【摘 要】液化石油气具有易燃、易爆的特性，贮存设备必须设置安全阀。本文就对影响确定液化石油气卧式储罐安全阀整定压力的相关压力进行了分析，认为安全阀整定压力确定的影响有多方面的考虑因素，总体上既要满足pw＜pz≤p，细节上又要满足pf≤p+Δp，并且有必要考虑pt＞pw，以保证安全阀安全排放后的密封性能。其研究结果对于液化石油气储罐安全阀整定压力的确定有一定的借鉴意义。
【关键词】储罐；压力；容器；确定；设计参数
引言
液化石油气作为一种化工基本原料和新型燃料，是一种清洁能源，已愈来愈受到人们的重视。它的主要成分为丙烷、丁烷，密度比空气大，具有易燃、易爆、易积聚也易扩散的特点。液化石油气储罐安全阀的设置是为保证储罐在外部火灾情况下或操作事故时不致发生超压而被破坏。储罐一般设置弹簧封闭全启式安全阀，这种安全阀泄放量大，回座性能好，可将放散出来的液化石油气引向高空或其它安全地点。而安全阀整定压力应要如何合理确定，是设计人员所要面对的问题。下文就对此进行研究探讨。
1 液化石油气卧式储罐
《固容规》中3.4设计文件中规定：装有安全阀的压力容器，设计文件还应包括压力容安全泄放量、安全阀排放量的计算书，要求压力容器设计合理选择安全阀并确定整定压力。
NB/T47001钢制液化石油气卧式储罐（简称卧罐）标准规定见表1。
表1中的公称（设计）压力是根据储存物料在50℃下饱和蒸气压并考虑原标准的连续性而确定的，而安全阀开启（整定）压力却只规定小于或等于设计压力，究竟如何合理确定，是设计人员所要面对的问题，现对此进行讨论。
2 压力容器与安全阀相关压力的定义
《固容规》中8.3.2规定：安全阀的整定压力一般不大于压力容器的设计压力，去掉了“安全阀的密封试验压力应大于压力容器的工作压力”。
GB150.1中4.3.3则规定，当容器上装有超压泄放装置时，应按附录B确定设计压力。其中装有安全阀时，容器的设计压力按以下步骤确定：a）根据容器的工作压力pw，确定安全阀的整定压力pz，一般取pz=（1.05～1.1）pw；当pz＜0.18MPa时，可适当提高pz相对于pw的比值；b）取容器的设计压力p等于或稍大于整定压力pz，即p≥pz。
从上面规程标准的规定中可以看到安全阀的整定压力与压力容器的设计压力以及工作压力之间的联系。为下文讨论方便，对涉及到的相关压力定义描述如下。
（1）工作压力pw：在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。
（2）设计压力p：设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为容器的基本设计载荷条件，其值不低于工作压力。
（3）水压试验压力pT：水压试验时，容器顶部的压力， 。
（4）整定压力pz：安全阀在运行条件下开始开启（开启高度＞0）的预定压力，是在阀门进口处测量的表压力。一般取pz=（1.05～1.1）pw，且p≥pz。
（5）回座压力ph：安全阀排放后其阀瓣重新与阀座接触，即开启高度变为零时的进口静压力。整定压力与回座压力之差称为启闭压差。对于空气或其他气体用安全阀，当pz＞0.2MPa且金属密封面时，启闭压差≤15%pz，此时ph≥0.85pz。
（6）密封试验压力pt：安全阀进行密封试验时的进口压力，在该压力下测量通过阀瓣与阀座密封面间的泄漏率。对于空气或其他气体的介质，当pz＞0.3MPa时，pt=0.9pz。
（7）排放压力pf：安全阀阀瓣达到规定的开启高度时的进口压力。pf=pz+超过压力（超过安全阀整定压力的压力增量），对于空气或其他气体用安全阀pf≤1.10pz。
（8）超压限度△p：压力容器在超压泄放装置动作时，容器内允许达到的相对设计压力的最大允许增压，是针对容器在泄放装置动作后最大承载能力提出的压力指标，不能随便用于正常操作工况，在设计时一般不需要作具体计算。当容器上仅安装一个泄放装置时，泄放装置的动作压力应不大于设计压力，容器的超压限度应不大于设计压力的10%或20kPa中的较大值。可见，容器的超压限度小于水压试验压力超出设计压力的数值。实际上，这是对安全阀排放压力的限制，即pf≤p+△p，以保证压力容器的安全泄放。
从上面相关压力的定义中归纳出，当pz＞0.3MPa时，其他压力与整定压力之间的关系：
pw=（0.90～0.95）pz，p≥pz，ph≥0.85pz，pt=0.9pz，pf≤1.10pz。
