全压式LPGC液货舱安全阀选型*

李银涛

(七〇八研究所 上海 200011)

全压式LPGC液货舱安全阀选型*

李银涛

(七〇八研究所 上海 200011)

全压式LPGC液货舱;安全阀;选型;安全泄放量;安全阀排量计算

介绍了全压式LPGC常用的液货舱安全阀,并介绍了该安全阀的排量计算方法,旨在为全压式LPGC液货舱安全阀提供选型依据。

0 引 言

随着绿色能源、低碳经济等概念不断的深入人心,作为化工原料及清洁能源之一的液化石油气(LPG)也越来越受到人们的青睐。石油气资源的地域性分布及其气态与液态时巨大的体积差异决定了液化石油气运输船(LPGC)的存在。

作为一种压力容器,全压式LPGC液货舱最重要的安全附件即为安全阀(或称为压力释放阀),其动作可靠性和性能好坏直接关系到船舶设备及人身的安全,因此,安全阀的正确选型是LPGC营运安全的首要条件,而安全阀选型的基础便是安全阀排量计算。

1 安全阀的作用

每一个全压式LPGC液货舱都是根据所载货品的特性进行设计的,在特定温度下,不同的货品有着不同的蒸发气压力,液货舱应能承受最大设计温度下所运载货品的最大蒸发气压力,指定设计条件下液货舱的壁厚只能允许承受一定的压力范围,在这个压力范围内,该液货舱可以安全营运,超过这个压力范围,液货舱就会因过度的塑性变形而遭到破坏,并由此酿成重大事故。

根据规范要求,所有液货舱均应具有与货物围护系统的设计以及所装载的货物相适应的压力释放系统。对容积超过20 m3的每个液货舱,至少应设置2个排量大致相等的安全阀,其设计和结构应与规定的用途相适合。对于容积未超过20m3的液货舱,可以设置单个释放阀。每个液货舱的安全阀应具有一个联合的释放量,以便能及时排出液货舱惰化时超压的惰气或者火灾波及时生成的较大数量蒸发气,使液货舱内的压力升高不超过安全阀的最大允许设定值(MARVS)的20%,从而保证LPGC营运过程中液货舱的安全。总的来说,安全阀的设定压力应不高于设计该液货舱时所采用的最大蒸发气压力。然而,当安装两个以上压力释放阀时,具有不超过总释放能力50%的阀可调到MARVS以上5%的压力。

因此,液货舱安全阀的作用就是为了防止液货舱超压,要达到这个目的,所选用的安全阀排量应不小于液货舱在危险情况下的安全泄放量。安全阀的排量是指安全阀在完全开启时,在排放压力下单位时间内所排出的蒸发气量;而液货舱的安全泄放量,是指液货舱超压状态下,为保证液货舱内压力不会再升高而在单位时间内所必需泄放的蒸发气量。

2 全压式LPGC液货舱安全阀选型流程

目前用于LPGC液货舱的安全阀主要有弹簧式(Spring-loaded)和先导式(Pilot-operated)两种。弹簧式安全阀主要依靠弹簧的作用力工作,按阀体构造不同,可分为封闭式和不封闭式,对易燃易爆及有毒的介质,通常选用封闭式;根据安全阀阀瓣的开启高度不同,又可分为微启式和全启式,对LPGC液货舱上的安全阀,我们一般选用全启式。

弹簧全启封闭式安全阀具有结构简单、密封性能好、开启压力准确、排放能力大、回座压差小、调整方便等特点。其外形及结构图如图1所示。先导式安全阀是一种结构新颖的安全阀,其主要由主阀、导阀、泄放阀、接头和导管等组成。导阀操作主阀的开启和关闭,先导式安全阀主要特点是变弹簧直接作用为导阀间接作用,提高了动作的灵敏度,主阀采用套筒活塞式双重密封阀座结构,具有动作精度高、密封性能好、回座快、启闭压差小、防火、防爆、防静电、寿命长及排量大等突出优点,并可在线调校,反复启跳排放后,仍然能自动回座,操作维护方便,其外形及结构图如图2所示。

先导式安全阀因其动作灵敏度高、启闭压差小、排放量大等突出优点,通常适用范围比弹簧式安全阀更广,其在A型独立液货舱,B型独立液货舱,C型独立液货舱上均可应用,而弹簧式安全阀一般仅适用于C型独立液货舱。但先导式安全阀结构较为复杂,价格也通常比弹簧式安全阀高,因此如无特殊要求,C型独立液货舱的LPGC通常选用弹簧全启封闭式安全阀。

