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氣瓶安全泄放量計算方法探討

文檔作者：喻健良閏興清李岳胡軍伊軍文檔來源： 1．大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院 2．大連理工安全裝備有限公司 3．大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月08日
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氣瓶安全泄放量計算方法探討
喻健良 。，閏興清 ，李岳 。，胡軍。。伊軍
(1．大連理工大學(xué)化工機(jī)械學(xué)院，遼寧大連1 16024；2．大連理工安全裝備有限公司，遼寧大連
116012；3．大連市鍋爐壓力容器檢驗研究院，遼寧大連116013)
摘要：基于目前國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中對氣瓶安全泄放量的計算存在諸多差異的現(xiàn)狀，對國內(nèi)原氣瓶用爆
破片標(biāo)準(zhǔn)GB 16918-1997、美國壓縮氣體協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)CGAS一1．1—2005、美國石油學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)API
521 007中氣瓶泄放量的計算方法進(jìn)行了分析。將CGAS一1．1安全泄放量公式中空氣的當(dāng)量
體積排放量推導(dǎo)轉(zhuǎn)化為實際介質(zhì)的安全泄放質(zhì)量流量，該成果有助于正確理解和應(yīng)用CGAS一1．1
標(biāo)準(zhǔn)。分析比較認(rèn)為：CGAS公式計算結(jié)果較API相比，爆破片計算面積差別不大，但泄放閥結(jié)果
明顯偏大 API 521中對受火引起超壓的氣瓶泄放面積計算，具有扎實的理論基礎(chǔ)，但對因其他原
因?qū)е碌某瑝?，適用性有待考證。GB 16918中氣瓶安全泄放量公式采用的是CGAS—1．1中適用
于單一壓力泄放閥的泄放量公式，因此當(dāng)泄放裝置采用爆破片時，不能采用GB 16918進(jìn)行計算，建
議補充完善GB 16918中安全泄放相關(guān)內(nèi)容。
關(guān)鍵詞：氣瓶；安全泄放量；超壓；泄放設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
中圖分類號：TG435；TQ050．2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001—4837(2011)11—0036—05
doi：10．3969／j．issn．1001—4837．2011．11．007
Calculation M ethods of Safety Discharge Capacity for Cylinders
YU Jian—liang。 ，YAN Xing—qing。
，LI Yue ，HU Jun ，YI Jun
(1．School of Chemical Machinery，Dalian University of Technology，Dalian 1 16024，China；2．Dalian U—
niversity Safety Equipment Co．，Ltd．，Dalian 116012，China；3．Dalian Boiler and Pressure Vessel In—
speetion Institute，Dalian 1 16013，China)
Abstract：Based on the actuality that there iS much diference for the calculation of safety discharge ca—
pacity in the various home and abroad standards，standards of cylinders were investigated and analyzed．
The comparison was focused on the differentiate of calculation methods among GB 1 691 8- 1 997，CGAS
一1．1—-2o05 and API 521—_2o07．The air equivalent volume discharge capacity in the formula CGAS一
1．1 is changed into the safety discharge quality flux of actual medium，which is benefit to understand and
apply the standard CGAS一1．1．The results indicate that compared CGAS with API，there is little difer—
ence in the bursting disk calculating area，but the former is bigger for the relied valve value．API 521 has
