承壓設(shè)備壓力風(fēng)險(xiǎn)性評價(jià)

在許多生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生壓力或出現(xiàn)真空。正常情況下，這些壓力或真空環(huán)境是安全的，但是一旦出現(xiàn)異常，這些壓力或真空環(huán)境通常會造成損害，給生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)造成損失，在最壞的情況下，還可能危及到人的生命安全。鑒于此，在對壓力容器制定安全防護(hù)措施時(shí)，一些重要因素必須考慮。

圖1：由真空（左側(cè)）和超壓引起的罐體損壞

在密閉系統(tǒng)中，可靠的壓力保障是生產(chǎn)平穩(wěn)安全運(yùn)行的前提條件。當(dāng)所用的開關(guān)和控制元件失靈或不可預(yù)見的過程變化發(fā)生時(shí)，安全裝置通常是容器和管路的最后一道防護(hù)。尤其是在低壓范圍內(nèi)，這種危險(xiǎn)通常會被低估或者沒有對其做出正確的評價(jià)，從而造成不必要的損失。

承壓系統(tǒng)所要求具備的安全措施及安全避險(xiǎn)方面的法律規(guī)定見表1所示，它要求所有操作人員必須嚴(yán)格遵守。該要求是依據(jù)歐洲承壓設(shè)備檢測認(rèn)證指南（2014/68/EU）的相關(guān)規(guī)定制定的?！霸撝改线m用于壓力容器及其相關(guān)組件的設(shè)計(jì)、制造及合格性評價(jià)，其最大允許壓力可比歐洲承壓設(shè)備檢測認(rèn)證指南2014/68/EU以及歐盟各成員國于2014年5月15日召開的關(guān)于市場上銷售的壓力設(shè)備法律協(xié)調(diào)會上所確定的承壓設(shè)備壓力高0.5 bar”。其中所說的壓力設(shè)備包括壓力罐、管道、安全附件及保壓設(shè)備。安全閥必須依據(jù)壓力設(shè)備檢測認(rèn)證指南的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行鑒定，鑒定合格后鉛封CE標(biāo)簽。真空閥不包含在壓力設(shè)備檢測認(rèn)證指南范圍內(nèi)。

表1：承壓設(shè)備安全措施法律依據(jù)

在生產(chǎn)過程的不同操作環(huán)境中由于各種原因既可能出現(xiàn)壓力的增加，也可能產(chǎn)生真空狀態(tài)。此類案例很多，啤酒灌裝過程中的清酒罐或其它儲罐倒空過程中就會出現(xiàn)真空，為了防止形成真空而使儲罐變形，在儲罐倒空過程中，壓力的補(bǔ)償是必需的，必須以可控的方式往儲罐中補(bǔ)充一定量的氣體。儲罐倒空后，罐內(nèi)會充有CO2氣體，此時(shí)可用堿性溶液對儲罐進(jìn)行刷洗。隨著堿性溶液對CO2氣體的吸收，CO2氣體體積降低，這時(shí)就可能形成真空環(huán)境。在清洗過程或者儲罐填充液體過量時(shí)，儲罐安全防護(hù)系統(tǒng)中的無菌空氣過濾器會受潮，從而堵塞過濾器，中斷氣體的流入，這時(shí)易在罐中形成真空。在對罐進(jìn)行熱清洗時(shí)，熱膨脹可以造成儲罐超壓。在對罐冷卻時(shí)，由于冷卻工藝及氣體體積的降低，可能在罐中產(chǎn)生真空。當(dāng)熱清洗完成后，立即用冷水進(jìn)行沖洗，這時(shí)會在罐中突然形成真空環(huán)境。

另外，啤酒發(fā)酵過程中會產(chǎn)生CO2氣體，隨著CO2氣體的增加，發(fā)酵罐壓力增高，此時(shí)必須將發(fā)酵罐中的氣體排出，以阻止發(fā)酵罐中壓力聚集超壓。除了安全性能外，由于當(dāng)前在高溫和壓力下所進(jìn)行的二次發(fā)酵被縮短，此時(shí)的壓力控制更具有重要的商業(yè)意義。在用CO2氣體對儲罐背壓時(shí)，如果減壓器的功能受到影響，就會出現(xiàn)壓力的增高。

如果閥的控制不正確或者操作錯(cuò)誤，就會出現(xiàn)超壓或真空狀態(tài)。當(dāng)儲罐的排出閥在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間沒有關(guān)閉，此時(shí)如果沒有壓力補(bǔ)償或者壓力補(bǔ)償不足，儲罐就會被抽干而向內(nèi)塌陷。工藝流程的變化，包括工藝流程的改變、排空參數(shù)的設(shè)定以及CIP清洗工藝（冷刷洗和熱刷洗）也不容忽視，需根據(jù)參數(shù)的變化，對所安裝的安全組件的規(guī)格型號進(jìn)行仔細(xì)核查，這些是非常必要的。一旦工藝流程有變化，多數(shù)使用人員都能選擇正確設(shè)計(jì)的儲罐，但是卻忽略了必要的監(jiān)控以及對安全組件必要的更改。

