外部火灾工况下压力容器润湿面积的计算

黄承明

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

外部火灾工况下压力容器润湿面积的计算

黄承明

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

工程设计中，进行火灾工况下的安全阀泄放量的计算时，需要计算装有部分液体的容器的润湿面积。常规容器中的立式容器和球罐容器的润湿面积是比较容易计算的，但卧式容器由于其封头的部分表面积的求取需要进行复杂的积分计算，从而使工程技术人员的计算变得复杂繁琐。介绍了卧式容器封头润湿面积的简单计算方法，列举了三类常规容器的火灾工况下的润湿面积的计算实例。通过简便计算，即可满足工程设计中的精度要求，又极大地方便了工程设计人员在实际工作中的应用。

火灾工况；润湿面积计算；封头部分表面积计算

在工程设计中，若压力容器设置在有可能发生火灾的环境中时，必须考虑设置压力容器的安全阀保护。而火灾工况下的安全阀排量计算与压力容器的总湿润表面积有关。不同的压力容器外形将采用不同的湿润面积计算方法。例如当卧式椭圆封头压力容器内液位未充满时，其湿润表面积计算比较繁琐。本文在列举了椭圆封头、平盖封头、球形封头以及球罐容器的湿润表面积的计算方法，并将繁琐的积分计算方法简化成简单计算。简单计算方法可操作性强，计算结果精度可靠，可广泛用于工程设计时压力容器的总湿润表面积的计算。

1 火灾安全阀排量与总湿润面积的关系

美国石油学会标准API 520［1］和API 521［2］规定了火灾工况下压力容器的安全泄放分析及泄放量的计算。

对于设备内含有液体时，发生外部火灾，根据API 521描述，压力容器在火灾工况下的安全泄放量的计算公式为：

式中 W——压力容器安全泄放量，kg/s （ Ib/h ）；

Q—— 压力容器在火灾工况下液体的吸热量，W（Btu/h）；

Hvap—— 压力容器内液体介质在泄放温度的汽化潜热，J/kg （ Btu/Ib ）。

而API 521中也规定了此工况下压力容器内液体吸热量的计算公式，如下：

式中 Q——润湿表面的吸热量，W（Btu/h）；

C1—— 常数，43 200（SI单位制）或21 000 （USC单位制）；

F——环境系数；

Aws——总润湿面积，m2（ft2）。

所以工程技术人员在计算安全泄放量时需要计算容器暴露在外部火灾中的润湿面积。这也使得在计算过程中，求此润湿面积成为一项关键工作。

2 润湿面积的计算方法

当考虑压力容器需要安装安全阀来保护设备时，若容器暴露在环境火灾中，引起容器内超压的原因往往是随着容器内液体介质受热温度不断上升，直到汽化产生了气体所致。而容器内液体润湿表面才是产生蒸汽的有效面积。API 521中描述容器内液体润湿面积只考虑容器在火焰源上面等于或小于7.6 m（25 ft）的那部分，高于7.6 m（25 ft）的那部分液体一般不包括在内。

对于球形容器的润湿面积，如果半球最大水平直径的高度低于7.6 m，则取达到7.6 m处的润湿面积；如果半球高度高于7.6 m，则取整个半球的内表面作为润湿面积。

当储存部分液体的压力容器为常规卧式容器时，计算润湿面积就会涉及到计算部分容器封头的内表面积，容器的封头多为椭圆封头或半圆封头，而此面积计算较为复杂；当容器为常规立式容器时，其暴露在火灾中的封头润湿面积多为整个封头的内表面积，此情况下的封头表面积较容易计算。

本文介绍常规的卧式、立式容器和球罐容器，容器封头主要考虑三种常用封头类型——椭圆封头、半球封头和平板封头。下面介绍常规的计算公式。

（1）卧式容器（装载部分液体）

圆筒部分润湿面积公式［3］：

式中 Aws——润湿面积；

D——圆筒截面直径；

h—— 液体在容器内距容器底有效高度（根据有效吸热火焰高度）。

封头部分润湿面积［3］：

2∶1 椭圆封头

半球封头：

平盖封头：

由上面总结的计算公式可以看出，椭圆封头和半圆封头的部分表面积计算需要求解积分，当不借助外部计算工具的情况下，求解相对困难费时，不便于工程设计人员应用。为了便于工程技术人员的计算工作，国外文献总结了容器封头部分表面积的简便计算公式，公式如下［4］：