下面以卧罐（符合规定的装量系数）为例，对安全阀的整定压力确定进行讨论。但前提条件仅限于：卧罐安装在远离热源且有完善可靠防火设施的场合，并设有一个能满足容器安全泄放量要求的封闭全启式安全阀（弹簧直接载荷式），这里只讨论容器设计压力（工程设计时应具体考虑容器的最高允许工作压力）与安全阀整定压力的关系。
3 安全阀整定压力确定需要的相关压力
设计参数见表2。
3.1 按GB150.1确定安全阀整定压力
容器的超压限度（△p）应不大于设计压力的10%或20kPa中的较大值，即△p≤0.216MPa；安全阀整定压力偏差（δ）不应超过±3%pz或±0.015MPa的较大值。
（1）取pz=1.05pw，pw=1.95MPa，则pz=2.05MPa，考虑δ=±0.062MPa，pz=1.99～2.11MPa。
根据上面其他压力与整定压力之间的关系式，并考虑整定压力偏差（δ）得出：
ph≥0.85pz（=1.69～1.79MPa），最小ph的上限值＜pw。
pt=0.9pz（=1.79～1.90MPa），pt的上限值＜pw。
pf≤1.10pz（=2.19～2.32MPa），最大pf的上限值＜p+△p（=2.376MPa）。
可见，当pz=2.05MPa时，尽管安全阀的最大pf的上限值满足容器的超压限度要求能够安全泄放，但是，安全阀的密封性能达不到要求。
（2）取pz=1.1pw，pw=1.95MPa，则pz=2.15MPa，考虑δ=±0.065MPa，pz=2.09～2.22MPa。
根据上面其他压力与整定压力之间的关系式，并考虑整定压力偏差（δ）得出：
ph≥0.85pz（=1.78～1.89MPa），最小ph的上限值＜pw。
pt=0.9pz（=1.88～2.00MPa），pt的下限值＜pw。
pf≤1.10pz（=2.30～2.44MPa），最大pf的上限值＞p+△p（=2.376MPa）。
可见，当pz=2.15MPa时，安全阀的最大pf的上限值大于容器的超压限度，并且pt的下限值＜pw，密封仍然达不到要求。
由上可知，此案例按GB150.1确定的安全阀整定压力满足不了密封性能要求。
3.2 按pt≥pw确定安全阀整定压力
在考虑整定压力正偏差后，先取pt=pw=1.95MPa，可导出pz=1.15pw=2.24MPa，然后取pz=2.25MPa（可使pt＞pw），再考虑δ=±0.068MPa，则pz=2.18～2.32MPa。由此得出相关压力为：
ph≥0.85pz（=1.85～1.97MPa），最小ph的下限值＜pw。
pt=0.9pz（=1.96～2.09MPa），pt的下限值＞pw。
pf≤1.10pz（=2.40～2.48MPa），最大pf的下限值＞p+△p（=2.376MPa），允许向下调整，但要满足开启高度。
此时，需取卧罐的设计压力p=pz=2.25MPa。
可见，虽然安全阀能满足密封性能要求，但需要提高卧罐的设计压力。
3.3 对确定安全阀整定压力的讨论
由上可知，确定安全阀整定压力不仅需要考虑容器的工作压力、设计压力以及超压限度，而且尚需考虑安全阀的整定压力允许偏差、密封性试验压力以及排放压力。总体上既要满足pw＜pz≤p，细节上又要满足pf≤p+△p，并有必要考虑pt=0.9pz的合理性。
（1）按GB150.1确定安全阀整定压力，出现pt＜pw，理论上安全阀密封不符合要求；并且pz=1.1pw时最大pf的上限值＞p+△p。那么，为什么卧罐一直沿用表1的设计压力，并规定pz≤p。答案有一种可能：卧罐的安全阀只是个安全“附件”——从未因超温导致超压而起跳开启过。因为：其一，所讨论的pw=1.95MPa系丙烯在最高工作温度50℃下饱和蒸气压，即只有罐内丙烯温度高于50℃时，才有可能发生超压工况：当pz=2.05MPa时，对应的丙烯温度为52.3℃；当pz=2.15MPa时，对应的丙烯温度为54.4℃；而pz=p=2.16MPa时，对应的丙烯温度为54.6℃。但实际上，这个设计温度是根据国内气象资料确定的最高温度；其二，尽管安装在远离热源场所的无保冷设施常温储存液化石油气卧罐，其设计温度取决于烈日暴晒下的罐壁金属温度（其值一般在大气温度和地面温度之间）和常温下充装的介质温度，而储存的介质温度则低于罐壁温度。但是卧罐外表面防晒涂料、安装场所设置的防晒棚、降温喷淋及消防喷淋的冷却水装置、远程测温实时监控系统等，都能有效控制卧罐温度不超出规定值；其三，卧罐标准的设计压力是取储存介质50℃饱和蒸气压的1.1倍，即p=1.1pw。所以，只能要求安全阀的整定压力小于或等于设计压力，即pz≤p（但要满足pw＜pz≤p），这样安全阀就形如“安全附件”——不起跳开启，况且尚未见到有关卧罐因安全阀开启而阀瓣不回座致使密封不符合要求的文献论述，更未见到关于卧罐因强度失效而发生爆裂事故的报道。
