李 岳，张兴和，才 胜，王振伟，温殿江
（1.大连理工大学 化工机械与安全学院，辽宁 大连 116011；
2.大连度达理工安全系统有限公司，辽宁大连 116620；
3.大连理工安全技术与控制工程研究中心有限公司，辽宁大连 116620）
液化气分为低压液化气、高压液化气和冷冻液化气 （Refrigerated Liquid gas或 Cryogenic Liquid），这3种液化气的储存压力与其临界温度密切相关。低压液化气的临界温度tc通常高于70℃，常见低压液化气主要有液氨、液氯、液化丙烯等，这类气体施加较低的压力就可以在常温下实现液化。高压液化气临界温度tc小于等于70℃，常见的高压液化气有乙烯（tc=12℃)、二氧化碳（tc=31℃)等，对这类气体需要施加较高压力才能在常温下液化，高压液化气储罐内介质为气液并存、以液体为主状态。冷冻液化气的临界温度低于-50℃，常见的冷冻液化气主要有液氢、液氧、液氮及液体甲烷等，此类液化气体大多采用常压下深冷工艺实现液化，储罐也大多采用真空粉末绝热或真空多层绝热，设计温度在-150℃以下[1-3]。液化气体的一个显著特点是，当使用过程中的环境温度高于介质临界温度 （对无隔热储罐）或者低温储罐隔热层损坏而发生漏热（对真空绝热储罐）时，罐内液化介质会迅速汽化，罐内压力随之急速升高。因此，储罐设计参数选取事关安全生产[4-8]。
文中以低压液化丙烯储罐的设计参数确定为例，从合理性考虑角度讨论液化气储罐设计参数的选取，并重点比较了API 520—2014《Sizing,Selection, and Installation of Pressure-relieving Devices》[9]和 GB/T 150.1—2011《压力容器 第一部分 通用要求》[10]在确定爆破片与安全阀泄压装置的动作压力、容器设计压力及泄放压力的异同点。
TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》[11]（以下简称新版《容规》）的 3.1.9 节规定，常温液化气体储罐的设计压力以规定温度下的工作压力为基础确定，并且注明设计压力指储罐顶部的最高压力，其值不低于工作压力。对临界温度大于等于50℃的情况，新版《容规》中进一步明确，其规定温度下的工作压力为液化介质在50℃时的饱和蒸气压。丙烯临界温度为92℃，其在 50℃时的饱和蒸汽压为 2.06 MPa[12]。因此，无保冷设施的液化丙烯气储罐的设计压力取为2.06 MPa较合理。
目前还能见到一些单位设计液化丙烯储罐时，将储罐的设计压力取为2.16 MPa。一些设计者认为其设计依据自1999出版的 《压力容器安全技术监察规程》[13]（简称 99 版 《容规》）。99 版《容规》第36条的表3-3中给出的移动式液化丙烯罐体的设计压力为2.16 MPa。尽管笔者不了解为何99版《容规》将移动式液化丙烯储罐的设计压力取为2.16 MPa，但是在新版《容规》实施之后依然将固定式液化丙烯储罐的设计压力取为2.16 MPa就缺乏合理性了，毕竟设计压力高的结果，不仅会增加制造成本，而且气密检验时也容易泄漏。
笔者猜测，目前仍然将固定式液化丙烯储罐的设计压力取为2.16 MPa的设计依据可能来自GB/T 150.1—2011。
GB/T 150.1—2011 规定，安装安全阀泄压装置的压力容器的设计压力可取为工作压力的1.05～1.1倍。按此规定，设计温度50℃的液化丙烯储罐的设计压力最小可取为1.05×2.06≈2.16（MPa）。
新版《容规》规定，对盛装介质为极度、高度危害，或设计上不允许有微量泄漏的压力容器必须进行气密检验，气密检验压力为容器的设计压力，气密检验时应将容器安全附件装备齐全。丙烯是易燃、易爆的危险介质，按照新版《容规》规定，液化丙烯储罐应进行气密检验，而且气密检验压力定为2.06 MPa（丙烯储罐设计压力）较合理。如果将液化丙烯储罐设计压力取为2.16 MPa，尽管设计压力只增加了0.1 MPa，但对大型球罐而言，相应的设计壁板厚度可能明显增加。此外，设计压力的增加对安全阀整定压力、球罐最大允许工作压力也都有较大影响。
