球形储罐安全阀设计要点探讨

朱巧家，李疆鸿，兰小刚，雒淑娟，陈战杨，胡金奎，牛小亮，刘 磊

（上海蓝滨石化设备有限责任公司，上海 201518）

球形储罐在化工行业中应用广泛，安全阀是球形储罐必不可少的安全附件。安全阀除了具备普通阀门基本的开关作用外，还为设备和人员提供安全保障，是设备安全的最后一道保护措施。在球形储罐安全阀的设计过程中，安全泄放量的计算以及安全泄放量与安全阀设置数量之间的关系一直存在偏差［1］。文中以1台1 500 m3低温乙烯球形储罐安全阀的设计计算为例，展开分析与探讨。

1 安全阀设计相关标准

安全阀是锅炉、压力容器和其他承压设备上重要的安全附件。安全阀又称泄压阀，一般安装于封闭系统中的设备或管路上。当设备或管道内压力或温度超过安全阀设定压力时，自动开启泄压或降温，保证设备和管道内介质压力或者温度不超过设定值［2］。国内安全阀的设计主要遵循的是GB 150.1—2011《钢制压力容器 第 1部分：通用要求》［3］附录 B。

GB150.1—2011分别对盛装压缩气体或水蒸气、换热设备、盛装液化气体等情况下安全泄放量的计算进行了说明，并给出了计算公式。HG/T 20570.2—95《安全阀的设置和选用》［4］分别从阀门误关闭、循环水故障、化学反应失控及外部火灾等方面对安全泄放量的计算进行了说明，其中引用的计算方法主要来自TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》［5］和 API RP 520—2013《炼油厂压力释放设备的尺寸计算、选型和安装》［6］等。

这些标准规范中关于安全阀计算方面的内容基本一致，设计过程中应采用同一规范进行安全泄放量和泄放面积的计算，球形储罐安全阀的设计主要依据为GB 150.1—2011附录B。

2 球形储罐设计参数

某项目1台1 500 m3球形储罐储存介质为低温乙烯，容器外直径14 200 mm，设计厚度50 mm，腐蚀裕量 1.5 mm，设计压力 2.17 MPa，工作压力1.7 MPa，设计温度-45℃，工作温度-33℃。设有保温结构，保温材料为聚氨酯发泡材料，保温层厚度100 mm。

基于上述设备参数，按照GB 150.1—2011附录B中相关的规定进行安全阀设计所需参数的计算，其中安全泄放压力按照1.1倍的工作压力确定为1.87 MPa，泄放压力下液体的汽化潜热为328 kJ/kg［7］，泄放压力下液体的饱和温度为235.95 K，球形储罐受热面积为321 m2，常温下绝热材料的导热系数为 0.147 6 kJ/（m·h·℃）。

3 球形储罐安全阀初步选型

安全阀种类多，按照阀瓣开启高度分为全启式和微启式2类。一般情况下，全启式安全阀适用于气体、蒸汽及液化气介质的泄放，微启式安全阀适用于液体介质的泄放［8］。

文中球形储罐储存介质为低温乙烯，乙烯液面上方为气相，属于易、燃易爆气体，因此选用全启式安全阀。

4 球形储罐安全阀设计计算

4.1 安全阀泄放量

确定安全泄放量时，首先应当按照工艺过程的具体情况确定设备超压原因。设备超压原因一般分为火灾、操作故障和动力故障3类，设备超压原因有多种可能时，应当按照危险性最大的一种情况保守考虑，而不宜按各种不利情况在同一时间发生考虑。

乙烯属于低温介质，需要设置保温结构。GB 150.1—2011附录B中规定，盛装液化气体容器的安全泄放量分无保温层和有完整的保温层2种工况计算。1 500 m3低温乙烯球形储罐设置了100 mm厚的聚氨酯发泡材料保温层，属于标准中有保温结构的情况。同时标准中对于保温结构的要求是，有完整的保温层并且完整的概念是保温层在火灾条件下不被破坏［9］。目前，如何理解此要求存在争议。文献［10］中认为，在火灾条件下保温层不被破坏是指在火灾情况下，0.5 h内保温层仍能正常保证容器内的温度。对于这种情况，笔者存疑。

