張石

（遼河油田物資公司，遼寧盤錦124012）

液化氣體罐車“過度設(shè)計(jì)”的隱患

張石

（遼河油田物資公司，遼寧盤錦124012）

目前在液化石油氣運(yùn)輸中，普遍存在以設(shè)計(jì)壓力較高的罐車充裝飽和蒸汽壓較低的介質(zhì)，即所謂“過度設(shè)計(jì)”的現(xiàn)象，這并不意味著安全，因?yàn)樵谝夯瘹怏w罐車現(xiàn)有的安全規(guī)程中，安全閥的整定壓力僅與罐體的設(shè)計(jì)壓力掛鉤，而與介質(zhì)物性無直接關(guān)聯(lián)，整定壓力過高會導(dǎo)致罐開啟時(shí)排放液相，失去預(yù)期的作用。針對這種情況，文章分析了液化氣體罐車安全閥的作用原理，指出現(xiàn)行《液化氣體鐵路罐車安全管理規(guī)程》對安全閥參數(shù)的規(guī)定和液位計(jì)作用存在的一些不嚴(yán)格之處，有可能造成安全隱患，建議在修訂時(shí)充分吸收國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)點(diǎn)，防患于未然。

液化氣體罐車；過度設(shè)計(jì)；隱患分析

隨著石油化工的高速發(fā)展，液化氣體產(chǎn)量日增。罐車（鐵路罐車或汽車罐車，以下統(tǒng)稱罐車）作為液化氣長途運(yùn)輸?shù)闹饕ぞ?，其社會保有量也不斷增大。由于液化氣體多系易燃易爆或者有毒氣體，所以運(yùn)輸?shù)陌踩允艿礁鞣降母叨戎匾?。筆者所在的遼河油田也擁有大批液化氣體罐車，按化工部1988年頒發(fā)的《液化氣體鐵路罐車安全管理規(guī)程》（以下簡稱《規(guī)程》）定期進(jìn)行檢修。檢修頻率較高的是安全附件，如安全閥和液位計(jì)。但是，筆者認(rèn)為《規(guī)程》對安全閥開啟壓力（即整定壓力）的規(guī)定等不盡合理，故提出一些自己的看法，供參考。

1 液化氣體罐車安全閥的作用原理

在罐車運(yùn)行中，最危險(xiǎn)的事故應(yīng)屬罐體爆炸。為了防止出現(xiàn)這種情況，《規(guī)程》對罐體設(shè)計(jì)、材料和制造均有明確的要求。除此之外，還要求罐體上必須配置相關(guān)的安全附件。本文關(guān)注的是其中用于防止罐內(nèi)出現(xiàn)超過設(shè)計(jì)壓力（即最高允許工作壓力MAWP）以致引起爆炸的安全閥。

什么情況下罐內(nèi)會出現(xiàn)超過設(shè)計(jì)壓力的情況呢？眾所周知，罐內(nèi)液化氣體（以下簡稱介質(zhì)）的液相與氣相處于物理化學(xué)的平衡狀態(tài)，只要這種狀態(tài)不被破壞，壓力則為溫度的函數(shù)，即超壓的前提是過熱?！兑?guī)程》對設(shè)計(jì)溫度規(guī)定為50°C，超過這個(gè)溫度即為過熱。大家已普遍接受美國石油協(xié)會（API）的觀點(diǎn)：雖然曝曬等自然因素能導(dǎo)致罐體過熱，但最極端的條件卻是遭遇火災(zāi)。為了抵消由火災(zāi)導(dǎo)入的熱量，阻止溫度升高，API在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對安全閥提出兩個(gè)要求：

