一种大容积钢质无缝气瓶盛装低压液化气体时安全泄放量的计算方法

郭淑芬　刘玉红　张淑敏

（石家庄安瑞科气体机械有限公司　石家庄　051430）

一种大容积钢质无缝气瓶盛装低压液化气体时安全泄放量的计算方法

郭淑芬刘玉红张淑敏

（石家庄安瑞科气体机械有限公司石家庄051430）

本文针对大容积钢质无缝气瓶盛装低压液化气体时的泄放面积计算进行了讨论，主要就低压液化气体公称工作压力和充装系数确定原则，低压液化气体在充满钢瓶时是处于什么状态及钢瓶“满液”后温度和压力变化的情况进行了论述。本文以液氨为例计算了钢瓶达到爆破压力时介质温度变化情况及需要的安全泄放面积。结果表明低压液化气体应避免过量充装并且应选择合适的安全泄放装置。

低压液化气体充装满液泄放面积

随着高压大容积钢质无缝气瓶盛装液化气体的发展，目前国内还没有具体的液化气体泄放面积的计算。虽然GB/T 16918—1997《气瓶用爆破片技术条件》中介绍了液化气体泄放面积的计算，但是对于其中数据的来源并没有详细解释，给目前液化气体泄放面积的计算留下空白。该论文主要介绍了常用的液氨的泄放面积计算，为以后其它液化气体泄放面积的计算提供了参考。

低压液化气瓶因其便于运输、占地面积小、操作简单等优点广泛应用于化工生产领域。目前大多数的低压液化气瓶盛装的介质多为化工领域的反应介质或者是成品、半成品，这些介质多为有毒或者剧毒，所以低压液化气瓶从设计到制造整个过程中都需要严格遵守国家法律、法规以及相关的设计生产标准。因此在实际使用过程中基本不会出现由于设计或制造造成的破坏。钢瓶之所以爆炸主要是使用过程中过量充装或者是发生火灾等情况时产生的压力骤增。对于过量充装，国家对低压液化气体提出了在相应条件下的充装系数，可以避免由于过量充装带来的危害，但是火灾等情况不可避免，这就需要在设计时考虑选择合适的安全泄放装置。

目前常用的低压液化气瓶基本上都是焊接气瓶，该类气瓶的设计压力一般都不超过10MPa，而有些客户需要使用大容积钢质无缝气瓶盛装低压液化气体，这类钢瓶的设计压力一般都超过了10MPa，如何计算该类气瓶的安全泄放面积是本文主要讨论的问题。

1　大容积钢质无缝气瓶盛装低压液化气体时公称工作压力的确定

TSG R0006—2014《气瓶安全技术监察规程》规定盛装液化气体气瓶的公称工作压力是指温度为60℃时瓶内气体压力的上限值。低压液化气体的临界温度大于65℃，我国所处的地理环境最高温度为60℃，所以气瓶内的液化气体在正常使用过程中呈气液两相共存状态，其压力为相应温度下的饱和蒸汽压［1］。常用的低压液化气体气瓶的公称工作压力是根据60℃时的饱和蒸汽压确定，无缝钢瓶因局限于旋压及热处理工序影响，太薄的容器难以实现，故钢瓶的公称工作压力远大于低压液化气体在最高温度60℃的饱和蒸汽压。例如盛装液氨的大容积钢质无缝气瓶，工作压力为16.6MPa，但是液氨在60℃时的饱和蒸汽压为2.6MPa。

2　气瓶充装系数的确定

在正常情况下，钢瓶内的低压液化气体是以气液两相并存的。当外界温度升高时，瓶内除气体饱和蒸汽压增大外，其液体体积也会膨胀。随着温度的进一步升高，瓶内液体所占的体积逐渐扩大，原有气体所占的容积逐渐减小。当温度升高到一定程度时，瓶内空间有可能全被膨胀了的液体充满。此时，若温度继续升高，则其瓶内压力急剧上升，甚至超过钢瓶本身的爆破压力而导致钢瓶爆破［2］。因此，为了避免此种情况的发生，当达到最高环境温度时，必须保证瓶内不“满液”，即瓶内低压液化气体的充装系数不应大于气瓶最高温度液体的密度。