通常情况下,操作压力决定安全阀的公称压力,操作温度决定安全阀的使用温度范围,安全阀的设定值决定安全阀所选用的弹簧或导阀,阀内流通介质决定安全阀的材质和结构型式,液货舱要求的安全泄放量决定安全阀的喉口直径。

在选择液货舱安全阀之前,应先明确液货舱所装载的货品种类,并根据所装载货品在指定设计条件(通常为0～45℃)下的物理特性(主要为蒸发气压力)来确定液货舱所承受的最大压力,根据液货舱选用钢材的特性,在考虑一定的余量后,计算出液货舱的壁厚;同时可根据所装载货品在指定设计条件下的最大蒸发气压力确定出液货舱安全阀的最大允许设定值(MARVS)。在知晓了上述参数后即可根据货品的其他物理特性及相关的计算公式计算出液货舱的安全泄放量Q;同时,可根据释放状态下所装载货品气态时的相关参数及所选用安全阀的数量及自身的参数计算出所选用安全阀的联合排量Q′,如果Q′≥Q,则所选用的液货舱安全阀满足该类货品的运载要求,其能够在惰化压力过高或火灾情况下有效保障液货舱的安全,防止恶性事故的发生;反之,当Q′＜Q时,所选用安全阀不符合要求,需重新计算选型。LPGC液货舱安全阀选型计算流程如图3所示。

图1 弹簧全启封闭式安全阀外形图及结构图

图2 先导式安全阀外形图及结构图

图3 LPGC液货舱安全阀选型计算流程图

另外,在选择液货舱安全阀时,还应该满足如下要求:

(1)应将设计温度低于0℃的液货舱上的安全阀布置成能防止其关闭后由于结冰而失灵。对于承受较低环境温度的液货舱上的安全阀的结构和布置,应予以适当的考虑。

(2)阀体应由熔点高于925℃的材料构成,如果低熔点材料的使用能显著提高阀的总体操作性能,则应考虑对内部结构和密封使用低熔点材料。

(3)当安装2个或2个以上经正确调定并被铅封的阀,并设有必要的装置将不用的阀与液货舱隔离,或安装可以改变调定压力的安全阀时,允许液货舱安全阀有1个以上的设定值。

(4)确定液货舱安全阀流量时,还应考虑安全阀的透气管路中的背压。透气管路中从液货舱到安全阀入口处的压降,应不超过该阀设定压力的3%。对非平衡压力安全阀,如透气管路暴露在火灾中,则释放管路中的背压应不超过安全阀入口处表压的10%。

3 液货舱的安全泄放量计算

一般情况下,全压式LPGC液货系统的设计温度为0～45℃,液货舱的设计应能经受住最大环境温度(45℃)下的平衡压力,在此最大环境温度下,不同的货品有着不同的蒸发气压力,因此,液货舱内所载货品在最大环境温度(45℃)的蒸发气压力直接关系到LPGC液货舱的设计及安全阀的选取。下面的计算以3 200 m3全压式LPGC为例,该船由两个同样大小的液货舱组成,每个液货舱的容积为1 600 m3,液货舱内适装货品有:丙烷(C3H8)、正丁烷(n-C4H10)、异丁烷(i-C4H10)、丁烯(C4H8)、丁二烯(C4H6)、氯乙烯(C2H3Cl)及丙烯(C3H6),该船每个液货舱的最高处装设有两只弹簧全启封闭式安全阀。

根据本船所载货品的物理特性,在运载丙烷(C3H8)及丙烯(C3H6)两种货品时,因其在最大设计温度(45℃)时蒸发气压力较大,其绝对压力分别为1.51 MPa和1.80 MPa,此时液货舱上的两只安全阀的设定值为1.715 MPa(表压),需要在两只安全阀上安装刚度较大的一组弹簧,而在运载正丁烷(n-C4H10)、异丁烷(i-C4H10)、丁烯(C4H8)、丁二烯(C4H6)、氯乙烯(C2H3Cl)时,因该组货品在最大设计温度(45℃)时蒸发气压力相对较小,最大的为氯乙烯(C2H3Cl)0.71 MPa(绝对压力),此时液货舱上的两只安全阀的设定值为0.620 MPa(表压),需要将两只安全阀上的弹簧替换为刚度较小的一组弹簧。

根据对规范的理解,液货舱安全阀是在液货舱惰化超压时,或是在火灾波及并使液货舱急剧升温而导致液货舱内产生大量蒸发气时发生作用,以释放较大数量的惰气量或蒸发气生成量,而在实际选用安全阀时,我们更多是考虑火灾波及时的情况,即火灾波及时,液货舱内液态货品急剧升温而导致舱内产生大量蒸发气,当蒸发气压力升高至安全阀的设定压力时,安全阀开启以释放液货舱内超压的蒸发气,此时,液货舱内被气化了的货品从阀口喷出。不同类型的液货舱因其是否有绝热层,及其具体的安装位置均会影响火灾波及系数,所以在选用安全阀的计算中,我们还必须知晓液货舱的具体形式及安装位置,本船液货舱的具体形式及安装位置如图4所示。

