液化气体汽车罐车罐体安全泄放量计算探讨

肖学文，周伟明，吴全龙

（1.荆门宏图特种飞行器制造有限公司，湖北 荆门 448000；2.上海市气体工业协会，上海 200030；3.上海华理安全装备有限公司，上海 201108）

符号说明

Wsg（Ws1g）——罐体的安全泄放量，kg/h

Wg——安全阀的排放能力（额定泄放量），kg/h

Was——安全阀的空气排放能力，kg/h

Wa1s（Qa，Qg）——安全阀的空气排放能力，m3/s

qg（qs，La）——泄放压力下液化气体的汽化潜热，kJ/kg

λg——常温下绝热材料的导热系数，kJ/（m·h·℃）

δg——绝热层厚度，m

tg——泄放压力下介质的饱和温度，℃

t1g（t1a）——液化气体在充装过程中的实际温度，该温度未知时取15℃

Arg（Ars，Ara）——罐体外表面积，m2

Ag（As）——安全阀流道面积，mm2

Kg（Ks）——安全阀的额定泄放系数

Cg——气体特性系数。当k1g＞1时,Cg=520C1g；当k1g=1或未知时，Cg=315

Cs——空气特性系数

k1g——气体绝热指数

Fa（Fg，F1g）——与绝热层有关的系数

cpg——标准状态下气体的比定压热容，kJ/（kg·K）

cVg——标准状态下气体的比定容热容，kJ/（kg·K）

Mg（Ma）——气体的摩尔质量，kg/kmol

Ms——空气的摩尔质量，kg/kmol

Tg——额定排放压力下饱和气体绝对温度，K

Ts（Ta）——额定排放压力下空气绝对温度，K

Zg（Za）——额定排放压力下饱和气体的压缩系数

pdg（ps）——安全阀的排放压力（绝压），MPa

psg——罐体设计压力，MPa

pog——安全阀出口侧压力（绝压），MPa

U1g（Ua，Ug）——绝热层材料在38℃时的导热率，kW/（m2·K）

GB/T 19905—2017《液化气体汽车罐车》[1]已经于2017-10-14由国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会联合发布，该标准代替了 GB/T 19905—2005《液化气体运输车》[2]，内容有以下变化：①将GB/T 19905—2005中安全泄放装置的设计计算改为GB/T 19905—2017中的罐体安全泄放量及安全泄放装置排放能力的计算。②增加了根据安全阀铭牌上的标示值，罐体安全泄放量及安全阀排放能力可以按GB/T 19905—2017中B.2条或B.3条的规定计算。其中B.2条为“按介质质量法计算罐体安全泄放量及安全阀排放能力”，B.3条为参照ADR—2015《国际危险货物公路运输的欧洲协议》[3]（以下简称ADR）增加的“按空气体积法计算罐体安全泄放量及安全阀排放能力”。

文中拟对上述变化内容进行探讨说明，以增加对GB/T 19905—2017的理解和掌握，正确熟练地进行罐体安全泄放量及安全泄放装置排放能力的计算。

为便于区分，将GB/T 19905—2017中各量符号添加下标g，将ADR中各量符号添加下标a，将ASME BPVC.Ⅷ.1—2017《Rules for Construction of Pressure Vessels》[4]强制性附录11中各量符号添加下标s。

1 GB/T 19905—2017中公式（B.1）与 ADR相应公式一致性

1.1 GB/T 19905—2017公式

根据 GB/T 19905—2017中的公式 （B.1），无绝热层罐体的安全泄放量为：

根据 GB/T 19905—2017公式 （B.3）（无绝热结构液化气体汽车罐车罐体的安全阀排放能力均采用临界条件进行计算），单个安全阀的排放能力（额定泄放量）为：

为了保证罐体的安全泄放，安全阀的排放能力应不小于罐体的安全泄放量。安全阀的数量对之后的分析不会产生影响，为便于分析，取安全阀数量为1，安全阀的排放能力等于罐体的安全泄放量，即 Wsg=Wg。

根据式（1）、式（2）得：

提取出KgAgpdg后有：

根据ASME BPVC.Ⅷ.1—2017，安全阀的空气排放能力计算公式为：

当1个安全阀选定后，其KAp为常数[4-5]，故KgAgpdg=KsAsps， 将 Cs=27.03、Ms=28.97 kg/kmol、Ts=293 K 代入式（3）、式（4）得：

