量影響之前，先使用FLOEFD建立單獨安全閥流量模擬模型，并與之前所測得的流量數據進行對比。泄放壓力選取最常用設定。整定壓力4.4barg，超過壓力20%。閥門連接罐體法蘭入口作為入口邊界，設定總壓力為5.28barg (6.28bara), 出口為環境壓力，模擬介質為空氣，設閥門出口處體積流量為目標，全局網格疏密度6，局部細化疏密度5。獲得流量結果為5.37kg/s。該模擬結果與實際測量結果5.56kg/s誤差不超過5%，在工程應用CFD 流體分析中其誤差可以接受。

圖2 安全閥獨立流量模擬

再建立包含安全閥、溢流盒、溢流盒泄放開孔的CAD 模型，并按照之前驗證好的CFD 模型邊界條件設定新模型，同時對開孔處局部網格優化，最大間距設定為2mm，也確保密集開孔不會被忽略，同時每個小開孔有5 個單元格。現針對常見的罐箱設計，對CAD 和CFD 模型進行參數化設計。其開孔邊緣間距2mm，開孔范圍矩形高度80mm，開孔范圍中心距離溢流盒中心距離350mm，通過調整開孔區域寬度，使實際開孔總面積接近安全閥泄放面積的2 倍，4 倍和5 倍。對此3 個模型進行模擬計算并與實際測量數值對比。其結果如表1 所示。所得結果與實際測量值有約5%差異，隨開孔面積增加流量增大的趨勢曾度比例近似，增幅比率偏差不超過5%，可以接受由此模型推斷流量趨勢。

表1 溢流盒安全閥實驗數據與模擬數據對比

3 DOE 模型建立以及分析

在驗證包含溢流盒、溢流盒開孔和安全閥的CFD 模型后，我們基于該模型，針對前文中提到的相關參數：溢流盒尺寸，安全閥相對溢流盒中心偏移位置，溢流盒泄放孔大小，采用Taguchi 函數盡力7 因子，3 水平的，包含18 項組合的實驗矩陣。逐次對該18 項進行模擬，得到瀉放流量。對此DOE 模型進行回歸分析。我們可以清楚的發現，溢流盒瀉放流量與開孔大小有極大關系，同時開孔相對位置也會有一定的影響。當安全閥瀉放氣體能夠直接沖擊到溢流盒泄放孔時，能夠更好的使氣流直接排除溢流盒外，從而略微減小溢流盒內部氣壓。進而在同一泄放面積情況下能夠少量提升溢流盒瀉放能力。同樣當安全閥被安置于溢流盒轉角處時，由于沖出氣流不易直接從開孔處溢出，也會造成溢流盒內部壓力升高。因此考慮將溢流盒蓋提升一定高度，使提升后溢流盒泄放面積大于5 倍安全閥泄放面積，從而既保證泄放面積大小，又保證從各個角度基本獲得相同的逸散能力。

根據這個想法再次更新CFD 模型結構尺寸進行模擬。通過計算，將溢流盒蓋提高5mm，這時得到的泄放面積為21460mm2。設計在蓋子邊緣增加10mm 寬折邊，用以防止雨水飄入溢流盒內。當安全閥安裝在溢流盒中央時，模擬得到的流量為5.23kg/s，測試得到的流量為5.3kg/s。當移動安全閥在溢流盒中位置時，所的模擬流量并無明顯變化。如圖3 所示。去除溢流盒蓋子后，模擬得到的流量為5.22kg/s，測試得到的流量為5.4kg/s。

圖3 提升溢流盒蓋子后流量模擬

結束語

通過CFD 模擬分析和對比流量測試結果，得出以下結論：

a.溢流盒泄放孔開孔面積對安全閥瀉放流量有很大的影響，進而影響到整個容器瀉放能力；

b. 安全閥相對溢流盒泄放孔位置對安全閥瀉放流量影響不明顯；

c.當溢流盒泄流孔開孔面積大于5 倍的安全閥泄放面積時，基本不會對安全閥瀉放能力產生影響；

d.在溢流盒蓋與溢流盒間預留足夠的空間，提供大于安全閥泄放面積5 倍的面積，能夠保證整體的瀉放能力。

在后續的研究中，可以考慮在溢流盒內部增加其他閥件，分析其他閥件大小、位置對于瀉放量的影響。嘗試新的溢流盒瀉放孔布置，保證需要功能，降低生產成本。同時也需要對劇烈反應情況下的250mm 爆破片在溢流盒中的瀉放流量進行探討。同時也需要對劇烈反應情況下的250mm 爆破片在溢流盒中的瀉放流量進行探討。

注釋

1GB/T 18564.1道路運輸液體危險貨物罐式車輛 第1部分：金屬常壓罐提技術要求.

2European Agreement Concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road.

3ITCO 2016 年報告.

4 Recommendations of the Transport of Dangerous Goods Model Regulations.

5GB150.1-2011壓力容器.

6 ISO 4126-7 2013，Safety devices for protection against excessive pressure Part 7: common data.