2∶1 椭圆封头（单）：

半球封头（单）：

为验证上述公式的可靠性，将以上公式的参数调整到计算封头的全部面积，与GB/T 25198［5］或JB/T 4746［6］提供的计算公式比较，其计算结果相同。注意，国标规范的算法考虑了封头折边的直边面积，而此计算表中润湿面积计算省略了这部分面积。取最终润湿面积时可以取一定的设计裕量。

另外，冯传令等［7］人在进行原油容器安全阀火灾工况泄放量计算时，也总结了卧式容器椭圆型封头部分润湿面积的计算公式。其公式及计算方法表述如下［7］：

内部润湿面积分两部分，一部分为中间柱段，另一部分为封头端。另外封头端的润湿面积计算又涉及到圆筒横截面的液位线对应的弧度和弦系数。

式中 λ——圆筒横截面液位高度与直径的比值；

H——横截面液位的高度。

式中 α——圆截面液位线对应的弧度。

式中 f ——圆截面液位线对应的弦系数。

式中 A1——椭圆封头（半椭圆）的润湿面积。

式中 A2——中间柱段的润湿面积；

L——分离器的封头切线间的长度。

式中 A—— 分离器内部总的润湿面积（考虑1.1倍的余量系数）。

同样，将冯传令等人描述的计算方法与GB/T 25198或JB/T 4746提供的计算公式比较，发现计算结果产生的误差比较大，建议应用于粗略计算。

（2）立式容器（装载部分液体）

圆筒部分润湿面积公式：

字母含义同上。

封头部分润湿面积：

2∶1椭圆封头：

半球封头：

平盖封头：

（3）球罐容器（装载部分液体）

当液面高度h大于球罐半径：

当液面高度h小于等于球罐半径：

式中 r ——球罐容器的轴心半径。

3 容器润湿面积计算实例

假设容器的直径为3 m，容器的圆筒部分T/T长度为6 m，容器内液体的液面高度为2 m，容器放置的高度为6.6 m。下面以立式容器、卧式容器和球罐容器为例，简单表述其分别暴露在环境火灾中的放置位置，简单示意图如下。

图1 容器暴露于外部火灾的放置位置Fig 1 The layout of vessels under external fire

综合上述内容中总结的公式，将简单的公式输入到计算软件中，然后根据假设的条件，分别输入各种容器的计算参数，得出火灾工况下容器内吸热润湿面积的结果。计算表格数据如表1所示。

表1 容器润湿面积计算Tab.1 Calculation for wetted area

4 结束语

（1）利用文中列出的式（7）和（8）可以简单准确的计算出卧式容器的液面润湿的部分表面积，与精确计算方法的误差较小。此方法不必采用复杂的积分求解过程，调整设计方便简单，极大地方便了在此方面的计算工作，提高了工程设计人员的工作效率。

（2）列举了三类常规容器的火灾工况下的润湿面积的求取方法和计算公式，并列举了计算实例，可作为工程技术人员进行此类工程计算时的参考。

［1］Sizing，Selection，and Installation of Pressure-relieving Devices in Refineries.API Standard 520，Eighth Edition，December 2008.

［2］Pressure-Relieving and Depressuring Systems.API Standard 521，Fifth Edition，January 2007.

［3］Apendix-Geometric Calculation of VESA Online Help.

［4］Richard C.Doane，Accurate Wetted Areas for Partially Filled Vessels［J］.Chemical Engineering，December 2007.

［5］GB/T 25198—2010 压力容器封头［S］.

［6］JB/T 4746—2002 钢制压力容器用封头［S］.

［7］冯传令，杨勇.原油容器安全阀火灾工况泄放量动态模拟［J］.石油工程建设，2006.

Calculation of Wet Area on Pressure Vessel in External Fire Relief Scenario

Huang Chengming
（SINOPEC Shanghai Engineering Co.，Ltd，Shanghai 200120）

In engineering design，wet area on the vessel contained partly with liquid is needed to calculate when relieving volume of safety valve is calculated under fire condition.It is easy to calculate wet area on spheroidal tank and vertical vessel.But for horizontal vessel the calculation becomes complicated in view of integral calculation for the surface area of some heads.In this article，one simplified method for calculating wet area on horizontal vessel was introduced，and the examples of calculating wet area for three normal kind vessels were presented.With the simplified method，not only the accuracy required in engineering design can be reached，but also the design is convenient to perform.

fire condition； calculation of wet area； calculation of part surface on head

TQ 086.2

A

2095-817X（2016）04-0025-004

2016-05-20

黄承明（1983—），男，工程师，主要从事石化工艺设计。