GB 150.1—2011 附录 B 公式(B.3)与(B.4)使用条件探析

吴全龙，陈朝晖

(1.上海华理安全装备有限公司，上海 201108;2.全国锅炉压力容器标准化技术委员会，北京 100029)

0 引言

GB 150.1—2011《压力容器》(以下简称GB150.1)附录 B［1］对压力容器在几种常见工况下超压安全泄放量的确定给出了计算公式，其中公式(B.3)和(B.4)是用来计算火灾时盛装液化气体的压力容器安全泄放量，两个公式的区别仅在于是否有完整的隔热保护层。目前国内的其他一些承压设备相关标准及规范，例如GB 18564.1—2006《道路运输液体危险货物罐式车辆 第1部分:金属常压罐体技术要求》、JB/T4782—2007《液体危险货物罐式集装箱》、GB/T 19905—2005《液化气体运输车》、TSG D0001—2009《压力管道安全技术监察规程——工业管道》等，对于盛装液化气体的承压设备，在进行火灾工况安全泄放量计算时，也均是采用这两个公式。

笔者在与很多工程设计人员交流后发现，大部分人在涉及到盛装液化气体的承压设备火灾工况安全泄放量计算时都是采用这两个公式，但往往忽略其使用的边界条件，这样做可能存在安全隐患。文中通过对比研究GB 150.1—2011附录B与API Std 521—2007《Pressure－Relieving and Depressuring Systems》［2］关于盛装液化气体的压力容器在火灾工况安全泄放量计算，并分析API Std 521—2007中容器湿润表面吸热量公式的来源，给出了GB 150.1附录 B中公式(B.3)和(B.4)的使用边界条件。关于这一点，现行版的GB 150.1附录B中虽未作出详细的说明，但工程设计人员在计算时应该加以注意，笔者也建议在今后版本或编制说明中能加以解释，以免误用。

1 GB 150.1附录 B与API Std 521—2007关于容器湿润表面吸热量计算的对比

为了保护盛装液化气体压力容器在火灾工况下的安全，要求容器在火灾超压时能把因吸热产生的蒸汽及时排放出去，而这可以通过计算出容器在受热时湿润表面吸收的热量，然后用吸热量除以液体介质的汽化潜热求得。

从 GB 150.1 附录 B 公式(B.3)可知［1］:

式中 Ws——容器的安全泄放量，kg/h

F——环境系数

Ar——容器受热面积，m2

q——在泄放压力下液体的汽化潜热，kJ/kg

从而可求得，容器吸热量Q1为:

式中 Q1——容器受热表面吸热量，kJ/h

API Std 521—2007中容器湿润表面吸热量计算公式为［2］:

式中 Q——容器湿润表面吸热量，Btu/h

F——环境系数

Aws——容器湿润面积，ft2

经转换可知，式(2)和式(3)仅仅是单位不一样，两者是等效的［3］。需要说明的是，GB 150.1附录B中采用受热面积来计算吸热量比API Std 521—2007 采用湿润面积计算偏保守［4－5］。

由此可见，GB 150.1附录B中关于火灾工况盛装液化气体压力容器的安全泄放量计算公式应该是来源于 API Std 521—2007。因此，找到了API Std 521—2007中对式(3)的边界条件，也即找到了 GB 150.1附录 B 公式(B.3)和(B.4)的边界条件。

2 API Std 521—2007中容器湿润表面吸热量计算公式使用条件

2.1 API Std 521—2007中容器湿润表面吸热量计算公式推导过程

早在1928年，美国国家防火协会(NFPA)就要求美国石油学会(API)对一系列储罐容积推荐一个火灾时的最小紧急泄放量表。后来又发现罐的容积并非估算火灾时的最小紧急泄放量的最佳依据，因为吸热量几乎完全来自吸收热辐射，而这又主要决定于罐体所暴露的面积。而且因为许多罐是大罐，又根本不太可能完全被火包围，即容器的面积越大，完全暴露在辐射中的可能性越小。换句话说，罐壳的表面积越大，来自火源的平均单位吸热量就越小。1983年，Heller［6］利用当时明火试验取得的数据(见表1，为了保持与引文的一致性，本节引用的图表各参数单位仍使用引文中的单位)提出了一个确定热吸收率的公式，该公式目前仍被API Std 521—2007所引用，即文中式(3)。