TSG R0006—2014规定，对于低压液化气体，充装系数应当不大于气瓶最高使用温度下液体密度的97%，在温度高于气瓶最高使用温度5℃时，瓶内不满液。

3　气瓶“满液”状态时液体温度的确定

首先根据充装系数确定当气瓶达到“满液”时液体的密度，并根据此液体的密度确定相应的温度。

以液氨为例进行判定：

首先液氨的充装系数为0.53kg/L，这说明当气瓶“满液”时，液体的密度为0.53kg/L。根据《Matheson气体数据手册》［3］附录6

式中：

计算得T=341.5K=68℃，说明当气瓶内液体温度达到68℃时，气瓶达到“满液”状态。该数据表明当温度升高时，液化气体并没有在吸收热量的情况下全部汽化，而是全部变化为液体。

4　气瓶“满液”后瓶内压力的增量

4.1不考虑气瓶体积变化时的压力增量

如果不考虑气瓶的体积变化，初始状态时气瓶的容积为V1，初始温度t1，初始温度时的压力p1为t1时的饱和蒸汽压，当温度升高到t2时所对应的压力为p2，

式中：

Δt —— 介质温差，℃；

β —— 瓶内介质在t1 至t2 温度下的平均体积膨胀系数；

β =（β1+β2）/2；

β1，β2 分别为温度t1，t2 的体积膨胀系数。

4.2考虑气瓶体积变化时的压力增量

实际使用过程中，气瓶会随着温度的升高产生一定的膨胀，这样在瓶体达到材料的屈服强度之前由于材料的弹性变形，会使瓶内的压力有所降低，设气瓶在温度由t1升至t2时容积增大为。

式中：

α——钢瓶材料的线膨胀系数；

F——钢瓶的容积增大系数。

3αΔtV1是由钢瓶温度变化引起的气瓶的容积变化，F（p2-p1）V1是由压力变化引起的气瓶的容积变化。

气瓶之所以压力增加是因为液体在容积不受限制的情况下可以增大到V3，但是由于气瓶的容积限制，液体的体积只增大到V2，这样必然会引起液体的压缩，气瓶内压增大。液体体积压缩时有如下公式［4］：

式中：

Δp —— 压力的增大值

Λ —— 饱和液体的平均压缩系数。

将式（2）和式（3）代入式（4），可以得出当气瓶“满液”后气瓶内压力的变化［4］。

5　应用举例

为了便于理解，依然选取液氨为研究对象进行探讨。

5.1气瓶“满液”温度计算

通过以上计算，可以得出当气瓶刚达到”满液”时，液体的温度为T=68℃。T=68℃时，氨的饱和蒸汽压为3.16MPa，即p1=3.16MPa。

5.2确定“满液”状态时液氨的膨胀系数和压缩系数

表1　液氨特性表［3］

由本文第三节的计算可知，当温度达到68℃时，达到“满液状态”。查表1得到68℃时膨胀系数为360×10-51/℃，68℃时压缩系数为319×10-51/MPa［5］。

5.3确定气瓶的容积增大系数

气瓶的容积增大系数见表2。

表2　气瓶容积增大系数［6］

5.4确定当达到爆破压力时介质的温度

笔者所在公司常用的盛装液化气体的钢瓶的公称工作压力为16.6MPa，钢瓶外径为610mm，壁厚为15mm，钢瓶材料为4130X，爆破压力27.7MPa，总容积为455L，L=2190mm。

1）假定温度达到t2=87℃时达到爆破压力p2=27.7MPa时爆破。则

查表2得F=1.94×10-4

将上述数据代入式（5）

p2=［（β-3α）Δt/（Λ+F）］+p1=27.5MPa与假设接近。所以，可是认为当温度达到100℃时，气瓶内压力达到爆破压力。

5.5气瓶安全泄放面积计算

根据GB/T 16918—1997中附录B［7］，液化气瓶的安全泄放面积计算分为容积大于450L和容积小于450L。当容积小于450L时，气瓶的安全泄放面积，该计算比较简单，现主要针对容积大于450L时气瓶的安全泄放面积进行讨论，依然以上述气瓶为例计算。

