小型固定式深冷压力容器限充装置探讨

陈 平，姬茹一

(1.广东华南特种气体研究所有限公司，广东 佛山 528000；2.机械工业上海蓝亚石化设备检测所有限公司，上海 201518)

随着社会的进步和发展，气体被广泛用于工业制造、军工及电子等领域。气体储运方式也由高压气体储运逐步向低温液化气体、冷冻液化气体储运转变。固定式真空绝热深冷压力容器(以下简称低温储罐)具有安全、介质储存量大及供气方便等特点，特别适用于冷冻液化气体的储存。

低温储罐是依据TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》[1]、GB/T 18442—2019《固定式真空绝热深冷压力容器》[2]进行设计、制造及检验的，充装介质为冷冻液化气体。低温储罐由内容器和外壳组成，内容器和外壳间形成的夹层空间为多层缠绕绝热材料或填充膨胀珍珠岩，同时放置吸附剂用于吸附残留空气和材料释放的气体[3-4]。夹层空间经抽真空处理形成真空层。内容器用于储存液氧、液氮、液氩及液化天然气等冷冻液化气体。在小型低温储罐使用过程中，普遍存在低温液化气体过量充装的现象，给整个低温储罐系统的安全运行和管理带来隐患。笔者分析了小型低温储罐的特点和使用情况，认为采用主动式限充装置更具有积极意义。

1 低温储罐额定充满率要求

对于低温储罐的额定充满率，GB/T 18442.3—2019《固定式真空绝热深冷压力容器 第3部分：设计》[5]规定，充装非易爆介质的液相体积应不大于内容器几何体积的95%，充装易爆介质的液相体积应不大于内容器几何体积的90%。同时还规定容器中应设置便于限制充装量的装置，如溢流口，这一规定有力保障了低温储罐的长期安全稳定运行。

近年来，小型低温储罐，特别是几何体积小于等于10 m3的低温储罐应用日益广泛。但在其使用过程中常出现过量充装现象，给整个低温储罐系统的安全运行和管理带来隐患。例如，几何体积为10 m3、充装介质为液氮的低温储罐，充满率可达95%，即液相空间为9.5 m3，气相空间为0.5 m3。但在充液过程中，0.5 m3的气相空间内往往完全充满液体。由于液体不可压缩，而液氮气液体积比为643(即1 m3液氮可以气化为643 m3氮气)，低温储罐内较小的气相空间会导致储罐异常超压，特别是低温储罐真空保温性能下降后，更容易导致储罐压力过高而使储罐内容器处于不安全状态[6-7]。若充装介质为液化天然气，充装时容易产生液体翻滚沸腾现象[8]，更易导致内容器异常超压，严重的会发生爆炸。几何体积为3 m3、5 m3的低温储罐，更容易发生过量充装现象。

2019-02，国家市场监督管理总局办公厅发布的市监特设函[2019]195号《市场监管总局办公厅关于规范压力容器安全技术有关要求的通知》[9]中规定，制造单位应对几何体积小于等于10 m3的固定式深冷压力容器配装限充装置。故对于小型低温储罐，装配限充装置极为重要。

2 低温储罐限充装置结构

固定式深冷压力容器的进料充装方式包括底部充装和顶部充装[10]，限充装置包括被动式限充和主动式限充，用户可根据具体需要选择进料充装和限充方式。

2.1 被动式限充装置

以往大多采用溢流阀来防止低温液体储罐过量充装。向容器内充装冷冻液化气体时，将溢流阀打开，当充装液面到达额定充满率液面时，液体经溢流阀向外排液，表示液体充装到位。溢流阀限充装置的缺点在于，在液体充装后期容器要一直向外排气，直至喷液，且溢流阀设计口径为DN10～DN20 mm，而充装口直径为DN40～DN50 mm，在达到额定充满率时，容器实际已处于过充状态。溢流阀是一种被动防过充装置，若充装人员不按规定操作或操作疏忽，更易造成内容器液体过充。考虑经济利益，实际使用中过充的冷冻液化气体基本不会从溢流阀排出，小型低温储罐过量充装现象普遍。

2.2 主动式限充装置

2.2.1内装式浮球凸轮限充装置

内装式浮球凸轮限充装置适用于新建低温储罐的限充，其结构及工作原理见图1。

图1 内装式浮球凸轮限充装置结构及工作原理示图

内装式浮球凸轮限充装置的特点和功能是，通过浮球凸轮机构、密封球的自重以及流体的冲击使密封球顶起和落下，从而完成正常充液、逐步减小通径减慢充装速度、最终封闭充液通道的限充过程。当充装液位没有到达浮球位置时，凸轮是将密封球顶起的，此时液体充装可以在全管径通道内正常进行。当液位到达浮球位置时，由于浮力的作用，浮球带动凸轮机构开始转动，在密封球的自重以及流体的共同作用力下，浮球逐步下沉，介质流通通道逐渐减小，充液速度渐渐放慢。当浮球到达要求的最高液位时，浮球将充液通道关闭，从而起到防止低温液体过充的作用。装置中设置的喷淋管有利于将汽化的饱和蒸汽再次液化，从而降低储罐的充装压力。内装式浮球凸轮限充装置仅限于采用顶部充装方式时的限充。