（1） 安全閥在罐體內(nèi)壓力超過其整定值時(shí)開啟。

（2） 安全閥全啟后的額定排放能力必須大于下式計(jì)算結(jié)果：

Q=（37 100 A0.82）/r

式中Q——安全閥的最小排放能力；

A——罐體的表面積；

r——介質(zhì)在設(shè)計(jì)溫度下的氣化潛熱。

安全閥的降壓作用并非基于排出多余的介質(zhì)，而是基于液相的蒸發(fā)，即液—?dú)庀嘧兒娜サ臐摕岬窒送獠炕馂?zāi)導(dǎo)入的熱量，從而維持介質(zhì)的溫度不變。安全閥的開啟和排放都是為了維持一個(gè)連續(xù)的液—?dú)庀嘧?，安全閥只允許排放氣相介質(zhì)，而不允許直接排放液相。因此在罐體內(nèi)部必須保有一定的氣相空間，安全閥的入口只允許與氣相空間相通。

2 《規(guī)程》存在的不足

2.1 《規(guī)程》對罐體的“過度設(shè)計(jì)”無限制

我國現(xiàn)行的規(guī)程、規(guī)范均未涉及“過度設(shè)計(jì)”概念。它意味著罐體的設(shè)計(jì)壓力超過了介質(zhì)工作條件下的實(shí)際需要，比如以設(shè)計(jì)壓力為2.2 MPa的丙烯罐車充裝丙烷（或與之類似的、在50℃下飽和蒸汽壓不大于1.6 MPa的混合液化石油氣）。這種情況普遍存在，任何規(guī)范均未加限制。許多煉廠甚至硬性規(guī)定必須使用設(shè)計(jì)壓力為2.2 MPa的罐車運(yùn)輸液化石油氣，這將會導(dǎo)致重大隱患?！兑?guī)程》的條款不能保證在火災(zāi)情況下，安全閥能正常工作。

其隱患的根源在于安全閥的整定壓力（開啟壓力）是隨罐體設(shè)計(jì)壓力確定的。《規(guī)程》“第12條安全閥”之4規(guī)定：“安全閥的開啟壓力（表壓）不得高于罐體設(shè)計(jì)壓力的1.2倍”，（即也允許為1.2倍）。以前述丙烯罐車充裝丙烷為例，隨著罐體設(shè)計(jì)壓力的提高，安全閥的開啟壓力相應(yīng)提高到丙烷飽和蒸汽壓的1.25倍。這意味著在火災(zāi)情況下，安全閥開啟之前，介質(zhì)溫度已遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值。《規(guī)程》“第九條罐車的最大載重量”在注解中說明：“液化氣體重量充裝系數(shù)，按介質(zhì)在50℃時(shí)罐體內(nèi)留有6%～8%氣相空間及該溫度下的比重求得”，隨著介質(zhì)溫度超過50℃，氣相空間的存在與否便是一個(gè)問題。

按照HG5-1587-84《液化石油氣罐車彈簧式安全閥》的定義，安全閥的開啟壓力（即整定壓力）為“閥瓣開始離開閥座，介質(zhì)由視覺或聽覺感知呈連續(xù)排出狀態(tài)”時(shí)的壓力。按GB/T12241-2005《安全閥一般要求》的定義，開啟壓力是“由介質(zhì)壓力產(chǎn)生的使閥門開啟的力同使閥瓣保持在閥座上的力相互平衡”時(shí)的壓力。總之，此時(shí)安全閥尚不具備額定排放能力。“開啟”和“全啟”是兩個(gè)概念。HG5-1587-84規(guī)定達(dá)到額定排放能力時(shí)（此時(shí)“閥瓣全啟高度應(yīng)不小于閥座喉頸的1/4，且‘簾面積’大于喉部凈面積”）的壓力（又稱額定排放壓力）可為開啟壓力（即整定壓力）的1.1倍，亦即罐體設(shè)計(jì)壓力的1.32倍。對于一臺“過度設(shè)計(jì)”的丙烷罐車，安全閥的額定排放壓力，亦即可以平衡火災(zāi)熱量時(shí)的壓力，是其50°C時(shí)飽和蒸汽壓的1.65倍，約2.8 MPa（絕壓）。

