真空绝热低温容器安全泄放装置应用探讨

吴全龙，胡熙玉

(1.上海华理安全装备有限公司，上海 201108；2.沈阳特种设备检测研究院，沈阳 110079)

符号说明：

Qm——介质质量流量，kg/h；

pf——最大排放压力，MPa；

Z——排放压力下介质压缩系数,无量纲;

T——排放压力下介质温度，K；

M——摩尔质量，kg/kmol；

Qa——在0.1 MPa，15 ℃时空气当量体积流量，m3/h；

L——排放压力下介质汽化潜热，kJ/kg；

U——充满介质或空气时，在T与热端之间的平均总传热系数(取较大值),kJ/(h·m2·℃)

A——容器外表面积(受热面积)，m2；

U1——充满介质或空气时，在T与热端之间的平均总传热系数(取较大值),W/(m2·K);

K——安全泄放装置额定排放系数，无量纲；

Ar——安全泄放装置排放面积，m2；

k——绝热指数;

W1——绝热系统吸热量，W；

W2——汽化器吸热量，W；

W3——真空丧失时绝热系统吸热量，W；

W4——支撑件和管道吸热量，W；

W5——火灾下容器吸热量，W。

0 引言

对于临界温度较低的气体，通常将其冷却至临界温度以下进行运输和贮存，既可以降低设备压力，又有利于提高运输和贮存效率。运输和贮存这些冷冻液化气体的设备称之为低温容器(深冷压力容器)，一般由内容器和外壳组成，中间抽成真空并安装绝热系统(真空绝热低温容器)或设置固体绝热材料进行隔热(堆积绝热低温容器)。真空绝热低温容器绝热方式为真空粉末绝热、真空复合绝热或高真空多层绝热，设备安全运行的关键在于绝热性能是否符合要求，绝热性能如果达不到要求，在环境温度的作用下，容器内的液体会大量气化导致压力升高，危及使用安全。低温绝热性能即使符合要求，内容器的液体也会缓慢气化，如果长期不使用并排出容器内气体，容器的压力依然会升高而产生安全风险。由此可见，真空绝热低温容器由于设备本身的特点，容器压力升高不可避免，倘若再出现真空丧失或绝热材料损坏甚至陷入火灾工况，则有可能造成冷冻液化气体进一步大量气化从而导致内容器压力急剧增加，带来安全隐患，因此需要设置安全泄放装置以保证设备在超压时的安全。

移动式容器标准CGA S-1.2：2005，ASME Ⅻ—2012，IMDG—2002，ADR—2015，ISO 24021-1：2006，NB/T 47058—2017，NB/T 47059—2017及固定式容器标准CGA S-1.3：2008，ISO 21009-1：2008，GB/T 18442.6—2019对真空绝热低温容器如何设置安全泄放装置的要求有诸多类似之处，但也存在相当大的不同。为了方便工程技术人员在设计时科学准确地选用安全泄放装置，本文将以上述标准为基础，从真空绝热低温容器失效模式及安全泄放装置类型选择、结构设置、设定压力、排放压力、排放面积的确定等方面进行全面详细地分析比较。

1 冷冻液化气体定义与举例

大部分标准都规定，冷冻液化气体是指在运输或储存过程中由于温度低而部分呈液态的气体，但也有所区别。CGA S-1.2及CGA S-1.3要求冷冻液化气体(Refrigerated (cryogenic) liquid)沸点低于或者等于183.15 K(-90 ℃)，国内标准(比如NB/T 47058—2017，NB/T 47059—2017及GB/T 18442—2019)则参照ADR，IMDG等国际规范规定冷冻液化气体沸点不低于77.15 K(-196 ℃)且临界温度低于或者等于223.15 K(-50 ℃)。在涉及安全泄放装置的设置时，还应考虑介质是否易燃的特性。

表1参照ASME Ⅻ 模式附录3列出了几种常见冷冻液化气体及其典型物理特性[1]。

表1 常见冷冻液化气体

表1中，二氧化碳、笑气、乙烯、乙烷、氙气、三氟甲烷的临界温度均高于223.15 K，氖气、氦气、氢气的沸点均低于77.15 K，不属于国内标准NB/T 47058—2017,NB/T 47059—2017及GB/T 18442.6—2019管辖范围。二氧化碳、笑气、乙烷、三氟甲烷的沸点均高于183.15 K，不符合CGA S-1.2及CGA S-1.3标准定义的冷冻液化气体。