据了解，目前一些需要做气密检验的储罐，由于设计压力定值不合理，在安装泄压附件后，发生了泄漏或破坏导致的气密检验不合格。为了让这些储罐通过气密检验，工程上往往将泄压装置取下，用盲板将泄压口堵上再进行气密试验。这种做法不仅造成了实际操作与新版《容规》中的规定不一致，泄压装置的泄漏也给储罐运行带来了一定的风险。
GB/T 150.1—2011规定的容器最大允许工作压力（MAWP），是根据容器有效厚度计算出来的（通常大于容器设计压力）。而新版 《容规》中规定，对进行气密检验的容器，必须提供容器的最大允许工作压力，并且安全泄压装置的动作压力应不大于容器的最大允许工作压力。
对于设计了安全阀泄压装置的储罐，为保证气密检验时安全阀不漏，安全阀的动作压力（又称整定压力）必须合理。GB/T 12243—2005《弹簧直接载荷式安全阀》[14]规定，安全阀气密试验压力为其整定压力的90%，在该压力下检漏时安全阀的泄漏率必须满足标准要求。如果液化丙烯储罐设计压力为2.06 MPa，则气密检验压力也为2.06 MPa，为保证安全阀气密检验合格，安全阀整定压力至少为2.27 MPa，由此可确定丙烯储罐的最大允许工作压力至少为2.27 MPa，水压试验压力为2.84 MPa。如果液化丙烯储罐设计压力取2.16 MPa，则储罐最大允许工作压力为2.4 MPa，水压试验压力为3.0 MPa。
4.1 安全阀动作压力
对各种工况下安全阀泄压装置的动作压力，GB/T 150.1—2011附录B中有明确规定，加之安全阀的动作压力具有唯一性，在使用中疑问较少。此外，GB/T 150.1—2011对安全阀动作压力的规定与API 520—2014相同。
但对爆破片泄压装置的动作压力规定，API 520—2014与GB/T 150.1—2011则存在着一些差别，下面重点讨论一下爆破片泄压装置的设计参数。
4.2 爆破片动作压力
爆破片与安全阀动作原理不同。爆破片是不可重复使用的，设备内压力达到设定爆破压力范围内任意值，爆破片随时可能发生爆破泄压，无法重新关闭。安全阀动作压力有唯一确定的值，爆破片的动作压力则不同。爆破片的动作压力是一个规定的范围，压力达到规定范围内任意值即发生爆破泄压，而且同一批次生产的多个爆破片发生爆破泄压时的动作压力都略有差别。按GB/T 567.1—2012《爆破片安全装置 第1部分：基本要求》[15]中规定，爆破片标定爆破压力为给定爆破温度下一批产品随机抽样各件的爆破压力算数平均值。当产品给定制造范围时，可按制造范围计算出标定爆破压力的允许最大与最小值，抽样爆破压力平均值落在制造范围内即可，同时要求参与抽样检查的爆破片的爆破允差满足相应标准要求。当不考虑制造范围（制造范围为0），只有爆破允差时，其标定爆破压力即为设计（或指定）爆破压力。对设计爆破压力大于等于0.3 MPa，参与抽样检查的爆破片的爆破压力均应在设计爆破压力的±5%范围内，则标定爆破压力的最大与最小值也在设计爆破压力的±5%范围内。
由于爆破片泄压装置是不可重复使用的一次性泄压装置，在使用时必须考虑所选择类型爆破片的允许操作压力比 （操作压力比为容器工作压力与爆破片最小允许爆破压力之比），操作压力比必须满足相关规范的要求，否则过高的操作压力会极大缩短爆破片使用寿命，使生产过程无法连续进行。
既然爆破片的动作压力是一个范围，不是一个确定值，而容器的设计压力或最大允许工作压力又是一个确定值，因此有必要对API 520—2014和GB/T 150.1—2011中有关爆破片动作压力的规定进行比较。
4.2.1 API 520—2014中爆破片动作压力规定
API 520—2014中爆破片的动作压力定义为爆破片标定爆破压力的最大允许值 （简称最大允许标定爆破压力），并规定爆破片最大允许标定爆破压力不大于容器的最大允许工作压力（如果有）或容器设计压力（对单一泄压装置而言）。按此规定，保爆破片最大标定爆破压力不会大于容器许用压力。