（2）按pt≥pw确定安全阀整定压力，虽然安全阀能满足密封性能要求，但需要提高卧罐的设计压力。看来，有必要分析一下卧罐和安全阀的工作过程。卧罐在常温下按设计规定的充装量充装，然后在常温下储存，随着季节变化，可能达到夏季预定的最高工作温度——对应的介质饱和蒸气压作为基准确定安全阀整定压力，一旦超过这个压力，安全阀即起跳开启直至达到全启高度，安全排放超压气体，罐内压力随之下降，接近（等于或小于）工作压力后回座。可见，卧罐在“常温（经常性）～最高温度（偶然性）——相应对应的压力”之间工作，所以，安全阀虽然回座，但仍可能处在“回座～开启”之间状态，这就是所谓的密封试验压力。《容规》规定的50℃是考虑国内各地温度所取的最高值，而卧罐固定应用于某地后，最高工作温度也应为定值（一般低于50℃），比如文献[6]取为40℃，对应丙烯的饱和蒸气压作为1.50MPa。以此压力再按GB150.1确定安全阀的整定压力如下：
取pz=1.05pw，pw=1.50MPa，则pz=1.58MPa，考虑δ=±0.047MPa，pz=1.53～1.63MPa。由此得：
ph≥0.85pz（=1.30～1.39MPa），最小ph的上限值＜pw。
pt=0.9pz（=1.38～1.47MPa），pt的上限值＜pw。
pf≤1.10pz（=1.68～1.79MPa），最大pf的上限值＜p+△p（=2.376MPa）。
若取pz=1.1pw，pw=1.50MPa，则pz=1.65MPa，考虑δ=±0.050MPa，pz=1.60～1.70MPa。由此得：
ph≥0.85pz（=1.36～1.45MPa），最小ph的上限值＜pw。
pt=0.9pz（=1.45～1.53MPa），pt的下限值＜pw。
pf≤1.10pz（=1.76～1.87MPa），最大pf的上限值＜p+△p（=2.376MPa）。
可见，按GB150.1确定的安全阀整定压力仍然满足不了密封性能要求，看来，相应规范标准中相关压力之间的关系需要合理调整完善。
再按pt≥pw确定安全阀整定压力：取pt=pw=1.50MPa，得出pz=1.15pw=1.73MPa，然后取pz=1.75MPa，再考虑δ=±0.053MPa，则pz=1.70～1.80MPa。由此得出相关压力为：
ph≥0.85pz（=1.45～1.53MPa），最小ph的下限值＜pw。
pt=0.9pz（=1.53～1.62MPa），pt的下限值＞pw。
pf≤1.10pz（=1.87～1.98MPa），最大pf的上限值＜p+△p（=2.376MPa）。
由此得到pz=1.75MPa，即可满足安全阀的密封性能要求，又可使安全阀的最大pf的上限值也能满足容器的超压限度要求。
在当今环境保护愈加严格的气候下，不论是从安全性、清洁性、还是经济性考虑，容器使用愈加期望无泄漏，液化石油气储罐更是如此。对于安全阀，为保证压力容器的安全运行，既要开启灵敏并排放到位，又要及时回座并密封可靠。由于ph≥0.85pz，究竟为多少合适，容器设计与使用不得而知，但期望ph接近容器的pw为宜，以便泄放后及时回座，减少不必要的泄放损失。所以，99版《容规》规定pt＞pw是有一定道理的。
4 结束语
综上所述，液化石油气储罐安全阀的设置是保证储罐安全运行的必要措施，因此在安全阀整定压力的确定上必须给予重视。在卧罐安全阀整定压力的确定工作中，不仅需要考虑卧罐的工作压力、设计压力以及超压限度，而且尚需考虑安全阀的整定压力允许偏差、密封性试验压力以及排放压力。总体上既要满足pw＜pz≤p，细节上又要满足pf≤p+△p，并且有必要考虑pt＞pw，以保证安全阀安全排放后的密封性能。因此首先应明确卧罐的实际工作压力。建议相关规程标准应合理确定安全阀与容器的相关压力之间的关系：安全阀整定压力与容器工作压力及设计压力；安全阀整定压力与排放压力、回座压力及密封试验压力；容器工作压力与安全阀回座压力及密封试验压力。
参考文献：
[1]张玉玺.混烃储罐安全阀计算[J].中国石油和化工标准与质量.2013
[2]杜云涛，杨洋，黄炳光.液氨储罐的安全阀的计算、选型和安装[J].化工管理.2014
[3]河吉先.液化烃储罐工程设计探讨[J].石油和化工设备.2015
论文作者:林亚志
论文发表刊物:《低碳地产》2016年10月第19期
论文发表时间:2016/11/18
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