表1中9组试验数据说明，液体燃料吸热量要大于气体燃料吸热量。从Heller在其论文［6］中对式(3)的推导过程也可以看出，该公式是基于表1中9组试验数据通过数学方法拟合出来的，并从拟合曲线中找出湿润面积100%暴露在液体燃料下的最大平均热吸收率为34500 Btu/h·ft2(109 kW/m2)，该数值即为式(3)中系数。因此，式(3)仅适用于最大湿润表面平均热吸收率小于34500 Btu/h·ft2(109 kW/m2)的火灾工况。在某些严重火灾工况下，比如在部分密闭或全密闭空间内火灾，或容器遭受喷火(Jet fire)工况下，其最大湿润表面平均热吸收率甚至可能达到300 kW/m2，此时如仍采用式(3)，则可能会极大低估所需要的安全泄放量，从而导致容器来不及泄放，发生爆炸事故［6－7］。

表1 在明火试验中热吸收率的比较

2.2 API Std 521—2007关于外部火灾工况容器吸热量相关规定与早期版本异同比较

API 521早期的版本在计算火灾时容器湿润表面吸热量对适用条件的要求较低，仅仅是提醒其吸热量是受着火燃料类型、火焰包围程度以及防火措施的影响。但近年来的试验研究表明，在某些严重火灾工况下根据API 521中公式计算出来的安全泄放量有时并不能保证容器介质的及时排放，甚至导致安全事故。正是基于此，2007版API 521有了新的提法，即对火灾类型有了更加明确的限制。

早期版本是用来计算“External fire”下的安全泄放量，而2007版则将5.15标题中明确规定为“External pool fire”，也即5.15章节中内容仅适用于外部油池火灾时容器湿润表面吸热量的计算，这是一个很重要的变化。同时2007版还新增加了5.16章节“Jet fire”这一小节的内容。在5.16章节中明确指出任何易燃介质在存在较高压力状态下泄漏燃烧时均有可能产生喷射火焰，喷射火焰可能导致容器局部吸热量会到达94500 Btu/h·ft2(300 kW/m2)，这不仅会引起泄放装置失效，同时还可能在很短时间内由于容器壁温急剧升高导致容器材料性能的破坏，从而使容器在压力较低的情况下发生失效，因此5.15章节中吸热量计算公式不适应于喷射火灾工况。

2.3 API Std 521—2007关于外部火灾工况容器吸热量计算公式适应条件

API Std 521—2007 在 5.15.2.2 中给出了容器湿润表面吸热量计算公式，即文中的式(3)，从API Std 521—2007条款 5.15.2及以上分析可得出以下结论:

(1)公式用来计算在部分封闭或全封闭空间(比如建筑物内、海上作业平台)内火灾时的安全泄放量可能存在低估;

(2)常压工作下的罐体应按API Std 2000—1998中规定进行计算;

(3)公式适用于计算在开放空间火灾下(open fire)的安全泄放量，而且与燃料类型和火灾程度有关。

(4)公式不适应于喷射火焰;

2.4 美国石油协会对油池火及喷射火下吸热量的试验验证

美国石油协会(Institute of Petroleum)在其颁布的2003版《Guidelines for the design and protection of pressure systems to withstand severe fires》中将容器可能受到的火灾分为四大类，即:

(1)敞开式油池火(open pool fires);

(2)受限油池火(confined pool fires);

(3)敞开式喷射火(open jet fires);

(4)受限喷射火(confined jet fires)。

导则中给出了4种火灾工况下的吸热量的大概分布范围，如表2所示，并在1，3两种火灾工况下利用LPG罐车进行了试验，测得其湿润表面最大平均热吸收率如表2所示。

表2 4种火灾工况比较

需要特别提出的是，在对充装了85%的丙烷罐进行喷射火试验时，由于其安全阀泄放量是根据文中的式(3)来确定尺寸的，结果安全阀未正常开启，且开启后容器内压力继续升高，并最终使罐体爆炸了。这也证明了在喷射火灾中根据API Std 521—2007计算出来的安全泄放量偏小，可能会导致事故［8－10］。