2 安全泄放装置的设置

安全泄放装置选用是一个综合考虑的结果，与介质的种类、容器失效模式、安全泄放装置结构及特性(设定压力、排放压力)等因素密切相关。

2.1 真空绝热低温容器失效模式

真空绝热低温容器要考虑所有可能促使内部超压的条件，从而确定保护系统的能力，例如[2]：

a)额定的容器漏热量(例如限位构件、夹层管道漏热量)；

b)备用压力控制阀无法正常开启；

c)连接高压源与内容器的线路中的其他阀；

d)泵的可能组合的重复利用；

e)以最大设备能力对工作温度下的储罐加注带液闪蒸气体；

f)真空丧失时的漏热量；

g)容器的绝热系统结构完好或部分完好，但夹层真空已丧失，且外部遭遇火灾或遭遇922 K高温。

h)容器的绝热系统结构完全损坏，且夹套外部遭遇火灾或遭遇922 K高温。

真空绝热低温容器在设计时应当将条件a)～f)任意可能产生的超压组合作为必须考虑的失效工况。

条件g)和h)为火灾失效工况，设计人员应根据容器具体运行情况决定是否考虑及考虑何种工况(g)或h))。对于充装易燃气体的真空绝热低温容器应考虑火灾失效工况；对于充装非易燃气体的移动式真空绝热低温容器由于运输过程中的场合不确定性，一般要把火灾失效作为必须考虑的工况，对于埋在地面以下充装非易燃气体的固定式真空绝热低温容器，则可以不考虑火灾工况。

为了叙述方便，本文定义a)～e)可能存在的组合为失效模式Ⅰ，f)为失效模式Ⅱ，g)和h)为失效模式Ⅲ，失效模式Ⅰ和失效模式Ⅱ即通常所说的非火灾工况。真空绝热低温容器因到达标准维持时间(从满足充装条件开始到由于热量汇集导致容器压力上升到安全泄放装置动作压力时所用的时间)出现超压泄放属于失效模式Ⅰ。

2.2 不同失效模式的安全泄放量计算

安全泄放量指容器超压时单位时间内必须排放出去的介质，通常以质量流量或体积流量来表示，是确定安全泄放装置排放面积的一个重要性能参数，相应排放压力下的安全泄放装置排放能力应大于安全泄放量。由于欧美国家安全阀排放能力标定的是试验介质(比如标准状态空气)的当量体积流量，为了选型方便，有些标准也会直接计算出当量空气体积流量。

不同失效模式下安全泄放量的计算公式不同，大部分真空绝热低温容器标准都是按CGA S-1.2或ISO 21013-3进行计算，两个标准的计算方法归纳如表2所示。CGA S-1.2给出标准空气(15 ℃，0.1 MPa)体积排量，ISO 21013-3给出的是介质质量流量，下面将ISO 21013-3中的质量流量转换成当量标准空气体积流量[3-4]。

表2 CGA S-1.2与ISO 21013-3安全泄放量计算比较

2.2.1 质量流量与当量标准空气体积流量之间的关系[5-6]

相同的安全泄放装置以不同介质来衡量排放能力时，排放面积和排放系数K相同，由GB/T 150.1附录B可建立如下关系式(下标带a的为标准空气性能参数)：

(1)

将15 ℃，0.1 MPa时空气诸参数Ca=356，Za=1.0，Ta=288.15 K，Ma=29，代入上式可得：

(2)

15 ℃，0.1 MPa时空气密度ρ=1.223 kg/m3，换算成体积流量表达式：

(3)

公式(3)即为介质质量流量与当量标准空气体积流量之间的换算关系。

2.2.2 失效模式Ⅱ工况下，CGA S-1.2与ISO 21013-3计算公式比较

根据表2可以得出，失效模式Ⅱ工况下CGA S-1.2的安全泄放量计算公式为：

(4)

将表2中此工况下ISO 21013-3安全泄放量计算公式代入式(3)可得：

(5)