按式（5）可以计算出安全阀进口空气在0.1 MPa和20℃时，安全阀的空气排放能力 Was，其单位为kg/h。为了方便后续进行比较，需要将安全阀的排放能力转换成在0.1 MPa和0℃时的排放量，同时将单位转换成m3/s。在0.1 MPa和0℃下，安全阀进口空气质量流量为1.293 kg/m3[6]，根据质量不变原理，需将安全阀的空气排放能力Was除以 （1.293×3 600）。 将 Cg=520C1g代入式（5），得到在0.1 MPa和0℃下安全阀的空气排放能力Wa1s为：

由式（6）推导出：

1.2 ADR公式

根据ADR公式，进口空气在0.1 MPa和0℃时安全阀的空气排放能力Qa为：

对于无绝热层罐体，Fa=1。 同时有 Ara=Ars、La=qg、Ca=C1g、Za=Zg、Ta=Tg、Ma=Mg，代入式（7）、式（8）得：

1.3 分析论证

从式（7）、式（9）可以看出，对于无绝热层罐体，采用ADR公式计算得到的安全阀空气排放能力 Qa与采用 GB/T 19905—2017中公式 （B.1）计算后推导得到的安全阀空气排放能力Wals是相等的，故GB/T 19905—2017中采用介质质量计算罐体安全泄放量及安全阀排放能力中的计算结果与ADR公式计算结果一致。此外，GB/T 19905—2017 中的公式（B.1）与 GB 150.1—2011《压力容器 第1部分：通用要求》[7]中的公式（B.3）也完全一致。

2 GB/T 19905—2017 公式（B.7）与 ADR相应公式一致性

在GB/T 19905—2017中，标准条件（0.1 MPa，0℃）下无绝热层罐体所需安全泄放装置总的排放能力计算公式（B.7）为：

令 Fg=Fa、Arg=Ara、qg=La、Cg=520C1g=520Ca、Zg=Za、Tg=Ta、Mg=Ma，代入式（10）得：

对比式（11）、式（9）可以看出，GB/T 19905—2017中按空气体积计算罐体安全泄放量及安全阀排放能力的计算结果与ADR公式的计算结果是一致的。

在GB/T 19905—2017编制过程中，公式（B.7）是根据ADR的公式，即式（8），并将 ADR公式中的Ca转换成Cg而来的。需要说明的是，式（8）中的Fa＝Ua（649－t1a）/13.6， 进行转换时将公式中的649改为了 650，即 GB/T 19905—2017中公式（B.7）的 Fg＝Ug（650－t1g）/13.6，这是为了与 GB/T 19905—2017中公式（B.2）中的650相对应。

此外，GB/T 19905—2017 中的公式 （B.7）与GB/T 19905—2005中的公式（A.7）在形式上基本一致，但公式（A.7）是用作各安全装置总排放能力的验算，在GB/T 19905—2005有效期内实际使用很不方便，故极少使用。

3 GB/T 19905—2017公式 （B.2） 与公式（B.7）对比

3.1 公式（B.2）

GB/T 19905—2017中有完整绝热层时的罐体安全泄放量公式（B.2）为：

常温下绝热材料的导热系数λg与δg相除得到 Ug，将 Ug单位转换成 kW/（m2·K），有：

进而可推导出：

将式（12）与式（1）相除，并将式（14）带入，得到系数 Fg：

3.2 公式（B.7）

在 GB/T 19905—2017公式（B.7）中，当具有能减小罐体安全泄放量的绝热层时，与绝热层有关的系数F1g按式（16）计算，且在任何情况下F1g均不应小于0.25。

将式（16）与式（15）相除，得到系数 B：

3.3 分析比较

GB/T 19905—2017中公式（B.2）的导热系数λ是在常温下取值[8-9]，公式（B.7）中规定的导热率为绝热层材料在38℃时的导热率。绝热层材料的导热系数随着温度的升高而增大[10]，为了简化分析，文中取Ug=U1g。