安全組件的失靈、受到污染、缺乏維護(hù)或者不正確的安裝均會影響它們的正常功能，從而影響儲罐的安全性。為了彌補(bǔ)壓力方面的增高或降低，必須安裝必要的安全設(shè)備，創(chuàng)建安全環(huán)境。選用適合于工藝流程且規(guī)格型號正確的安全組件是安全設(shè)備合理安全應(yīng)用的前提，有利于儲罐的安全性。

如果上面提到的任何一個(gè)問題出現(xiàn)或者儲罐不具備安全性，其所產(chǎn)生的后果是不可想象的。除了對罐體本身造成損壞外，產(chǎn)品也會遭受損失。一旦沒有其它替代品可用時(shí)，供應(yīng)的瓶頸問題不得不接受。損壞的罐也會給生產(chǎn)造成損失。在密閉的房間或空間緊張的區(qū)域內(nèi)，儲罐的拆裝也是一大挑戰(zhàn)，它會產(chǎn)生大的處置、重新采購和建造費(fèi)用。承壓設(shè)備不恰當(dāng)?shù)姆雷o(hù)對人類和環(huán)境造成的危害是最嚴(yán)重的后果。

為了避免各種后果的出現(xiàn)，在安全設(shè)備計(jì)算和設(shè)計(jì)過程中必須給予足夠的重視。雖然制造廠家應(yīng)該對設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)，但是用戶富有經(jīng)驗(yàn)的工程部門也應(yīng)該做到。正確的設(shè)計(jì)和無故障運(yùn)行取決于不同的工藝參數(shù)。

超壓狀態(tài)安全閥設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的各種要求：介質(zhì)類型（蒸汽、氣體、液體）；灌裝泵的功率（一旦出現(xiàn)故障，抽干時(shí)的流量）；標(biāo)準(zhǔn)操作環(huán)境下的工作壓力；安全閥的切換壓力；儲罐最大允許操作壓力（MAWP）；運(yùn)行溫度（℃）；冷清洗、熱水清洗、熱清洗（℃，min）等清洗工藝；EPED/PEG，ASME，CODE等標(biāo)準(zhǔn)指令。

安全閥的設(shè)計(jì)主要與被釋放的介質(zhì)類型有很大關(guān)系。液體是最重要的介質(zhì)，因此安全閥的設(shè)計(jì)通常是基于這種介質(zhì)。如果罐體僅適用于氣體，那么安全閥的設(shè)計(jì)相應(yīng)地要基于氣體介質(zhì)。在設(shè)計(jì)過程中，必須考慮不同的壓力條件。

圖2：新系統(tǒng)中麥汁流分布圖

在標(biāo)準(zhǔn)操作條件也就是正常運(yùn)行壓力下，通過安全閥需要釋放的體積流量與灌裝能力和額定泵輸出能力有關(guān)。這部分體積流量在達(dá)到預(yù)先設(shè)定的響應(yīng)壓力時(shí)必須釋放。安全閥在設(shè)計(jì)時(shí)必須注意：儲罐壓力不得超過允許工作壓力的10%，這一壓力稱為安全閥的開啟壓力，這一壓力必須低于儲罐的設(shè)計(jì)壓力。響應(yīng)壓力與儲罐運(yùn)行時(shí)的保壓能力或者罐體的耐壓強(qiáng)度有關(guān)聯(lián)。

在遇到事故安全閥正常開啟后，它必須能再次安全并完全地關(guān)閉。當(dāng)關(guān)閉壓力低于響應(yīng)壓力時(shí)，安全閥關(guān)閉過程中的延時(shí)必須考慮。另外，也必須確保關(guān)閉壓力是高于標(biāo)準(zhǔn)工作壓力，這樣可確保標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行過程中，當(dāng)工作壓力短時(shí)間內(nèi)超壓時(shí)，安全閥不能太頻繁地開啟。

在計(jì)算設(shè)計(jì)真空閥時(shí)，必須確定所需要的真空閥規(guī)格，以確保充足的空氣供應(yīng)。在計(jì)算設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮最大允許真空壓力（mbar）、允許運(yùn)行的真空壓力（mbar/mmWC）、罐體總高度（mm）、儲罐出口公稱直徑、排空能力（m3/h）。

