液化气体罐车“过度设计”的隐患

张石

（辽河油田物资公司，辽宁盘锦124012）

液化气体罐车“过度设计”的隐患

张石

（辽河油田物资公司，辽宁盘锦124012）

目前在液化石油气运输中，普遍存在以设计压力较高的罐车充装饱和蒸汽压较低的介质，即所谓“过度设计”的现象，这并不意味着安全，因为在液化气体罐车现有的安全规程中，安全阀的整定压力仅与罐体的设计压力挂钩，而与介质物性无直接关联，整定压力过高会导致罐开启时排放液相，失去预期的作用。针对这种情况，文章分析了液化气体罐车安全阀的作用原理，指出现行《液化气体铁路罐车安全管理规程》对安全阀参数的规定和液位计作用存在的一些不严格之处，有可能造成安全隐患，建议在修订时充分吸收国外先进标准的优点，防患于未然。

液化气体罐车；过度设计；隐患分析

随着石油化工的高速发展，液化气体产量日增。罐车（铁路罐车或汽车罐车，以下统称罐车）作为液化气长途运输的主要工具，其社会保有量也不断增大。由于液化气体多系易燃易爆或者有毒气体，所以运输的安全性受到各方的高度重视。笔者所在的辽河油田也拥有大批液化气体罐车，按化工部1988年颁发的《液化气体铁路罐车安全管理规程》（以下简称《规程》）定期进行检修。检修频率较高的是安全附件，如安全阀和液位计。但是，笔者认为《规程》对安全阀开启压力（即整定压力）的规定等不尽合理，故提出一些自己的看法，供参考。

1 液化气体罐车安全阀的作用原理

在罐车运行中，最危险的事故应属罐体爆炸。为了防止出现这种情况，《规程》对罐体设计、材料和制造均有明确的要求。除此之外，还要求罐体上必须配置相关的安全附件。本文关注的是其中用于防止罐内出现超过设计压力（即最高允许工作压力MAWP）以致引起爆炸的安全阀。

什么情况下罐内会出现超过设计压力的情况呢？众所周知，罐内液化气体（以下简称介质）的液相与气相处于物理化学的平衡状态，只要这种状态不被破坏，压力则为温度的函数，即超压的前提是过热。《规程》对设计温度规定为50°C，超过这个温度即为过热。大家已普遍接受美国石油协会（API）的观点：虽然曝晒等自然因素能导致罐体过热，但最极端的条件却是遭遇火灾。为了抵消由火灾导入的热量，阻止温度升高，API在实验的基础上对安全阀提出两个要求：

（1） 安全阀在罐体内压力超过其整定值时开启。

（2） 安全阀全启后的额定排放能力必须大于下式计算结果：

Q=（37 100 A0.82）/r

式中Q——安全阀的最小排放能力；

A——罐体的表面积；

r——介质在设计温度下的气化潜热。

安全阀的降压作用并非基于排出多余的介质，而是基于液相的蒸发，即液—气相变耗去的潜热抵消了外部火灾导入的热量，从而维持介质的温度不变。安全阀的开启和排放都是为了维持一个连续的液—气相变，安全阀只允许排放气相介质，而不允许直接排放液相。因此在罐体内部必须保有一定的气相空间，安全阀的入口只允许与气相空间相通。

2 《规程》存在的不足

2.1 《规程》对罐体的“过度设计”无限制

我国现行的规程、规范均未涉及“过度设计”概念。它意味着罐体的设计压力超过了介质工作条件下的实际需要，比如以设计压力为2.2 MPa的丙烯罐车充装丙烷（或与之类似的、在50℃下饱和蒸汽压不大于1.6 MPa的混合液化石油气）。这种情况普遍存在，任何规范均未加限制。许多炼厂甚至硬性规定必须使用设计压力为2.2 MPa的罐车运输液化石油气，这将会导致重大隐患。《规程》的条款不能保证在火灾情况下，安全阀能正常工作。

其隐患的根源在于安全阀的整定压力（开启压力）是随罐体设计压力确定的。《规程》“第12条安全阀”之4规定：“安全阀的开启压力（表压）不得高于罐体设计压力的1.2倍”，（即也允许为1.2倍）。以前述丙烯罐车充装丙烷为例，随着罐体设计压力的提高，安全阀的开启压力相应提高到丙烷饱和蒸汽压的1.25倍。这意味着在火灾情况下，安全阀开启之前，介质温度已远高于设计值。《规程》“第九条罐车的最大载重量”在注解中说明：“液化气体重量充装系数，按介质在50℃时罐体内留有6%～8%气相空间及该温度下的比重求得”，随着介质温度超过50℃，气相空间的存在与否便是一个问题。