对于某有完整绝热层的丙烷汽车罐车，其设计压力1.61 MPa，安全阀泄放压力1.77 MPa，泄放压力下丙烷的饱和温度tg=54.25℃，丙烷在充装过程中的实际温度 t1g=15℃，代入式（17）计算得到B=2.132；对于某有完整绝热层的二氧化碳汽车罐车，其设计压力为2.15 MPa，安全阀泄放压力为2.365 MPa，泄放压力下二氧化碳的饱和温度tg=－12.24℃，二氧化碳在充装过程中的实际温度t1g=－20℃，代入式（17）得B=2.024。由此计算结果可以看出，对于有完整绝热层的汽车罐车，按照 GB/T 19905—2017公式（B.7）计算得到的罐体的安全泄放量比按公式（B.2）计算得到的罐体的安全泄放量大，公式（B.7）的计算结果约为公式（B.2）计算结果的2倍，计算结果偏安全。液化气体汽车罐车的危险性比固定式容器更大，应从严要求[11]，建议在后续标准修订过程中，是否考虑将公式（B.2）修改到与公式（B.7）等同。

GB/T 19905—2017公式 （B.2）来源于API标准，在API中规定该公式适用于通风条件良好、敞开空间着火的油池火灾[12]。与GB/T 19905—2017公式（B.7）对应的ADR公式没有明确说明适用工况，但GB/T 19905—2017统一规定为通风条件良好、敞开空间着火的火灾工况。GB/T 19905—2017公式（B.2）与 GB 150.1—2011 中的公式（B.4）完全一致，两者均对由相关参数计算所得到的系数Fg未加限制，而 GB/T 19905—2017 公式（B.7）中规定任何情况下系数F1g均不应小于0.25。对完整的绝热保温层，在火灾条件下应不被破坏[7]，而且要求保温材料在火灾中应具有良好的耐热性和机械强度[8，13-16]。 参照 ADR 要求，GB/T 19905—2017中公式（B.2）与公式（B.7）均提出，在任何情况下，用于减少罐体安全泄放量的绝热层应在不超过650℃下始终保持完好有效，其外保护层应采用熔点不低于700℃的材料。

4 无绝热层液化气体汽车罐车罐体安全阀排放能力临界条件计算推导

根据GB/T 19905—2017的规定，无绝热结构的罐体设计压力 psg应不小于0.7 MPa，即 psg≥0.7 MPa，安全阀的排放压力 （绝压）pdg＝1.2psg＋0.1≥1.2×0.7+0.1=0.94（MPa）。 由于安全阀出口直接朝着大气进行排放，故安全阀出口侧压力（绝压）pog=0.1 MPa，由此可以推导出pog/pdg=0.106 4。

对于气体绝热系数k1g，可以通过常用气体性质表进行查询，或进行粗略的估算，单原子气体的k1g=1.67，双原子气体的k1g=1.40，多原子气体的k1g=1.33[17]。文献[18]收集的157种气体的气体绝热指数 k1g的数值均处于[1.036，1.667]，为单调递减函数（图 1），根据 k1g的数值可以计算出的值处于 [0.598 5，0.487 1]。

图1 不同气体绝热系数k1g对应的值

5 结语

对于无绝热层的液化气体汽车罐体，按照GB/T 19905—2017中采用介质质量计算罐体安全泄放量及安全阀排放能力与按空气体积计算罐体安全泄放量及安全阀排放能力得到的计算结果是相同的，也与ADR公式的计算结果一致。采用介质质量计算罐体安全泄放量及安全阀排放能力的计算方式在国内使用较为普遍，国内安全阀制造厂家一般在安全阀铭牌上标示安全阀的最小流道直径（或流道面积）及安全阀的额定泄放系数，这时需采用此方法进行计算。按空气体积计算罐体安全泄放量及安全阀排放能力的计算方式在国外使用较为普遍，国外安全阀制造厂家一般在安全阀铭牌上标示标准条件（0.1 MPa，0℃）下的排放能力，这时需要采用此方法进行计算。对于有完整绝热层的液化气体汽车罐车，按GB/T 19905—2017公式（B.7）计算得到的罐体安全泄放量比按公式（B.2）计算得到的罐体安全泄放量大，公式（B.7）计算结果约为公式（B.2）计算结果的2倍，公式（B.7）计算结果偏安全，建议采用公式（B.7）进行计算。在后续标准修订过程中，是否考虑将公式（B.2）修改到与公式（B.7）等同，值得探讨和商榷。此外，无绝热层液化气体汽车罐车罐体的安全阀排放能力均应采用临界条件进行计算。