GB 150.1—2011 附錄 B 公式(B.3)與(B.4)使用條件探析

吳全龍，陳朝暉

(1.上海華理安全裝備有限公司，上海 201108;2.全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會，北京 100029)

0 引言

GB 150.1—2011《壓力容器》(以下簡稱GB150.1)附錄 B［1］對壓力容器在幾種常見工況下超壓安全泄放量的確定給出了計(jì)算公式，其中公式(B.3)和(B.4)是用來計(jì)算火災(zāi)時盛裝液化氣體的壓力容器安全泄放量，兩個公式的區(qū)別僅在于是否有完整的隔熱保護(hù)層。目前國內(nèi)的其他一些承壓設(shè)備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，例如GB 18564.1—2006《道路運(yùn)輸液體危險(xiǎn)貨物罐式車輛 第1部分:金屬常壓罐體技術(shù)要求》、JB/T4782—2007《液體危險(xiǎn)貨物罐式集裝箱》、GB/T 19905—2005《液化氣體運(yùn)輸車》、TSG D0001—2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程——工業(yè)管道》等，對于盛裝液化氣體的承壓設(shè)備，在進(jìn)行火災(zāi)工況安全泄放量計(jì)算時，也均是采用這兩個公式。

筆者在與很多工程設(shè)計(jì)人員交流后發(fā)現(xiàn)，大部分人在涉及到盛裝液化氣體的承壓設(shè)備火災(zāi)工況安全泄放量計(jì)算時都是采用這兩個公式，但往往忽略其使用的邊界條件，這樣做可能存在安全隱患。文中通過對比研究GB 150.1—2011附錄B與API Std 521—2007《Pressure－Relieving and Depressuring Systems》［2］關(guān)于盛裝液化氣體的壓力容器在火災(zāi)工況安全泄放量計(jì)算，并分析API Std 521—2007中容器濕潤表面吸熱量公式的來源，給出了GB 150.1附錄 B中公式(B.3)和(B.4)的使用邊界條件。關(guān)于這一點(diǎn)，現(xiàn)行版的GB 150.1附錄B中雖未作出詳細(xì)的說明，但工程設(shè)計(jì)人員在計(jì)算時應(yīng)該加以注意，筆者也建議在今后版本或編制說明中能加以解釋，以免誤用。

1 GB 150.1附錄 B與API Std 521—2007關(guān)于容器濕潤表面吸熱量計(jì)算的對比

為了保護(hù)盛裝液化氣體壓力容器在火災(zāi)工況下的安全，要求容器在火災(zāi)超壓時能把因吸熱產(chǎn)生的蒸汽及時排放出去，而這可以通過計(jì)算出容器在受熱時濕潤表面吸收的熱量，然后用吸熱量除以液體介質(zhì)的汽化潛熱求得。

從 GB 150.1 附錄 B 公式(B.3)可知［1］:

式中 Ws——容器的安全泄放量，kg/h

F——環(huán)境系數(shù)

Ar——容器受熱面積，m2

q——在泄放壓力下液體的汽化潛熱，kJ/kg

從而可求得，容器吸熱量Q1為:

式中 Q1——容器受熱表面吸熱量，kJ/h

API Std 521—2007中容器濕潤表面吸熱量計(jì)算公式為［2］:

式中 Q——容器濕潤表面吸熱量，Btu/h

F——環(huán)境系數(shù)

Aws——容器濕潤面積，ft2

經(jīng)轉(zhuǎn)換可知，式(2)和式(3)僅僅是單位不一樣，兩者是等效的［3］。需要說明的是，GB 150.1附錄B中采用受熱面積來計(jì)算吸熱量比API Std 521—2007 采用濕潤面積計(jì)算偏保守［4－5］。

由此可見，GB 150.1附錄B中關(guān)于火災(zāi)工況盛裝液化氣體壓力容器的安全泄放量計(jì)算公式應(yīng)該是來源于 API Std 521—2007。因此，找到了API Std 521—2007中對式(3)的邊界條件，也即找到了 GB 150.1附錄 B 公式(B.3)和(B.4)的邊界條件。

2 API Std 521—2007中容器濕潤表面吸熱量計(jì)算公式使用條件

2.1 API Std 521—2007中容器濕潤表面吸熱量計(jì)算公式推導(dǎo)過程

早在1928年，美國國家防火協(xié)會(NFPA)就要求美國石油學(xué)會(API)對一系列儲罐容積推薦一個火災(zāi)時的最小緊急泄放量表。后來又發(fā)現(xiàn)罐的容積并非估算火災(zāi)時的最小緊急泄放量的最佳依據(jù)，因?yàn)槲鼰崃繋缀跬耆珌碜晕諢彷椛?，而這又主要決定于罐體所暴露的面積。而且因?yàn)樵S多罐是大罐，又根本不太可能完全被火包圍，即容器的面積越大，完全暴露在輻射中的可能性越小。換句話說，罐殼的表面積越大，來自火源的平均單位吸熱量就越小。1983年，Heller［6］利用當(dāng)時明火試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)(見表1，為了保持與引文的一致性，本節(jié)引用的圖表各參數(shù)單位仍使用引文中的單位)提出了一個確定熱吸收率的公式，該公式目前仍被API Std 521—2007所引用，即文中式(3)。