a well—knit theory to calculate the discharge area of cylinder surrounded by fire，but its applicability to
calculate the parameters with overpressure derived from other reasons must be estimated further．Safety
discharge capacity form ula in GB 16918 is root in the form ula CGAS一1．1 that is fit for the single pres—
sure relied valve．Therefore，GB 16918 can t be adopted when the bursting disk is used as discharge de—
vice．It is suggested that the content of GB 16918 should be reinforced and perfect．
36
第28卷第11期 壓 力 容 器 總第228期
Key words：cylinder；safety discharge capacity；overpressure；discharge design standard
0 引言
由于氣瓶用安全泄放裝置使用場合特定，使
用數(shù)量巨大，國內(nèi)外一些國家對其制定了制造與
檢驗標(biāo)準(zhǔn)，以適應(yīng)生產(chǎn)需要_l J。在氣瓶安全泄
放設(shè)計中，正確計算所在工況下氣瓶的安全泄放
量，是計算泄放裝置泄放面積的前提。但是，筆者
在工作中發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外對于氣瓶安全泄放量的計
算方法并不統(tǒng)一，計算結(jié)果有較大偏差，甚至有些
標(biāo)準(zhǔn)中的計算方法并不準(zhǔn)確。這給氣瓶檢驗人員
和使用單位帶來很大困惑。尤其是國外權(quán)威氣瓶
標(biāo)準(zhǔn)CGAS一1．1中計算得到的泄放量是當(dāng)量空
氣體積排量，許多工作人員更不理解該物理量含
義，且目前還未有公開文獻(xiàn)對該物理量如何使用
做出解釋。
王紅霞等 對鋼制無縫壓力容器安全泄放
量計算方法進(jìn)行了探討，對比了國內(nèi)外部分標(biāo)準(zhǔn)
規(guī)定的內(nèi)容。任美鳳等 分析了國內(nèi)外設(shè)計規(guī)
范中火災(zāi)工況下盛裝液體的壓力容器安全泄放量
的計算方法。王運波等 對壓力容器安全閥安
全泄放量進(jìn)行了簡單說明。但是，目前還沒有文
獻(xiàn)對國內(nèi)外氣瓶安全泄放量計算方法進(jìn)行對比，
并合理解釋CGAS標(biāo)準(zhǔn)的計算方法。
文中對國內(nèi)外現(xiàn)有涉及氣瓶用泄放裝置安全
泄放量計算的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了較為全面的調(diào)研，
重點分析比較了國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中氣瓶安全泄放量計
算方法，首次通過推導(dǎo)給出了依據(jù)CGAS標(biāo)準(zhǔn)計
算盛裝任意介質(zhì)的氣瓶安全泄放量方法，對比了
計算結(jié)果差異，提出現(xiàn)有氣瓶用爆破片標(biāo)準(zhǔn)安全
泄放量計算存在的問題。
1 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
對氣瓶安全泄放量的規(guī)定，目前主要有以下
標(biāo)準(zhǔn)：
(1)GB 150-1998《鋼制壓力容器》 J：對介
質(zhì)為易燃液化氣體或位于有可能發(fā)生火災(zāi)的環(huán)境
下工作的非易燃液化氣體氣瓶安全泄放量進(jìn)行了
規(guī)定；
(2)GB 16918-1997《氣瓶用爆破片技術(shù)條
件》 J：對液化氣體氣瓶和非液化氣體(永久氣
體，下同)氣瓶的安全泄放量做了規(guī)定；
(3)CGAS一1．1_2005_3 ：給出了采用各種
不同安全泄放裝置及其組合裝置時，氣瓶安全泄
放量的計算方法；
(4)API 521 007_4 J：對暴露于明火的氣瓶
所需的泄放面積做了規(guī)定。
2 各標(biāo)準(zhǔn)安全泄放量計算方法比較
2．1 CGAS公式解釋及推導(dǎo)
CGAS一1．1 3 對盛裝非液化介質(zhì)的氣瓶在安
全泄放時所需的最小泄放量Q。進(jìn)行了規(guī)定。但
標(biāo)準(zhǔn)中Q 為當(dāng)量空氣排量，指空氣在一定壓力和
溫度下的體積排量。根據(jù)安全泄放裝置設(shè)計標(biāo)
準(zhǔn)，泄放裝置所需的泄放面積A必須依據(jù)實際介
質(zhì)安全泄放量 (質(zhì)量流量)求得。因此當(dāng)量空
氣排量Q 無法直接用來計算泄放面積A，必須轉(zhuǎn)
化為質(zhì)量流量 。下面對CGAS公式進(jìn)行推導(dǎo)
轉(zhuǎn)化。
(1)采用除壓力泄放閥外的泄放裝置時，
