油罐安全阀未开启原因分析及改进措施研究

杨奉斐 唐金曦 杜建波

1. 中国航空油料有限责任公司 北京 100000

2. 中国航空油料有限责任公司重庆分公司 重庆 404100

1 引言

安全阀是输油管道上的重要安全附件，其可靠性和有效性对直接影响输油安全。在密闭满油管线中，安全阀整定压力过高，安全阀开启后，安全阀进出口管线会产生强烈颤振，可能导致安全阀进出口法兰螺栓松动，进而导致法兰密封失效。同时，管线内压力过高会导致阀门憋压、开启困难、降低阀门使用寿命等甚至引起渗漏等问题。此外，可能导致安全阀长期不动作，使安全阀密封面粘黏，一旦出现超压情况，安全阀可能无法开启。对此，笔者从安全使用角度进行分析并提出改进性措施，以确保安全阀达到使用效果。

2 油罐安全阀未开启原因分析

某油库人员巡库发现油罐位置处的DN400倒罐出口管线压力达到1.09MPa，而安全阀未开启泄压，油库人员立即开阀手动泄压。经查，该安全阀整定压力1MPa，在校验有效期内，属于普通弹簧封闭式安全阀。当日天气晴，上午09：45温度28℃，连接安全阀出口端的油罐液位高12.5m。当日温度14℃～28℃，昼夜温差变化大。为查明原因，油库换上整定压力为1MPa的同类型安全阀，在密闭管线上进行安全阀开启测试。上午11：38，温度27℃，测试管线受阳光直射，压力上升至1.18MPa后安全阀开启泄压。连接安全阀出口端的油罐液位高18.94米。当日，温度18℃～27℃，昼夜温差变化较大。分析原因主要如下：

2.1 忽略附加背压

安全阀的出口端存在附加背压，附加背压对安全阀出口产生一个向下的作用力，从而安全阀开启须克服油罐静压。经咨询，校验机构根据设计给定的整定压力，使用空气对安全阀进行校验整定，安全阀出口没有附加背压。根据《弹簧直接载荷式安全阀》[1]：整定压力＞0.5MPa时，整定压力偏差在±3%整定压力内即校验合格。故有附加背压的情况下，安全阀达到整定压力不会开启。此外，校验机构无法对附加背压变化较大的工况，进行安全阀的准确校验。

2.2 安全阀整定值过高

经查阅标准、设计说明、校验报告，认为该管线上安全阀整定压力过高。设计说明和校验报告中，油罐倒罐出口管线公称压力1.6MPa，工作压力0.5MPa，安全阀整定压力1.0MPa。根据GB50316《工业金属管道设计规范》[2]：安全阀整定压力为正常最大工作压力的1.1倍，最低为1.05倍。按照正常最大工作压力的1.1倍，安全阀整定压力应为0.55MPa，故判断原安全阀整定压力1.0MPa过高。

2.3 密闭满油管线热膨胀导致压力升高

对于密闭充油的管线，一旦管线充满油之后，管线内油品吸收太阳热辐射，管线压力就会随着温度的升高而急剧上升。根据《化工安全技术手册》[3]，在两端阀门关断的密闭充满油管线中，管线内油品温度和压力的关系公式（1）如下：

式中：P0—温度为t1时，管线初始压力，KPa；

P1—温度为t2时，管线最终压力，KPa；

Δt—温度变化值，Δt=t2-t1，℃；

β—轻质油品的平均膨胀系数通常为0.0007～0.0016 1/℃，在温度低于150℃的情况下，膨胀系数随温度的变化较小，为方便计算，取值为0.001 1/℃；

β0—钢材线性膨胀系数，β0=1.2×10-51/℃；

α—轻质油品的平均压缩系数，α=7.3×10-71/KPa；

Ω—压力升高时钢管容积增大系数；在压力不超过管材的屈服压力时，可根据管材外径与内径之比，，从表1选用；

表1 钢管容积增大系数

此段输油管线外径406mm，壁厚8.7mm，管线外径与内径之比为1.04，查询表1，管线容积增大系数Ω=24×10-81/KPa，管线最终压力计算如下：：

由上述计算可知，管线内油品温度每升高1℃，管线内压力将升至993.8KPa。管线内油品初始压力P0为100kpa，假设密闭满油管线因阳光暴晒使管线内油品温度升高了2℃（即Δt=t2-t1=2），导入公式计算可得P1=2087.6KPa，即2.0876MPa，超过了管线的设计公称压力（1.6 MPa）。因此，密闭充满油的管线上合理设置安全阀整定值以及确保安全阀正常工作显得尤为重要。

2.4 调整安全阀整定压力应用

油库根据该输油管线0.5MPa的工作压力，将原整定压力1.0～1.3MPa等级的安全阀更换为整定压力0.4～0.6MPa等级的安全阀，送检后，安全阀整定压力调整为0.55MPa，安全阀开启正常，开启时产生的颤振明显减小。油库通过人防、物防、技防的手段对泄压装置进行管控，确保泄压装置有效可靠。

3 改进措施研究

3.1 安全阀公称压力、工作压力、安全阀弹簧压力级的确定

安全阀公称压力、工作压力及弹簧工作压力意义均不相同，应避免混淆。同一公称压力的安全阀，根据弹簧的设计要求，可划分为不同工作压力级。例如：原来整定压力为1.0MPa的安全阀，无法将整定值降低至0.5MPa，但同一公称压力的安全阀，送厂更换弹簧、重新校验后，即可调整压力级，在弹簧压力级范围可以调整整定压力。

3.2 根据最大附加背压选择安全阀类型

（1）当P最大附加背压≤10%P整定压力时，可选择常用的弹簧封闭式安全阀，生产厂家较多，价格合适，不易损坏。

（2）当P最大附加背压＞10%P整定压力时，按照GB/T 24921.1-2010《石化工业用压力释放阀的尺寸确定、选型和安装 第1部分：尺寸的确定和选型》[4]：当排放背压力较大（大于整定压力的10%）或相对于整定压力的附加背压力变动较大时，通常选用平衡式压力释放阀。

（3）波纹管弹簧安全阀用于平衡背压，波纹管有效直径等于阀门密封面平均直径。在安全阀开启前背压对阀瓣的作用力处于平衡状况。将背压变化给安全阀动作的影响降到最低。

（4）经咨询厂家技术人员，平衡式波纹管安全阀的出口法兰口径比普通弹簧安全阀的出口法兰口径要大，更换为平衡式波纹管安全阀，出口需变径。大多数在役油库现场较难满足更换条件。经咨询校验机构，在低压管线上，附加背压对安全阀开启压力影响不大，主要用于辅助判断安全阀是否有效。

4 结论与建议

（1）安全阀整定压力的设定应充分考虑泄压出口是否有附加背压的情况，这对判断安全阀是否校验有效、是否在整定压力开启有很大借鉴意义，也能对避免误判安全阀失效或者安全阀整检定不准确提供支持。

（2）安全阀整定压力的设定应充分考虑工作压力，按照标准设定安全阀整定压力。当安全阀整定压力过高，安全阀进出口管线会产生强烈颤振。颤振过大，可能会使安全阀进出口法兰螺栓松动，导致法兰密封失效，发生油品渗漏。另外，管线内压力会过高，从而易导致油品从法兰处渗漏、相关阀门开启困难、降低阀门使用寿命困难等问题。

（3）在油品输送状态的管线中，安全阀整定压力过高，整定压力远超工作压力，可能导致安全阀长期不动作，会使安全阀密封面粘黏，一旦出现超压情况，安全阀可能无法开启。