4.2.2 GB/T150.1—2011中爆破片动作压力规定
GB/T 150.1—2011中将爆破片的动作压力定义为爆破片设计爆破压力 （一个确定参数），规定爆破片动作压力不大于容器设计压力 （对单一泄压装置而言）。即是说，如果爆破片设计爆破压力确定了，则考虑爆破允差（不同压力值的允差不相同）、制造范围等因素。按照此规定确定的爆破片最大标定爆破压力容易超过容器许用压力 （设计压力）。
4.3 API 520—2014中泄压装置动作压力及泄放压力确定
4.3.1 当泄压装置动作压力参照容器最大允许工作压力确定时
（1）对容器安装单一泄压装置时，泄放装置的动作压力不大于容器最大允许工作压力。非火灾超压工况下，泄放压力为容器最大允许工作压力+允许超压限(10%)（绝压）。泄放压力指设备安全泄放面积计算公式中用到的压力。
（2）对容器安装多个泄压装置时，第一个泄压装置的动作压力不大于容器最大允许工作压力，其他泄压装置的动作压力为1.05倍容器最大允许工作压力。对非火灾超压工况，此设备安装的各泄压装置的泄放压力均为容器最大允许工作压力+ 允许超压限（16%）（绝压）。
（3）考虑容器遇到外来火灾或接近无法预知的外来热源引起的超压时，容器超压上限应不大于容器最大允许工作压力的21%。当所安装的泄压装置的泄压能力不足以同时满足上述第（1）条和第(2)条中非火灾工况引起的超压和火灾（热源）引起的超压而需要增加辅助泄压装置时，增加的辅助泄压装置的动作压力取为容器最大允许工作压力的1.1倍 （此辅助泄压装置只考虑火灾或热源引起的超压泄放）。
当设备的超压是热源（火灾）引起时，泄压装置的动作压力同上述规定，泄放压力均为容器最大允许工作压力+允许超压限（21%）（绝压）。
4.3.2 当规定泄压装置动作压力小于容器最大允许工作压力时
各种条件下泄压装置的泄放压力计算式均为：泄放压力=泄放装置动作压力+允许超压限+容器最大允许工作压力与泄压装置动作压力之差(绝压)。即是说，不管规定泄压装置的动作压力比容器最大允许工作压力小多少，但进行安全泄放面积计算时，公式中的泄放压力与泄压装置动作压力无关，只与容器许用压力有关，这个规定与我国一些设计规范的规定不一致。
（1）对需要做气密试验的液化气储罐，应当按照新版《容规》规定，充分考虑安全阀的气密性，在保证《容规》要求基础上，尽量降低储罐设计压力，这样也降低了安全气密检验要求。按照新版 《容规》规定需要气密检验的容器，应按照容器最大允许工作压力进行设计制造，而最大允许工作压力应以安全阀气密试验规定为基础进行合理确定，这样不仅满足设备安全要求，也可降低设备的制造成本。
（2）对超压泄放装置各参数确定，应按相应标准的规定执行。作为与容器设计密切相关的泄压装置动作压力，比较API 520—2014和GB/T 150.1—2011对动作压力的定义可以看出，两者对安全阀动作压力定义基本相同，但对爆破片动作压力的定义却有较大区别。API 520—2014考虑了爆破片动作压力是一个范围值，选取最大允许标定压力作为爆破片动作压力，规定容器最大允许工作压力不低于爆破片最大允许标定爆破压力。GB/T 150.1—2011中以爆破片设计爆破压力为爆破片动作压力，是最大与最小允许标定爆破压力的平均值，尽管两种定义对容器设计影响较小，但在理论上，API 520—2014的定义更加合理，真正保证了泄压装置的动作压力不大于容器设计压力。而GB/T 150.1—2011的规定就无法保证，对爆破压力偏上限的产品，其实际爆破压力就可能大于容器设计压力。
（3）建议在修订 GB/T 150.1—2011时，增加各种工况下泄压装置的泄放压力计算实例，以避免设计者对计算参数理解不充分而错误使用的情况发生。
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