丙烷在50℃時(shí)飽和蒸汽壓為1.59 MPa（表壓），液相密度γ=0.445 t/m3，因《規(guī)程》要求“重量充裝系數(shù)”Φ=0.42 t/m3，可保證有約6%的氣相空間。隨著溫度升高到63.3°C，液相介質(zhì)密度降為γ=0.421 t/m3，與“重量充裝系數(shù)”一致，罐內(nèi)已無氣相空間。而介質(zhì)達(dá)到2.8 MPa（絕壓）時(shí)，對應(yīng)飽和溫度約為74℃，密度γ=0.39t/m3，即液相的逸出量已達(dá)約7%。罐內(nèi)無相變，液相介質(zhì)在外來熱量的作用下，溫度迅速提高，壓力將沿著壓—焓圖中近似垂直的曲線上升，導(dǎo)致罐體破壞。

2.2 《規(guī)程》對充裝量的限制措施要求不明確

前文已述及出于安全考慮，罐車留有氣相空間是絕對必要的。為此除了防止過熱、超壓，還有一個(gè)前提是合理充裝。雖然《規(guī)程》有“第四十條罐車充裝量必須嚴(yán)格按第二章第九條執(zhí)行，嚴(yán)禁超裝，并以重量計(jì)量為準(zhǔn)”的規(guī)定，但對罐體容積的計(jì)量卻未述及。還應(yīng)指出，目前各煉廠產(chǎn)品成分不穩(wěn)定，密度也有變化。所以應(yīng)該提供各批次介質(zhì)的密度數(shù)值?！爸亓砍溲b系數(shù)”可用于罐車設(shè)計(jì)，在運(yùn)行中卻不該是絕對的。

《規(guī)程》還要求罐車須有液面指示裝置，作為“指示液面的安全裝置”，此語容易引起歧義。國家質(zhì)檢總局就曾下文要求罐車液位計(jì)精度應(yīng)不低于2.5級，還要求對“最高安全液位應(yīng)有明顯標(biāo)記”。須知“重量充裝系數(shù)”是對介質(zhì)50℃時(shí)規(guī)定的，而我們不可能在50℃下充裝，因而最高液位是個(gè)不可以“明顯標(biāo)記”的變量。

3 結(jié)論和建議

（1） “過度設(shè)計(jì)”是一個(gè)普遍存在尚未引起足夠重視的問題。按照美國壓縮氣體協(xié)會（CGA）標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)罐體設(shè)計(jì)壓力超過實(shí)際需要時(shí)，其安全閥的整定壓力應(yīng)與罐體設(shè)計(jì)壓力脫鉤，而按所充裝介質(zhì)于50℃下的飽和蒸汽壓的1.1倍確定。修訂《規(guī)程》時(shí)，應(yīng)采納此原則。

（2） 為了保持罐體充裝后預(yù)留的氣相空間有效地發(fā)揮作用，安全閥的入口必須處于氣相空間，美國鐵路協(xié)會（AAR）標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定：安全閥應(yīng)位于罐體正上方，并在罐體的中部，其入口探入罐內(nèi)的深度不能超過150 mm（6 in），《規(guī)程》也應(yīng)有類似明確的要求。

（3） 液化石油氣密度的溫度系數(shù)較大，設(shè)計(jì)狀態(tài)與常溫充裝狀態(tài)偏差很大。液位計(jì)僅可作為參考手段。罐車出廠前應(yīng)經(jīng)容積計(jì)量檢定，對檢定精度和責(zé)任方應(yīng)明確規(guī)定；充裝單位應(yīng)提供介質(zhì)密度并負(fù)責(zé)確定安全充裝重量和進(jìn)行稱重。

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

張石（1976-），男，山東單縣人，工程師，1999年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)，碩士，現(xiàn)從事石油儲運(yùn)工作。

2010-03-04；

2010-12-20