在非火灾时适用的环境温度最高为55 ℃，即Ta=328.15 K，U和U1单位不同，相差系数3.6，即U=3.6U1，因此两者完全一致。

2.2.3 失效模式Ⅲ工况下，CGA S-1.2与ISO 21013-3计算公式比较

(1)失效模式Ⅲ工况下，绝热层损坏时。

此工况下CGA S-1.2安全泄放量计算公式为：

(6)

将表2中此工况下ISO 21013-3安全泄放量计算公式代入式(3)可得：

(7)

两者一致。

(2)失效模式Ⅲ工况下，绝热层完好时。

此工况下CGA S-1.2安全泄放量计算公式为：

(8)

将表2中此工况下ISO 21013-3安全泄放量计算公式代入式(3)可得：

(9)

综合以上推导分析可知，CGA S-1.2和ISO 21013-3关于不同工况下真空绝热低温容器安全泄放量的计算结果完全一致。

国内标准NB/T 47058—2017,NB/T 47059—2017及GB/T 18442.6—2019采用ISO 21013-3计算方法。CGA S-1.2对失效模式Ⅰ工况下的安全泄放量未给出计算公式。

大多数情况下，对于确定的真空绝热低温容器，失效模式Ⅰ工况下的安全泄放量最小，失效模式Ⅱ其次，失效模式Ⅲ最大；如果真空绝热低温容器配气化增压器，失效模式Ⅰ工况下的安全泄放量也可能超过失效模式Ⅱ和失效模式Ⅲ。

2.3 真空绝热低温容器安全泄放装置结构

对于承压设备，通常只考虑根据最大事故状态下的安全泄放量选择泄放装置，当出现仅部分流量必须通过泄放装置排放的轻微故障状态时，一旦介质流量不足于维持流体的流动将引起安全阀频跳(Chatter，安全阀阀瓣快速异常地来回运动，运动中阀瓣接触阀座)，从而降低其操作性能，阀的复位能力也可能受到影响。如果正常操作中上述工况反复出现，则应采用多个具有分级设定压力的尺寸较小的泄放装置，让具有最低设定压力的泄放装置就足以处理最小的事故状态，其他泄放装置在需要泄放的量增大时才动作，从而避免安全阀频跳。

如第2.1节和第2.2节所述，真空绝热低温容器引起安全泄放装置动作的失效模式较多，每一种失效模式需要的安全泄放量大小不一样，有的甚至会相差几十倍，这些失效工况可能单独发生，也可能组合出现。如果用根据失效模式Ⅲ确定的大口径安全阀来排放失效模式Ⅰ的小泄放量，安全阀在排放时有可能出现频跳。

基于以上原因，国内外标准通常都规定，只要存在真空丧失或火灾工况，则必须设置一个或多个主泄放装置并附加一个或多个辅助泄放装置。

安全阀和爆破片装置是真空绝热低温容器中主要的两种安全泄放装置，常见安全泄放装置结构有3种，如图1～3所示。

图1所示结构为2个主安全阀中间带1个三通阀(任何时候3个方向都连通)，仅适用于非火灾工况，该结构仅在标准ISO 21009-1中允许使用。

图1 不带辅助泄放装置结构示意

图2 辅助泄放装置为安全阀结构示意

图3 辅助泄放装置为爆破片结构示意

图2所示结构为两组安全泄放装置，每组包含1个主安全阀和1个辅助安全阀，中间带1个切换阀(可3个方向连通，也可两个方向连通)，常用于易燃介质的超压泄放。

图3所示结构为两组安全泄放装置，每组包含1个主安全阀和1个辅助爆破片装置，中间带1个切换阀(可3个方向连通，也可两个方向连通)，常用于火灾工况时的非易燃介质的超压泄放。

当标准要求所有组合装置共同满足排放能力时，中间的切换阀和三通阀必须时刻连通所有安全泄放装置，当标准(比如国内标准NB/T 47058—2017,NB/T 47059—2017,GB/T 18442.6—2019)要求每组安全泄放装置均能单独满足排放能力要求时，必要时(在线检验或更换)可以通过切换阀仅使一组安全泄放装置连通受压介质。

主泄放装置用于满足非火灾工况下的超压泄放。由于失效发生频率相对较高，且超压时只需泄放少量介质就可使容器压力降至正常工作压力，所以主泄放装置只能采用安全阀，不能采用非重新闭合泄放装置。