CGAS規(guī)定盛裝無隔熱非液化氣體的氣瓶安全泄
放量計算如下 J：
Q。=60×9．60×10 (1)
式中 Q。——當(dāng)量空氣排量，指空氣在690 kPa，
288 K時的體積泄放流量，m ／h
— — 氣瓶中水量，kg，不少于l1．3 kg
假設(shè)氣瓶體積為 ，單位為in ，由于水的密
度P=1000 kg／m ，則氣瓶中水量：
=1000Vo (2)
利用理想氣體狀態(tài)方程pV= T推導(dǎo)空
氣質(zhì)量流量 (kg／h)與體積流量Q。的關(guān)系：
= Q。 (3)
J L m J
將壓力P=690 kPa，溫度T=288 K，空氣
=29 kg／kmol，R =8．314 kJ／(kmol·K)以及式
(1)，(2)代人式(3)得：
Ajr=4．81×10 Vo (4)
37
氣瓶安全泄放量計算方法探討
式(4)為氣瓶盛裝空氣時，泄放需要的質(zhì)量
流量。當(dāng)盛裝介質(zhì)并非空氣時，需要計算相同條
件、相同泄放面積下空氣的泄放量與其他介質(zhì)泄
放量之間關(guān)系。根據(jù)安全泄放裝置設(shè)計標(biāo)
準(zhǔn) 。。，泄放量 與泄放面積A關(guān)系如下：
．
= 7．6×10～CKPdA ／— 1 (5)
相同泄放條件下(包括氣體特性常數(shù)c、氣體
絕熱指數(shù)K、泄放裝置動作壓力P 泄放面積A、
泄放溫度 )不同介質(zhì)泄放量之比：
／M Z脅
^ir 脅
z (6)
近似認(rèn)為其他氣體介質(zhì)壓縮因子與空氣相
同。將式(4)帶人式(6)，則推導(dǎo)得到氣瓶盛裝任
意非液化氣體時，實際氣體泄放質(zhì)量流量 為：
= √ ×4．814×10 Vo V 一，
=0．89 X 10 ,／~Vo (7)
式中 ——介質(zhì)的安全泄放量，kg／h
脅一介質(zhì)摩爾質(zhì)量，kg／kmol
— — 盛裝非液化氣體的氣瓶容積，m
根據(jù)CGAS一1．1，無隔熱液化氣體氣瓶安全
泄放量是非液化氣體的2倍。
當(dāng)?shù)玫綒馄績?nèi)氣體所需的安全泄放量后，即
可依據(jù)式(5)進(jìn)行泄放設(shè)計，并計算泄放面積A。
(2)采用單一壓力泄放閥時，CGAS規(guī)定盛裝
無隔熱非液化氣體的氣瓶安全泄放量計算公式如
下 ：
Q。=60×1．395×10 P (8)
式中Q?！?當(dāng)量空氣排量，指空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況
下泄放體積量，m ／h
P——氣瓶泄放壓力，kPaa
— — 氣瓶中水量，kg，但不少于5．7 kg
依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下理想氣體摩爾體積為22．4
m ／kmol，可得空氣質(zhì)量流量 (kg／h)與體積
流量Q (m ／h)的關(guān)系，并將式(2)帶入，可得：
r)
Ws = x MA 1．0836PVo (9)
將式(9)帶入式(6)，可得氣瓶盛裝任意非液
化氣體時，實際氣體安全泄放質(zhì)量流量 計算公
式為：
=O．176 面 (10)
式中 ——非液化氣體質(zhì)量泄放量，kg／h
— — 氣瓶內(nèi)所裝介質(zhì)的摩爾質(zhì)量，kg／
kmol
氣瓶泄放壓力，kPaa
— — 氣瓶容積，m
采用式(7)和式(1o)即可計算盛裝任意壓縮
氣體和液化氣體氣瓶安全泄放量。
2．2 各標(biāo)準(zhǔn)計算公式比較
對各標(biāo)準(zhǔn)中氣瓶安全泄放量 的規(guī)定進(jìn)行
了匯總，如表1所示。
表l 不同標(biāo)準(zhǔn)對氣瓶安全泄放量規(guī)定
液化氣體氣瓶 非液化氣體氣瓶
標(biāo)準(zhǔn)
無隔熱 有隔熱 無隔熱 有隔熱
GB 150 T．7 2．55×10 FA 跎 2． 61×(650一t)
—
q ” 一 向
V<450 L， =2 x0．176P~ Vo
GB 169l8 >4s。L， 一2．55 x Ar：。 =0．176P~Vo
爆破片、易熔塞： 爆破片、易熔塞：
= 2×0．89×1034-M-Vo =0．89 X 10
CGAS—1．1
壓力泄放閥： 壓力泄放閥：
= 2 x0．176P~ Vo =o．176P~ Vo
API 521 A： ， A
^ = —
,／P 0P
38
注：各公式中符號含義見相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。
第28卷第11期 壓 力 容 器 總第228期
由表1可知，針對液化氣體和非液化氣體氣
瓶安全泄放量計算，國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)有很大不同。GB
16918中計算非液化氣體采用的是CGAS中適用
于壓力泄放閥的公式。GB 16918計算液化氣體
的方法，當(dāng)V>450 L時同樣采用的是CGAS中適
用于壓力泄放閥的公式，當(dāng)V<450 L時，采用的
是GB 150中無隔熱液化氣體氣瓶公式，當(dāng)F=1
時的情形。
CGAS一1．1和API 521計算安全泄放量的方
法截然不同。API不計算氣瓶安全泄放量，直接
計算所需泄放面積。根據(jù)分析，API 521計算公