按照HG5-1587-84《液化石油气罐车弹簧式安全阀》的定义，安全阀的开启压力（即整定压力）为“阀瓣开始离开阀座，介质由视觉或听觉感知呈连续排出状态”时的压力。按GB/T12241-2005《安全阀一般要求》的定义，开启压力是“由介质压力产生的使阀门开启的力同使阀瓣保持在阀座上的力相互平衡”时的压力。总之，此时安全阀尚不具备额定排放能力。“开启”和“全启”是两个概念。HG5-1587-84规定达到额定排放能力时（此时“阀瓣全启高度应不小于阀座喉颈的1/4，且‘帘面积’大于喉部净面积”）的压力（又称额定排放压力）可为开启压力（即整定压力）的1.1倍，亦即罐体设计压力的1.32倍。对于一台“过度设计”的丙烷罐车，安全阀的额定排放压力，亦即可以平衡火灾热量时的压力，是其50°C时饱和蒸汽压的1.65倍，约2.8 MPa（绝压）。

丙烷在50℃时饱和蒸汽压为1.59 MPa（表压），液相密度γ=0.445 t/m3，因《规程》要求“重量充装系数”Φ=0.42 t/m3，可保证有约6%的气相空间。随着温度升高到63.3°C，液相介质密度降为γ=0.421 t/m3，与“重量充装系数”一致，罐内已无气相空间。而介质达到2.8 MPa（绝压）时，对应饱和温度约为74℃，密度γ=0.39t/m3，即液相的逸出量已达约7%。罐内无相变，液相介质在外来热量的作用下，温度迅速提高，压力将沿着压—焓图中近似垂直的曲线上升，导致罐体破坏。

2.2 《规程》对充装量的限制措施要求不明确

前文已述及出于安全考虑，罐车留有气相空间是绝对必要的。为此除了防止过热、超压，还有一个前提是合理充装。虽然《规程》有“第四十条罐车充装量必须严格按第二章第九条执行，严禁超装，并以重量计量为准”的规定，但对罐体容积的计量却未述及。还应指出，目前各炼厂产品成分不稳定，密度也有变化。所以应该提供各批次介质的密度数值。“重量充装系数”可用于罐车设计，在运行中却不该是绝对的。

《规程》还要求罐车须有液面指示装置，作为“指示液面的安全装置”，此语容易引起歧义。国家质检总局就曾下文要求罐车液位计精度应不低于2.5级，还要求对“最高安全液位应有明显标记”。须知“重量充装系数”是对介质50℃时规定的，而我们不可能在50℃下充装，因而最高液位是个不可以“明显标记”的变量。

3 结论和建议

（1） “过度设计”是一个普遍存在尚未引起足够重视的问题。按照美国压缩气体协会（CGA）标准，当罐体设计压力超过实际需要时，其安全阀的整定压力应与罐体设计压力脱钩，而按所充装介质于50℃下的饱和蒸汽压的1.1倍确定。修订《规程》时，应采纳此原则。

（2） 为了保持罐体充装后预留的气相空间有效地发挥作用，安全阀的入口必须处于气相空间，美国铁路协会（AAR）标准明确规定：安全阀应位于罐体正上方，并在罐体的中部，其入口探入罐内的深度不能超过150 mm（6 in），《规程》也应有类似明确的要求。

（3） 液化石油气密度的温度系数较大，设计状态与常温充装状态偏差很大。液位计仅可作为参考手段。罐车出厂前应经容积计量检定，对检定精度和责任方应明确规定；充装单位应提供介质密度并负责确定安全充装重量和进行称重。

Abstract:At present,utilizing tank cars of higher design pressures to storage media with saturated steam pressures is a general approach.Such a so-called“excessive design”phenomenon does not mean safety.The reason is that in existing safety regulations of liquefied natural gas tank cars,the set-pressure of relief valve depends on the design pressure of tank only and does not relate to medium directly,and the excessive setpressure will cause liquid-phase emission as opening a tank and lead to an undesirable effect.This paper analyzes the working principle of relief valve at liquefied natural gas tank car and indicates that the active“Safety Management Regulations for Railway Liquefied Natural Gas Tank Cars”is not strict in relief valve parameters and liquidometer function,which may induce safety danger.Hence it suggests that the merits of foreign advanced standards should be learnt sufficiently for revising the regulations in order to prevent hidden danger.

Key words:liquefied natural gas tank car;excessive design;hidden danger analysis

（79）Hidden Danger from Excessive Design of Liquefied Natural Gas Tank Cars

ZHANG Shi（Liaohe Oilfield Materials Company,Panjin 124012,China）

TE972

B

1001－2206（2011）02－0079－02

张石（1976-），男，山东单县人，工程师，1999年毕业于辽宁工程技术大学，硕士，现从事石油储运工作。

2010-03-04；

2010-12-20