●5.5.1气瓶安全泄放量计算

按照GB/T 16918—1997中安全泄放量的计算方法，Ws=2.55×105Ar0.82/q=2.55×105×4.550.82/739=1.2×103kg/h。

式中：

Ws——气瓶安全泄放量，kg/h；

Ar——气瓶的受热面积，Ar=3.14D0（L+0.3D0）= 3.14×0.61×（2.19+0.3×0.61）=4.55m2；

Q ——泄放压力下液化气的汽化潜热；

q=739kJ/kg［3］。

●5.5.2气瓶泄放面积计算

按照GB/T 16918—1997中气瓶泄放面积的计算方法［7］，有：

式中：

p——爆破片的设计爆破压力p=27.8MPa（绝压）；

C——气体的特性常数；

λ——额定泄放系数，λ=0.62；

Z——气体的压缩因子，Z=0.33；

T——泄放介质的绝对温度，T=100℃=373.15K；

M——分子质量。

在液氨的算例中气瓶内温度由68℃升高到100℃时，压力由3.16MPa骤增到27.5MPa，说明当温度平均每升高1℃压力就增加将近1MPa。

6　结论

当低压液化气体在遇到火灾等情况时，气瓶内的液化气体会由最初的气液两相状态变为“满液”状态。一旦达到“满液”状态，瓶内的压力会随着温度的升高急剧增加。所以认为使用大容积钢质无缝气瓶盛装低压液化气体有很大的承压裕量，因此无需设置安全泄放装置是存在认识误区的，经过计算可以确定低压液化气体之所以在气瓶安全事故中占有相当的比例是因为在瓶内达到“满液”时受到瓶体膨胀限制产生的压力骤增，所以即使使用大容积钢质无缝气瓶盛装低压液化气体，设计单位也应当安装合适的安全泄放装置。

7　建议

1）对低压液化气瓶的充装过程必须严加控制，对相关的使用单位进行过量充装危害性的培训教育。

2）对低压液化气瓶的使用寿命以及气瓶的使用状态要严格把关，一旦出现过期使用或者是出现严重变形的气瓶应立即报废。

3）相关的设计单位必须保证低压液化气瓶在爆破压力下及时爆破，避免钢瓶损害带来的危害。

［1］谢佳.低压液化气瓶设计与充装过程的理论研究［J］.上海煤气，2015（01）：24-27+46.

［2］TSG R006—2014 气瓶安全技术监察规程［S］.

［3］［美］卡尔L.约斯.Matheson气体数据手册［M］.陶鹏万，黄建彬，朱大方译.北京：化学工业出版社，2003.

［4］巢建伟，钱琴华.液氯钢瓶超装爆破危险性的计算［J］.石油化工设备，1991，20（5）：35-36+34.

［5］Lester Haar， John S. Gallagher.Thermodynamic Properties of Ammonia［J］.J. Phys. Chem. Ref. Data，1978，7（3）：730-763.

［6］田兰，曲和鼎，蒋永明，等.化工安全技术［M］.北京：化学工业出版社，1984.

［7］GB/T 16918—1997 气瓶用爆破片技术条件［S］.

Calculation Method of Discharge Amount of Low-pressure Liquefied Gas for Seamless Steel Cylinders with Large Capacity

Guo ShufenLiu YuhongZhang Shumin
（SHIJIAZHUANG ENRIC GAS EQUIPMENT CO.， LTDShijiazhuang051430）

In this paper， calculation of discharge amount of low-pressure liquefied gas for seamless steel cylinders with large capacity was discussed， how to determine the low-pressure liquefied gas filling factor， what is the situation of the cylinder when the low pressure liquefied gas cylinders were full filled and how the temperature and pressure change after the expiration of the cylinder were mainly discussed. Ammonia cylinder was calculated as an example， which showed how the temperature changes when the pressure reaches bursting pressure and gave the needed discharge amount. The results showed that the excessive filling of low pressure liquefied gases should be avoided and the safety relief devices should be selected suitably.

Low pressure liquefied gasFillingFull liquidDischarge area

X933.4

B

1673-257X（2016）08-0010-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.08.003

郭淑芬（1986～），女，硕士，工程师，从事压力容器的研发设计工作。

2016-03-10）