式是從容器在火災(zāi)情況下通過器壁的吸收熱量導(dǎo)
致壓力升高推導(dǎo)而來，由于很好地考慮了容器受
火情況，從理論上更適用于火災(zāi)情況。對于因其
他原因?qū)е碌某瑝海m用性有待考證。
CGAS是目前對氣瓶安全泄放量規(guī)定最為詳
細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)，但其公式計算得到的泄放量均為空氣
的當(dāng)量泄放量，在計算時需要轉(zhuǎn)化為其他介質(zhì)的
安全泄放量。由于沒有標(biāo)準(zhǔn)釋義，筆者還無法知
道CGAS公式的來源。
3 不同標(biāo)準(zhǔn)計算結(jié)果比較
文中以某鍋爐壓力容器檢驗研究所提供的計
算實例，比較依據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)計算得到的氣瓶安全
泄放量和泄放裝置泄放面積。
設(shè)計計算參數(shù)如下：
(1)實例1：盛裝氫氣介質(zhì)氣瓶，容積0．655
m ，外直徑0．355 m，氣瓶長度7．9 m，公稱工作壓
力20000 kPa，正常操作溫度15℃ ，泄放壓力
33500 kPa，泄放壓力下氣體溫度209．4 oC，氣瓶
壁承受最高溫度593℃。爆破片泄放系數(shù)取
0．62，壓力泄放閥泄放系數(shù)取0．9。氣體特性常
數(shù)C=356。試確定泄放裝置種類及面積。
(2)實例2：一體積為2．25 m 的氣瓶，外直
徑0．559 m，氣瓶長度10．975 m，其他條件與實例
1相同。試確定泄放裝置種類及面積。
按照上述不同標(biāo)準(zhǔn)計算0．655 m 及2．25 m
氫氣氣瓶的安全泄放量 ，以及泄放裝置泄放面
積A結(jié)果如表2，3所示。
表2 0．655 m 氫氣瓶安全泄放裝置所需泄放面積計算結(jié)果
CGAS一1．1 API 521(火災(zāi)情況) GB 169l8—1997
計算標(biāo)準(zhǔn)
爆破片 壓力泄放閥 爆破片 壓力泄放閥 爆破片 壓力泄放閥
／kg·h 824．4 5641．5 ●_—— 5461．5 5461．5
A／mm2 24
． 7 l12．5 21．2 14．6 163．3 112．5
表3 2．25 m 氫氣瓶安全泄放裝置所需泄放面積計算結(jié)果
CGAS一1．1 API 521(火災(zāi)情況) GB 16918—1997
計算標(biāo)準(zhǔn)
爆破片 壓力泄放閥 爆破片 壓力泄放閥 爆破片 壓力泄放閥
W,／kg·h一‘ 2832． 0 18758．1 __—— __—— l8758．1 18758．1
A／man 85 386．3 52 35．8 560．8 386．3
由表2，3可知，對兩種體積的氣瓶，依據(jù)
CGAS計算得到的壓力泄放閥面積約為爆破片面
積的4．6倍。依據(jù)API 521得到的爆破片與壓力
泄放閥泄放面積相差不大。GB 16918只適用壓
力泄放閥的條件，不合適用來確定爆破片泄放面
積，該標(biāo)準(zhǔn)重新修訂時應(yīng)注意此問題。
對比不同標(biāo)準(zhǔn)，CGAS一1．1和API得到的爆
破片計算結(jié)果相差不多，而壓力泄放閥的計算結(jié)
果相差很多。總體來說，CGAS—1．1對壓力泄放
閥泄放面積計算結(jié)果偏大。
4 結(jié)論
文中有關(guān)于對氣瓶安全泄放量的國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)
39
氣瓶安全泄放量計算方法探討 Vo128．Nol1 2011
進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：
(1)CGAS一1．1中的安全泄放量公式計算的
是空氣的當(dāng)量體積排放量，實際計算時必須轉(zhuǎn)化
為其他介質(zhì)的安全泄放質(zhì)量流量。
(2)通過實例計算可知，按API 521中公式計
算，所得爆破片的泄放面積與CGAS中按爆破片
泄放量公式計算的面積相近，但與按壓力泄放閥
計算結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。因此，建議在氣瓶用爆破片
計算時，采用CGAS和API公式均可，但在火災(zāi)情
況下，建議采用API公式計算。當(dāng)采用壓力泄放
閥時，CGAS公式將給出較大的計算結(jié)果。
(3)GB 16918中氣瓶安全泄放量公式采用的
是CGAS一1．1中適用于單一壓力泄放閥的泄放
量公式，因此當(dāng)泄放裝置采用爆破片時，不能采用
GB 16918進(jìn)行計算，建議補充完善GB 16918中
安全泄放的相關(guān)內(nèi)容。
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收稿日期：2011—04—07 修稿日期：2011—10—08
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Part 1一Cylinders for Compressed Gases『S]． yujiaTdiang@dl·cno
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