在設(shè)計(jì)階段，需要將從密閉儲罐中排出的體積流量和引起真空狀態(tài)的體積流量與通過真空閥可能的流量進(jìn)行比對。閥的壓力應(yīng)該滿足這些要求：不得超過允許運(yùn)行的真空壓力。為了確?？煽康恼婵臻y設(shè)計(jì)，必須考慮真空閥的清洗工藝（冷清洗、熱水清洗、熱清洗）以及流過的液體（水、堿性溶液和酸）等因素。為了計(jì)算熱清洗量，罐的容量、罐體的直徑、介質(zhì)溫度、制冷量和冷卻溫度也是需要了解的。

在多數(shù)情況下，安全設(shè)備是最后一道安全保護(hù)裝置，在所有時(shí)間及任何條件下必須正常工作。在密閉系統(tǒng)中，如壓力容器、儲罐和管道中，需安裝安全閥來預(yù)防因壓力引起的安全事故，安裝真空閥來預(yù)防因真空狀態(tài)引起的安全事故。

通過安裝安全閥，液體、氣體和蒸汽可以通過安全閥釋放出來（液體需根據(jù)表1中EPED/PEG2014/68/EU規(guī)則執(zhí)行）。安全閥是為釋放特定壓力而設(shè)置的。由流體力引起的流體壓力，在壓力下降后，安全閥的自動(dòng)打開和自動(dòng)關(guān)閉是通過對應(yīng)的反力（彈力/重力）來完成。

正如EPED/PEG附錄中所敘述的那樣：“具有安全功能的設(shè)備零部件不得執(zhí)行其它功能，除非在執(zhí)行其它功能時(shí)，它們與安全有關(guān)的功能不會受到危及”。（歐洲承壓設(shè)備檢測認(rèn)證指南2014/68/EU以及歐盟各成員國于2014年5月15日召開的關(guān)于市場上銷售的壓力設(shè)備法律協(xié)調(diào)會上所確定的承壓設(shè)備相關(guān)敘述中也表達(dá)了同樣內(nèi)容）。這表明帶有旋塞（或蓋子）的設(shè)備不需遵從EPED/PEG相關(guān)要求，因此不能夠同時(shí)承擔(dān)安全閥的功能。作為壓力安全防護(hù)的替代物，不得用泄爆膜片或組合安全閥。在一確定壓力下，泄爆膜片會爆裂，降低壓力。在這種情況下，必須及時(shí)更換泄爆膜片，因?yàn)樗巡痪邆涿芊夤δ堋?/p>

圖3：建議方案中的壓力防護(hù)裝置

為了確保儲罐在真空狀態(tài)下工作，真空閥的響應(yīng)真空壓力應(yīng)為30～50 mm水柱（3～5 mbar）。真空閥需安裝在儲罐的最高點(diǎn)，在潛在的真空狀態(tài)下能提供足夠的保護(hù)功能（防止內(nèi)爆）。為了彌補(bǔ)產(chǎn)生的真空環(huán)境，環(huán)境空氣通常要進(jìn)入儲罐中。只要儲罐的內(nèi)部壓力低于預(yù)先設(shè)定的響應(yīng)壓力，真空閥就會開啟。當(dāng)儲罐中需補(bǔ)充無菌空氣時(shí)，真空閥的唯一功能就是在緊急情況下起保護(hù)作用，也就是說在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，真空閥不會啟動(dòng)。空氣過濾器中的無菌空氣量也需要設(shè)計(jì)，確保響應(yīng)壓力不能超過50 mm（5 mbar）的工作壓力。

筆者建議安全閥和真空閥可以作為單獨(dú)元件安裝，也可以與其它設(shè)備作為故障元件組合安裝。組合清潔空氣閥和圓頂蓋是可選項(xiàng)。監(jiān)控和控制設(shè)備元件、觀察孔以及儲罐清洗裝置的旋轉(zhuǎn)噴霧頭也可以安裝在圓頂蓋上（見圖3所示）。

除了安全方面的要求外，依據(jù)壓力設(shè)備衛(wèi)生設(shè)計(jì)方面的要求，清潔在產(chǎn)品防護(hù)中也扮演著重要的角色。除了設(shè)計(jì)和材質(zhì)的選擇外，最重要地是要確保與產(chǎn)品接觸的部分能夠徹底清空并能進(jìn)行正確地清洗。不留任何死角的設(shè)計(jì)是衛(wèi)生設(shè)計(jì)的目標(biāo)，通過CIP旁路可清洗難以清洗的部位。通過安裝可升降裝置用于閥座或閥盤的清洗。所選用的安全部件，要易于維護(hù)。

圖4：衛(wèi)生設(shè)計(jì)