辅助泄放装置主要用于补充满足真空丧失或火灾工况下的超压泄放。在火灾工况下，泄压系统只要求将介质排放至能使压力降低到一个预先确定的安全水平所必须的量，而不要排放过多数量以免造成二次事故或更严重的危害。安全阀开启后可以回座，从而避免过多介质排放，因此可优先选择安全阀。

当然，火灾时也必须考虑由于容器材料受热导致相应的强度削弱，引起容器安全水平降低的可能性。爆破片装置能一次性排放全部介质，在较短时间内使容器压力降至零，所以对于火灾工况经常选择爆破片作为辅助泄放装置，并让爆破片尽可能延后动作(比如设定较高的爆破压力)。

火灾工况下选择安全阀还是爆破片装置作为辅助泄放装置，应权衡考虑介质泄放后的危害性、火灾规模大小及持续时间长短、设备的安全、泄放装置自身特性等因素。

2.4 真空绝热低温容器安全泄放装置设定压力和排放压力

设定压力指安全阀整定压力(开启压力)或爆破片的设计爆破压力，是一个理论值，实际动作压力应在设定压力的某一范围之内。

排放压力(泄放压力)指泄放装置动作并达到最大开启程度后被保护设备内的压力，即超过压力与动作压力之和。同一批次的产品，每个泄放装置实际排放压力可能不同，但最大值不能超过被保护设备制造标准的规定，这个最大值称之为安全泄放装置最大排放压力，即容器允许的最大积聚压力[7]。

设定压力和排放压力通常以容器的设计压力P或最大允许工作压力MAWP(有时也涉及到容器耐压试验压力PT)为基准进行确定。不同的容器制造标准对P，MAWP，PT的定义可能不同，比如很多国外标准对于真空容器的MAWP是指容器内压与真空夹套的压差，而安全泄放装置设定压力和最大排放压力是指与大气压的压差，因此两者存在0.1 MPa的差值(可参考CGA S-1.2中5.1.13和5.1.14)。

安全泄放装置设定压力和最大排放压力的确定应考虑以下几个原则。

(1)当出现失效模式Ⅰ时，仅主泄放装置动作，为了避免此工况下辅助泄放装置动作，辅助泄放装置设定压力应不小于主泄放装置的最大排放压力。

(2)当出现失效模式Ⅱ，Ⅲ时，要求所有泄放装置动作，并能保证容器内压力不超过最大排放压力。

(3)当各失效模式下的安全泄放量相差较大时，不能用较大安全泄放量确定的安全阀来排放其他失效模式的小泄放量，以避免安全阀发生频跳。

为了便于比较，将国内外标准关于真空绝热低温容器安全泄放装置的设置及性能参数要求汇总，如表3所示。

从表3可看出，除了CGA S-1.2，CGA S-1.3，ISO 21009-1,其他标准都规定：充装易燃冷冻液化气体(包括氧气)真空绝热低温容器的辅助泄放装置无论火灾与否均只能采用安全阀；非易燃冷冻液化气体(氧除外)以及氢气，辅助泄放装置可采用安全阀或爆破片装置，当需要考虑火灾工况时，采用爆破片装置作为辅助泄放装置。

从表3还可以看出，CGA S-1.2规定主安全阀设定压力不超过1.1P，且开启后应能将容器压力控制在1.2P之内。安全阀辅助泄放装置设定压力为P～0.91PT(若PT=1.3P，则相当于P～1.18P)，实际选用时辅助安全阀的设定压力应大于主安全阀设定压力，并尽量靠上限。辅助泄放装置选择爆破片时设定压力为0.87PT～PT(相当于1.13P～1.3P)，爆破片最大爆破压力可达到1.3P，但考虑到爆破压力允差，其设定压力(设计爆破压力)需相应适当降低。

泄放装置在保证设备安全的前提下尽可能在更高压力时动作，CGA S-1.2这一思路值得所有标准借鉴。以目前安全阀的技术性能水平，设定压力只要小于1.1P则基本能保证全开启时容器压力不超过1.2P，适当偏高的设定压力有利于避免安全阀过早动作或不动作(比如容器压力到达1.05P以后不再增加，则安全阀就没有必要动作了)，既可以保证设备安全，又能避免介质过多外泄。