表1中9組試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明，液體燃料吸熱量要大于氣體燃料吸熱量。從Heller在其論文［6］中對式(3)的推導(dǎo)過程也可以看出，該公式是基于表1中9組試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過數(shù)學(xué)方法擬合出來的，并從擬合曲線中找出濕潤面積100%暴露在液體燃料下的最大平均熱吸收率為34500 Btu/h·ft2(109 kW/m2)，該數(shù)值即為式(3)中系數(shù)。因此，式(3)僅適用于最大濕潤表面平均熱吸收率小于34500 Btu/h·ft2(109 kW/m2)的火災(zāi)工況。在某些嚴(yán)重火災(zāi)工況下，比如在部分密閉或全密閉空間內(nèi)火災(zāi)，或容器遭受噴火(Jet fire)工況下，其最大濕潤表面平均熱吸收率甚至可能達(dá)到300 kW/m2，此時如仍采用式(3)，則可能會極大低估所需要的安全泄放量，從而導(dǎo)致容器來不及泄放，發(fā)生爆炸事故［6－7］。

表1 在明火試驗(yàn)中熱吸收率的比較

2.2 API Std 521—2007關(guān)于外部火災(zāi)工況容器吸熱量相關(guān)規(guī)定與早期版本異同比較

API 521早期的版本在計(jì)算火災(zāi)時容器濕潤表面吸熱量對適用條件的要求較低，僅僅是提醒其吸熱量是受著火燃料類型、火焰包圍程度以及防火措施的影響。但近年來的試驗(yàn)研究表明，在某些嚴(yán)重火災(zāi)工況下根據(jù)API 521中公式計(jì)算出來的安全泄放量有時并不能保證容器介質(zhì)的及時排放，甚至導(dǎo)致安全事故。正是基于此，2007版API 521有了新的提法，即對火災(zāi)類型有了更加明確的限制。

早期版本是用來計(jì)算“External fire”下的安全泄放量，而2007版則將5.15標(biāo)題中明確規(guī)定為“External pool fire”，也即5.15章節(jié)中內(nèi)容僅適用于外部油池火災(zāi)時容器濕潤表面吸熱量的計(jì)算，這是一個很重要的變化。同時2007版還新增加了5.16章節(jié)“Jet fire”這一小節(jié)的內(nèi)容。在5.16章節(jié)中明確指出任何易燃介質(zhì)在存在較高壓力狀態(tài)下泄漏燃燒時均有可能產(chǎn)生噴射火焰，噴射火焰可能導(dǎo)致容器局部吸熱量會到達(dá)94500 Btu/h·ft2(300 kW/m2)，這不僅會引起泄放裝置失效，同時還可能在很短時間內(nèi)由于容器壁溫急劇升高導(dǎo)致容器材料性能的破壞，從而使容器在壓力較低的情況下發(fā)生失效，因此5.15章節(jié)中吸熱量計(jì)算公式不適應(yīng)于噴射火災(zāi)工況。

2.3 API Std 521—2007關(guān)于外部火災(zāi)工況容器吸熱量計(jì)算公式適應(yīng)條件

API Std 521—2007 在 5.15.2.2 中給出了容器濕潤表面吸熱量計(jì)算公式，即文中的式(3)，從API Std 521—2007條款 5.15.2及以上分析可得出以下結(jié)論:

(1)公式用來計(jì)算在部分封閉或全封閉空間(比如建筑物內(nèi)、海上作業(yè)平臺)內(nèi)火災(zāi)時的安全泄放量可能存在低估;

(2)常壓工作下的罐體應(yīng)按API Std 2000—1998中規(guī)定進(jìn)行計(jì)算;

(3)公式適用于計(jì)算在開放空間火災(zāi)下(open fire)的安全泄放量，而且與燃料類型和火災(zāi)程度有關(guān)。

(4)公式不適應(yīng)于噴射火焰;

2.4 美國石油協(xié)會對油池火及噴射火下吸熱量的試驗(yàn)驗(yàn)證

美國石油協(xié)會(Institute of Petroleum)在其頒布的2003版《Guidelines for the design and protection of pressure systems to withstand severe fires》中將容器可能受到的火災(zāi)分為四大類，即:

(1)敞開式油池火(open pool fires);

(2)受限油池火(confined pool fires);

(3)敞開式噴射火(open jet fires);