因此，结合式(3)推导过程及表2数据可以发现，对密闭空间的油池火如通风受到限制及喷射火，式(3)是不适用的，关于这些工况下安全泄放量的计算可参考文献［8］。

3 GB 150.1附录B中公式(B.4)完整隔热层的定义

为了减少容器在火灾受热时需要的安全泄放量，通常会给容器设置隔热保护层来降低火焰热量输入。GB 150.1附录B中公式(B.4)可用来计算带隔热保护层容器在火灾工况的安全泄放量，即:

式中 t——泄放压力下介质的饱和温度，℃

λ——常 温 下 隔 热 层 导 热 系 数，kJ/(m·h·℃)

δ——隔热层厚度，m

且将以上公式限定在有完整隔热保护层(例如在火灾条件下，保护层不被破坏)下使用。

通过 GB 150.1 附录 B 公式(B.3)和(B.4)，可求得:

式中 k——泄放温度与火焰最高温度平均值下的隔热材料导热系数，W/(m·K)

Tf——泄放状态下容器内介质温度，℃同时还规定设计人员在使用该公式时应该确认隔热材料(即保温层)的任何部位在火灾情况下的完整性，即将隔热材料在火灾中温度升高到904℃，火灾时间长达2 h时仍起效用，且应该确保隔热层在经受了消防的高压水流冲击后，仍不致脱落。

为了便于比较，将两者统一单位，并归纳如表3所示。

API 521中计算带外部隔热系统的容器火灾下吸热量仍是采用文中式(3)，此时环境系数为:

表3 带隔热层时环境系数比较

通过表3可以看出，两个公式区别仅在于公式的系数、火焰温度的定义和保温材料的导热系数的取值。由于公式形式相近，笔者认为，公式(B.4)应该是API Std 521—2007标准中公式的修正。需要注意的是，隔热材料的导热系数一般是随着温度的升高而增大的，数据表明，泄放温度与火焰温度平均温度下的导热系数可能会达到常温下导热系数的3倍左右［11］。综合以上因素，设计人员在采用GB 150.1附录B中公式(B.4)计算安全泄放量时除了要满足(B.3)需要满足的条件外，同时还应该确认隔热层的隔热材料在火灾中温度升高到650℃，火灾时间长达2 h时仍起效用。

4 结论

通过以上分析可知，GB 150.1附录 B中(B.3)及(B.4)两个公式在使用时是受条件限制的，并不适用于任何火灾工况下安全泄放量的计算，与火灾类型、通风条件、着火空间等条件有很大关系。公式仅适用于通风条件良好、敞开空间着火(密闭则需燃料可控)的油池火灾，更严谨地说，仅适用于最大平均热吸收率小于34500 Btu/h·ft2(110 kW/h)的火灾工况(该值的计算可参考文献［6］)。使用公式(B.4)时，还应该确认隔热层的隔热材料在火灾中温度升高到650℃，火灾时间长达2 h时仍起效用。

［1］ GB 150.1—2011，压力容器［S］.

［2］ API Std 521—2007，Pressure－Relieving and Depressuring Systems［S］.

［3］ 潘俊兴.中国规范与IMDG COD压力容器安全泄放量的公式对比［J］.深冷技术，2001(1):17－18.

［4］ 白秋云.国标与API标准中安全泄放量计算的比较［J］.山东化工，2013，42(3):80 －82.

［5］ 徐革.压力容器安全泄放量计算［J］.广州化工，2009，37(4):166 －167.

［6］ Heller F J.Safety relief valve sizing:API versus CGA requirements plus a new concept for tank cars［J］.Proceedings oftheAmerican Petroleum Institute，1983(6):123－135.

［7］ Roberts T A.Linkage of a known level of LPG tank surface water coverage to the degree of jet－fire protection provided［J］.Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2004，17(2):169 －178.

［8］ Roberts T A，Buckland I，Shirvill L C，et al.Design and protection of pressure systems to withstand severe fires［J］.Trans IChemE，Part B，Process Safety and Environmental Protection，2004，82(B2):89 －96.

［9］ Scandpower Risk Management AS.Guidelines for the Protection of Pressurised Systems Exposed to Fire［R］.Norway，Kjeller，2004.

［10］ 寿比南，吴全龙.浅析GB 150.1—2011附录 B《超压泄放装置》［J］.压力容器，2012，29(2):8 －12.

［11］ 任美凤，卞潮渊，杨健.火灾工况压力容器安全泄放量计算公式的探讨［J］.化工设计，2006，16(1):48－49.