以某项目1 500 m3低温乙烯球形储罐安全阀的设计举例分析。球形储罐保温材料聚氨酯发泡材料短时间内最高温度可达250℃,一般情况下持续的最高温度约为150℃，但是0.5 h内火势能发展到的大小程度和温度能升高到的程度，保温层到底能否保证容器内的温度均存在多种可能，这些都将影响球形储罐安全泄放量的确定。因此，有必要根据GB 150.1—2011，分无保温层和有完整保温层2种情况进行安全泄放量的计算并对计算结果进行比较。

无绝热保温层时球形储罐安全泄放量按下式进行计算：

有完整绝热保温层时球形储罐安全泄放量按下式计算：

式中,WS为安全阀安全泄放量；F为外壁修正系数，容器置于地面上时F=1.0；Ar为容器受热面积；q为泄放压力下液体的汽化潜热；t为泄放压力下介质的饱和温度；λ为常温下绝热材料的导热系数；δ为容器保温层厚度。

将 F=1.0、Ar=321 m2、q=328 kJ/kg、t=-92.5 ℃、λ=0.147 6 kJ/（m·h·℃）、δ=0.1 m 带入计算，得到无绝热保温层时WS=89 884 kg/h，有完整绝热保温层时WS=991 kg/h。

对比得到的2种工况下球形储罐安全泄放量计算值可以发现，无保温工况下安全泄放量远大于有保温工况下的。这是因为，无保温结构时外部火灾情况导致球形储罐温度升高，低温乙烯大量汽化，罐内压力迅速升高，此时球形储罐安全泄放量达到最大［11］。此外，计算时考虑到过程中无绝热保温层工况下球形储罐虽然置于喷淋装置下，喷淋速度大于 10 L/（m2·min），但喷淋装置的正常运行与否也是标准中的偏差所在，最终按照无喷淋情况取外壁修正系数F为1.0，所得的安全泄放量为最大值。

从以上2种结果还可以看出，如果不按照最严格的要求设计，那么2种情况下的计算结果将有极大差别。容器安全泄放量对于安全阀大小的选择至关重要，一旦选择的安全阀过小，那将造成不可估量的恶性后果。因此笔者认为，球形储罐设计中安全泄放量的计算应不区分实际有无保温结构，统一以无保温工况计算的最大泄放量作为选配安全阀的依据，这样才能切实保证设备和人员的安全。

4.2 安全阀泄放面积

安全阀的泄放能力取决于安全阀的最小泄放面积。安全阀最小泄放面积为物料流经安全阀时通过的最小截面积，对于全启式安全阀则为其喉径截面积［12］。安全阀的排气能力与气体的状态有关。气体状态分为临界条件和亚临界条件2种状态，其中临界状态满足GB 150.1—2011附录B的条件为：

式中，po为泄放装置出口侧压力 （绝压），pf为泄放装置的泄放压力（绝压）；k为气体绝热指数。

1 500 m3球形储罐的pf=p=1.87 MPa、po=0.1MPa(安全泄放的气体直接排入放空系统中)，根据GB 150.1—2011附录B中表B.6确定的气体绝热指数k=1.25，代入计算可知气体状态满足临界状态条件。

临界状态下，安全阀泄放面积按下式计算：

4.3 安全阀喉径

4.4 安全阀数量

依据 GB/T 12337—2014 《钢制球形储罐》［15］附录B，此球形储罐应至少设置2个安全阀。此种安全阀设置出于1用1备考虑，可使危险降低很多。笔者发现，在实际设计过程中，许多设计人员最初计算安全泄放量时就按照2个计算，结果会使得单个安全阀泄放量减小，进而导致所选安全阀偏小。笔者认为，虽然设置2个安全阀，而且2个都在工作，但至少要保证任何1个安全阀在失效的情况下另1个都能正常工作，这样在检验检测的过程中也能保证检测人员的安全。所以，计算的时候必须以1个安全阀为准计算，但是在安全阀配置时必须至少配置2个，而且要保证2个安全阀型号的一致。

5 结语

在球形储罐设计过程中，必须配置安全阀。球形储罐安全阀设计的要点和关键是安全泄放量的计算。通过对文中算例的分析认为，无论处于何种工况下，安全泄放量必须以无保温设施、无消防设施作为输入条件来计算，即要选择最苛刻的条件作为计算结果来选取安全阀。球形储罐上应至少设置2个安全阀，但是在计算过程中安全阀安全泄放量必须以设计1个安全阀为原则计算，配置2个，做到有备无患。