(4)受限噴射火(confined jet fires)。

導(dǎo)則中給出了4種火災(zāi)工況下的吸熱量的大概分布范圍，如表2所示，并在1，3兩種火災(zāi)工況下利用LPG罐車進(jìn)行了試驗(yàn)，測得其濕潤表面最大平均熱吸收率如表2所示。

表2 4種火災(zāi)工況比較

需要特別提出的是，在對充裝了85%的丙烷罐進(jìn)行噴射火試驗(yàn)時，由于其安全閥泄放量是根據(jù)文中的式(3)來確定尺寸的，結(jié)果安全閥未正常開啟，且開啟后容器內(nèi)壓力繼續(xù)升高，并最終使罐體爆炸了。這也證明了在噴射火災(zāi)中根據(jù)API Std 521—2007計(jì)算出來的安全泄放量偏小，可能會導(dǎo)致事故［8－10］。

因此，結(jié)合式(3)推導(dǎo)過程及表2數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，對密閉空間的油池火如通風(fēng)受到限制及噴射火，式(3)是不適用的，關(guān)于這些工況下安全泄放量的計(jì)算可參考文獻(xiàn)［8］。

3 GB 150.1附錄B中公式(B.4)完整隔熱層的定義

為了減少容器在火災(zāi)受熱時需要的安全泄放量，通常會給容器設(shè)置隔熱保護(hù)層來降低火焰熱量輸入。GB 150.1附錄B中公式(B.4)可用來計(jì)算帶隔熱保護(hù)層容器在火災(zāi)工況的安全泄放量，即:

式中 t——泄放壓力下介質(zhì)的飽和溫度，℃

λ——常 溫 下 隔 熱 層 導(dǎo) 熱 系 數(shù)，kJ/(m·h·℃)

δ——隔熱層厚度，m

且將以上公式限定在有完整隔熱保護(hù)層(例如在火災(zāi)條件下，保護(hù)層不被破壞)下使用。

通過 GB 150.1 附錄 B 公式(B.3)和(B.4)，可求得:

式中 k——泄放溫度與火焰最高溫度平均值下的隔熱材料導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)

Tf——泄放狀態(tài)下容器內(nèi)介質(zhì)溫度，℃同時還規(guī)定設(shè)計(jì)人員在使用該公式時應(yīng)該確認(rèn)隔熱材料(即保溫層)的任何部位在火災(zāi)情況下的完整性，即將隔熱材料在火災(zāi)中溫度升高到904℃，火災(zāi)時間長達(dá)2 h時仍起效用，且應(yīng)該確保隔熱層在經(jīng)受了消防的高壓水流沖擊后，仍不致脫落。

為了便于比較，將兩者統(tǒng)一單位，并歸納如表3所示。

API 521中計(jì)算帶外部隔熱系統(tǒng)的容器火災(zāi)下吸熱量仍是采用文中式(3)，此時環(huán)境系數(shù)為:

表3 帶隔熱層時環(huán)境系數(shù)比較

通過表3可以看出，兩個公式區(qū)別僅在于公式的系數(shù)、火焰溫度的定義和保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)的取值。由于公式形式相近，筆者認(rèn)為，公式(B.4)應(yīng)該是API Std 521—2007標(biāo)準(zhǔn)中公式的修正。需要注意的是，隔熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)一般是隨著溫度的升高而增大的，數(shù)據(jù)表明，泄放溫度與火焰溫度平均溫度下的導(dǎo)熱系數(shù)可能會達(dá)到常溫下導(dǎo)熱系數(shù)的3倍左右［11］。綜合以上因素，設(shè)計(jì)人員在采用GB 150.1附錄B中公式(B.4)計(jì)算安全泄放量時除了要滿足(B.3)需要滿足的條件外，同時還應(yīng)該確認(rèn)隔熱層的隔熱材料在火災(zāi)中溫度升高到650℃，火災(zāi)時間長達(dá)2 h時仍起效用。

4 結(jié)論

通過以上分析可知，GB 150.1附錄 B中(B.3)及(B.4)兩個公式在使用時是受條件限制的，并不適用于任何火災(zāi)工況下安全泄放量的計(jì)算，與火災(zāi)類型、通風(fēng)條件、著火空間等條件有很大關(guān)系。公式僅適用于通風(fēng)條件良好、敞開空間著火(密閉則需燃料可控)的油池火災(zāi)，更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f，僅適用于最大平均熱吸收率小于34500 Btu/h·ft2(110 kW/h)的火災(zāi)工況(該值的計(jì)算可參考文獻(xiàn)［6］)。使用公式(B.4)時，還應(yīng)該確認(rèn)隔熱層的隔熱材料在火災(zāi)中溫度升高到650℃，火災(zāi)時間長達(dá)2 h時仍起效用。

［1］ GB 150.1—2011，壓力容器［S］.

［2］ API Std 521—2007，Pressure－Relieving and Depressuring Systems［S］.

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