内装式浮球凸轮限充装置整体采用奥氏体304不锈钢制造，具有良好、稳定的低温力学性能。设计此装置时需要对浮球进行外压校核，使浮球在使用过程中不会在外压压力波下失稳[11]。同时需计算浮球的重量、体积，使浮球所受到的浮力F浮大于浮球的重量G球。

根据球壳小变形理论[12]，浮球临界弹性失稳压力计算公式为：

(1)

其中

p=1.1(ps+0.1)

式中，δn为浮球计算壁厚，R为浮球球体半径，mm；p为浮球临界弹性失稳压力，ps为储罐最高工作压力，E为材料的弹性模量，取E=195 GPa；μ为泊松比，取μ=0.3 。

基于F浮>G球来校核浮球的浮力，即：

F浮=ρgV球体>G球=ρ球gV

(2)

式中，ρ为液体密度，ρ球为球体金属密度，kg/m3；V球体为球体体积，V为球体金属体积，m3；g为重力加速度，约 9.8 m/s2。

联立式(1)～式(2)，即可确定浮球的球体半径R及最小计算厚度δn。

2.2.2外装式差压变送器控制气动阀限充装置

外装式差压变送器控制气动阀限充装置适用于新建或者加装低温储罐的限充，其系统结构示意图见图2。

图2中a为椭圆半长轴尺寸，b为椭圆半短轴尺寸，h为封头直边，y为液面到达标准椭圆形上封头的顶部距离，L为筒节长，∑L为内筒总长，m；V1为下封头体积，V2为筒节体积，V3为上封头体积，m3；Δp为液位压差，MPa。

图2 外装式差压变送器控制气动阀限充装置系统结构示图

外装式差压变送器控制气动阀限充装置的结构特点和功能是，差压变送器将4～20 mA的直流电信号传给控制系统，通过控制系统作用于声光报警机构、液位远传机构及气动紧急切断阀机构执行限充。当液位到达内容器额定充满率80%的液位时，系统发出声光报警。当液位到达内容器额定充满率液位时，控制系统驱动气动紧急切断阀关闭充装管路，停止充装。使用时也可以通过差压变送器的GPRS/4G模块，在互联网或手机APP上实现内容器瞬间液位的远程查询及液位记录等功能。

选用较高精度的差压变送器是准确换算内容器液位的前提，液位换算关系如下：

V1=2πa2b/3
V2=πa2(L+2h)
V3=2πa2b/3
∑V=V1+V2+V3=πa2(4b/3+L+2h)

假设液面到达标准椭圆形上封头的顶部距离为y，此时充装率为90%，则有：

A(y)= πx2= πa2[1-(y-b)2/b2]

取体积微元dV=A(y)dy=πx2dy，则剩余10%的气相空间体积V(y)为：

即：

0.10∑V=πa2[y2/b-y3/(3b2)]=
0.1πa2(4b/3+L+2h)

(3)

对于确定的内容器结构，a、b、L、h均为已知，根据式(3)可求出y值，∑L-y即为液位高度。

液位压差计算公式为：

Δp=ρg(∑L-y)

(4)

由式(4)可以建立起Δp与y的对应关系，Δp通过差压变送器采集，由此控制电控系统执行充装操作。

外装式差压变送器控制气动阀限充装置集成了限充功能、液位远程记录查询功能，便于存量低温储罐的限充改造。外装式差压变送器控制气动阀限充装置可用于底部和顶部充装时的限充。

3 结语

采用被动式溢流阀装置防止小型低温储罐过量充装的效果不够理想，对2种主动式防过充装置进行了分析介绍。内装式浮球凸轮限充装置采用球体密封结构，结构简单，制作、安装方便，液位越高充装速度越慢，充装液位到达设定液位时，液体不能充进低温储罐，但因浮球设置在容器内，维修有一定的难度。外装式差压变送器控制气动阀限充装置采用差压液位计采集信号，通过PLC电路模块控制紧急切断阀防止过充，系统集成较为繁琐，但维修更方便。笔者认为，在实际应用中，应根据小型低温储罐的使用情况，合理选用主动式防过充装置。在国家有关部门强调小型低温储罐需设置限充装置的情况下，希望能有更多、更完善的限充方案得到有效应用，以维护小型低温储罐的安全稳定运行。