图4 液货舱安装位置及尺寸图

根据中国船级社《散装运输液化气体船舶构造与设备规范2006》第8章8.5的要求,如果液货舱惰化系统最大可达到的工作压力超过液货舱的MARVS,则该液货舱安全阀的联合释放量取惰化系统的最大排量,同时该液货舱安全阀的联合释放量也不应小于该液货舱在火灾波及时的安全泄放量,下文是基于火灾波及时的情况,计算出液货舱内的最大蒸发气生成量(折算成标准状态下所要求的空气最小排放率,即液货舱的安全泄放量)。

在273K和0.1013MPa的标准状态下所要求的空气最小排放率Q(m3/s)计算如下:

式中 F——用于不同类型液货舱的火灾波及系数;

F=1.0,对于甲板上无绝热层的液货舱;

F=0.5,对于安装在货物处所内非绝

热的独立液货舱;A——液货舱外表面面积;

A1=261.5,对于甲板上的部分;

A2=533.9,对于安装在货物处所内的部分;

G——气体系数:

式中 Z——在释放状态下,气体的压缩系数;如此

系数为未知数,则取Z=1.0;

M——货品分子量;

T——在释放状态下的绝对温度(K),即在120%的释放阀设定压力下的温度;

L——在释放状态下,物质被气化时的潜热,kJ/kg;

D——根据比热K决定的常数;如果K为未

知数时,则应取D=0.606。也可用下列公

式计算常数D:

以正丁烷为例,其分子式为n-C4H10,联合国编号为1011,根据该货品的物理参数,其分子量M=58.124,气体相对密度(空气=1)为2.090,绝热指数K=1.144,正丁烷在45℃时的蒸发气压力(绝对压力)为0.43 MPa.A,为确保正丁烷在45℃时可液化,液货舱安全阀的设定值(表压)为0.62 MPa.G,在释放状态(120%安全阀设定值)下的压力(绝对压力)为0.85MPa.A,经换算,该压力对应得水银柱高度为P1=6 340.27 mmHg.A,根据Antoin公式,可计算出安全阀释放状态下正丁烷对应的温度t,即:

式中

A——与货品相关的常数,对正丁烷,A=6.830 29;

B——与货品相关的常数,对正丁烷,B=945.9;

C——与货品相关的常数,对正丁烷,C=240。

由公式(4)计算出在释放状态(120%安全阀设定压力)下的正丁烷的绝对温度

根据正丁烷的物理特性,其临界温度Tc=425.2 K,沸点Tb=272.65 K,其被气化时的潜热Lb=385.6 kJ/kg。根据如下公式可计算出在释放状态下,正丁烷被气化时的潜热L=LT=301.3 kJ/kg。

根据公式(3)及正丁烷的绝热指数(K=1.144),可计算出正丁烷的D值为0.637;根据正丁烷的物理特性,在释放状态下,正丁烷气体的压缩系数Z=0.81。由此,将已知的正丁烷气化潜热L,正丁烷特性常数D,正丁烷气体的压缩系数Z、正丁烷在释放状态下的绝对温度T及正丁烷的分子量等值代入公式(2),可计算出正丁烷气体系数G=0.141 68,结合本船液货舱安装的实际位置及尺寸,将计算出来的正丁烷气体系数G代入公式(1),计算出在273K和0.101 3 MPa的标准状态下所要求的空气最小排放率Q=25.82 m3/s。

4 安全阀排量计算

结合本船的实际货品装载情况,两个液货舱上各设有两只封闭、全启弹簧式安全阀,当液货舱运载丙烷(C3H8)及丙烯(C3H6)两种货品时,液货舱上的两只安全阀的设定值(表压)为1.715MPa,当液货舱运载正丁烷(n-C4H10)、异丁烷(i-C4H″10)、丁烯(C4H8)、丁二烯(C4H6)、氯乙烯(C2H3Cl)时,液货舱上的两只安全阀的设定值(表压)为0.620MPa。

根据本船所选用安全阀的特性,其排量计算所需的参数如下:安全阀的流量系数Co=0.7;与货品绝热指数K相关的参数C,对于正丁烷,C=331.4;120%的安全阀设定压力(绝对压力)Pd=0.85MPa.A;所选用DN200的安全阀喉口直径为d=125mm。