表3 不同标准安全泄放装置结构及性能参数

ASME Ⅻ，IMDG,ADR，ISO 24021-1及CGA S-1.2选择安全阀作为辅助泄放装置时，在失效模式Ⅲ下允许容器最大积聚压力到达耐压试验压力，存在安全隐患。这主要是由于安全阀的重新闭合特性可能会出现在耐压试验压力下反复动作，从而使容器反复到达耐压试验压力。爆破片属于不可重新闭合泄放装置，开启后介质全部泄放，只要口径选择合适，爆破后容器压力不再升高，容器最多一次达到极限压力。另外，当爆破片最大爆破压力高达容器耐压试验压力时，在一些较小规模的火灾工况下，主泄放装置的动作已足以使容器积聚压力不超过爆破片的设定压力，爆破片此时不动作，从而避免过多数量介质泄放，所以爆破片比较合适作为火灾工况时的辅助泄放装置[8-11]。

CGA S-1.3，ISO 21009，NB/T 47058—2017，NB/T 47059—2017，GB/T 18442.6—2019规定主安全阀应能同时满足非火灾工况(失效模式Ⅰ和失效模式Ⅱ)下的排放要求，CGA S-1.2则规定主安全阀应能同时满足火灾工况(失效模式Ⅲ)和非火灾工况(失效模式Ⅰ和失效模式Ⅱ)下的排放要求，当这些失效模式下的安全泄放量相差较大时，设计人员要考虑如何避免安全阀产生频跳。

考虑到安全阀因冰冻等原因的失效以及泄放装置的在线检验和更换，NB/T 47058—2017，NB/T 47059—2017及GB/T 18442.6—2019要求每一个安全泄放装置能单独满足非火灾工况排放且每一组安全泄放装置能单独满足火灾工况排放。当然，由于安全阀尺寸是根据单组满足排放要求进行计算，如果泄放时两组安全泄放装置都连通且动作，则可能出现安全阀在设定压力下介质流量不足于维持流体流动的现象，从而导致安全阀频跳[12-16]。

2.5 安全泄放装置排放面积计算

安全泄放装置的设置最终要归结到尺寸(排放面积)的确定，很多标准对此有专门介绍。公式(10)为临界状态下气体排放面积计算公式，可以看出，排放面积的计算与容器要求的最大排放压力及安全泄放量密切相关，不同失效模式下，容器要求的最大排放压力和安全泄放量的计算方法不同，具体见表2，3[5]。

(10)

当安全泄放量采用当量标准空气体积流量表示时，由式(3)可得：

(11)

将式(11)代入式(10)，可得：

(12)

式(12)即为用当量空气体积排量计算排放面积的公式。

从内容器到安全泄放装置入口的排放管长度超过600 mm时，必须考虑压力降和热量损失，对泄放装置入口的排放压力和对应温度进行修正，相关修正方法可参照CGA S-1.2或CGA S-1.3。

安全阀或爆破片装置排放面积计算更加详细的内容可参考GB/T 150.1—2011附录B。

3 结语

本文参考的九大标准在安全泄放装置设置原则上基本一致，但技术要求和性能指标有所不同，这种区别主要缘于容器设计理念、容器设计标准的差异。

国际标准中，移动式真空绝热低温容器按介质的易燃(包括氧气)或非易燃(或氢气)来区分设置安全泄放装置，固定式容器不需要根据介质这一特性进行区分。国内标准中，无论移动式或固定式，均按介质是否易燃来区分安全泄放装置的设置。

除了CGAS-1.2,CGAS-1.3，ISO 21009-1，其他标准都规定:对于易燃介质不能选择爆破片作为辅助泄放装置。需要强调的是，火灾工况下辅助泄放装置为安全阀时，容器最大积聚压力应控制在不超过1.2P，不建议其达到耐压试验压力，CGA S-1.2,ASME Ⅻ,IMDG,ADR,ISO 24021-1均存在这一安全隐患。

标准编制人员应博采众标准之长，为工程设计制定科学、安全、经济的泄放装置选用依据标准。容器设计人员选用安全泄放装置时，在不违反标准规定的前提下，可权衡考虑，综合分析，力求可靠且经济。