对于全启式安全阀,其排放面积A′=πd2/4=12 272mm2,根据《压力容器安全技术监察规程》99版中关于每只安全阀每小时额定排量的计算公式:

根据公式(6)计算结果,对于正丁烷,在273K和0.1013MPa的标准状态下,每只安全阀的空气额定排放率Q′=17.91m3/s。每个液货舱上装设有两只排量相等的安全阀,此时安全阀的排量应该为两只安全阀的组合排量,即2×Q′=35.82m3/s。该数值大于同状态下所要求的空气最小排放率Q=25.82m3/s,故此组安全阀的选用满足正丁烷运载的相关条件。

按照上述计算方法,对其他货品,所选用安全阀组合的排量均大于液货舱的安全泄放量,因此该组安全阀适合本船使用。

全压式LPGC液货舱安全阀的排量计算,目前主要有两种方法。对于容积＞20 m3的单个液货舱,一种计算方法为本文所采用的两只安全阀的组合排量大于该液货舱在危险情况下的安全泄放量;另一种计算方法是采用我们常说的备用概念,即两只安全阀中,单个阀的排量就能满足该液货舱在危险情况下的安全泄放量要求。如若考虑危险情况下,LPGC某一液货舱上的一只安全阀因故障而未能起作用,第一种计算方法就会因为另一只安全阀排量小于该液货舱的安全泄放量而产生危险,而第二种计算方法则能保证在此种故障时,该液货舱仍是安全的。当然,安全阀作为全压式LPGC液货舱上的重要安全附件,其维护和检测都是相当严格的,设计时一般可以不考虑其本身的故障,这一观点在日本设计的很多全压式LPGC液货系统中得到了很好的印证。在其设计并已投入运营的很多全压式LPGC中,其液货舱上的安全阀均为组合排量大于在危险情况下该液货舱的安全泄放量。当然,第二种计算方法作为一种更安全更可靠的方式也广为大家所接受。

从规范的角度来讲,两种选择方法都符合要求,因此我们需要在船舶的安全及建造成本间作一个适当的衡量后来确定采用何种安全阀的组合。

为此,我们咨询了中国船级社相关方面的专家,据其与国外相关单位的沟通结果,认为全压式LPGC液货舱安全阀的选型应采用第二种计算方法,即在规范要求的两只安全阀排量大致相等的前提下,单个安全阀的排量就能满足危险情况下该液货舱的安全泄放量要求。但这两只安全阀的设定值不同,其中一只安全阀作为该液货舱的最后一道保障,其设定值永远设定为该液货舱所能承受的最大蒸发气压力;而另一只安全阀的设定值随着该液货舱所装载货品在设计温度下的最大蒸发气压力改变而改变。如此一来,在该液货舱所装载货品变化时,我们只需更换那只设定值与货品相关的安全阀即可。因此,撇开建造成本而从设计及使用安全的角度来讲,我们也相当认同这一观点,但实际设计选型究竟采用何种组合,在满足相关规范规则的前提下,更多地取决于船东的意愿。

5 结 语

全压式LPGC液货舱安全阀选型主要原则就是在所运载货品确定的情况下,合理地选择液货舱安全阀的MARVS,并保证火灾波及时每个液货舱安全阀的排量不小于该液货舱的安全泄放量,同时需考虑阀的布置及阀体材料的选择。而在液货舱安全阀的MARVS已确定的情况下,影响安全阀排量的主要因素为安全阀的流量系数Co及喉口直径d,因此,熟悉的掌握装载货品的物理特性,并合理地选择安全阀的流量系数Co及喉口直径d是全压式LPGC液货舱安全阀选型的关键所在。

[1] 中国船级社.散装运输液化气体船舶构造与设备规范[S].人民交通出版社,2006.

[2] 国家技术监督局.钢制压力容器GB150-1998[S].

[3] 日.惠美洋彦.液化气运输船实用手册[S].哈尔滨船舶工程学院出版社,1992.

[4] 压力容器安全技术监察规程.99版[S].

[5] McGuire and White,Liquefied Gas Handling Principles On Ships and in Terminals[S].2005.

Selection of the Relieve Valves of the Full-Pressure LPGC

LiYintao

Full-Pressure LPGC(Liquefied Petroleum Gas Carrier);relieve valve selection;safety discharge;calculation of discharge capacity of relieve valves

This paper introduces the common relieve valves of the Full-Pressure LPGC and its calculation method,in order to supply some references for the selection of relieve valves of the Full-Pressure LPGC.

U 663.85

A

1001-9855(2010)06-0023-06

2010-07-30

李银涛(1982.03-),男,汉族,湖北人,工程师,主要从事船舶轮机研究设计工作。