＊張瀟月

（廣東寰球廣業(yè)工程有限公司 廣東 510655）

1.前言

呼吸閥是石油化工儲(chǔ)罐的安全附件之一。呼吸閥不僅在一定壓力范圍內(nèi)將儲(chǔ)罐與大氣隔絕，又能在高于或低于此壓力范圍時(shí)，與大氣相通，通過(guò)自發(fā)呼氣（吸氣），調(diào)節(jié)儲(chǔ)罐內(nèi)外壓力平衡，減少介質(zhì)揮發(fā)，保護(hù)儲(chǔ)罐不因超壓或者真空而損壞。

呼吸閥主要由閥體、閥盤、閥座、閥桿、導(dǎo)向套等組成[3]。呼吸閥是利用正、負(fù)壓閥盤的重量來(lái)控制儲(chǔ)罐的排氣正壓和吸氣負(fù)壓。當(dāng)介質(zhì)進(jìn)入儲(chǔ)罐時(shí)，管內(nèi)上部氣體空間被壓縮，壓力上升，當(dāng)罐內(nèi)壓力達(dá)到呼吸閥額定呼出正壓時(shí)，頂開(kāi)正壓閥盤，排出多余氣體；當(dāng)儲(chǔ)罐介質(zhì)被抽出，罐內(nèi)上部氣體空間的壓力下降，當(dāng)罐內(nèi)真空度達(dá)到額定吸入負(fù)壓時(shí)，罐外的大氣將頂開(kāi)呼吸閥的負(fù)壓閥盤頂開(kāi)，使外界氣體進(jìn)入罐內(nèi)，使罐內(nèi)的壓力不再繼續(xù)下降，讓罐內(nèi)與罐外的氣壓平衡，來(lái)保護(hù)儲(chǔ)罐的安全。

泄壓閥也稱緊急泄壓閥，是石油化工儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的安全附件之一。緊急泄壓閥是根據(jù)設(shè)定的工作壓力來(lái)自動(dòng)啟閉，安裝在設(shè)備或管路上保護(hù)系統(tǒng)安全。當(dāng)設(shè)備或管道內(nèi)壓力超過(guò)泄壓閥設(shè)定壓力時(shí)，閥盤得到向上的作用力，閥蓋開(kāi)啟泄壓，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力的90%時(shí)，閥瓣回座密封?；蛘弋?dāng)儲(chǔ)罐積聚真空時(shí)，閥盤向下開(kāi)啟，釋放真空，同樣負(fù)壓達(dá)到設(shè)定壓力的90%時(shí)，閥瓣回座重新密封。

緊急泄壓閥一般與呼吸閥配對(duì)出現(xiàn)，當(dāng)呼吸閥正常工作情況下，緊急泄壓閥不動(dòng)作，保持密封狀態(tài)。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力急劇增加時(shí)，呼吸閥無(wú)法獨(dú)自承擔(dān)儲(chǔ)罐緊急泄壓的要求和任務(wù)，緊急泄壓閥打開(kāi)，進(jìn)行緊急泄壓以維持罐內(nèi)壓力在設(shè)定壓力之下。緊急泄壓閥宜安裝在儲(chǔ)罐頂部。當(dāng)儲(chǔ)罐發(fā)生火災(zāi)或爆炸時(shí)，介質(zhì)先從罐頂緊急泄放，避免罐體被破壞，儲(chǔ)罐罐底板焊縫被撕裂。

2.計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

假定順丁烯二酸酐（以下簡(jiǎn)稱順酐）中轉(zhuǎn)罐相關(guān)工藝條件及操作數(shù)據(jù)如表1：

表1 順酐中轉(zhuǎn)罐工藝條件及操作數(shù)據(jù)表

續(xù)表

3.SH/T 3007-2014計(jì)算方法

(1)呼吸閥

根據(jù)SH/T 3007-2014《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，儲(chǔ)存甲B、乙類液體的固定頂儲(chǔ)罐和地上臥式儲(chǔ)罐；采用氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w密封保護(hù)系統(tǒng)的儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)呼吸閥。

呼吸量的來(lái)源，一是當(dāng)液體進(jìn)入（或離開(kāi)）儲(chǔ)罐時(shí)罐內(nèi)壓力的變化，從而導(dǎo)致氣體呼出（吸入），這就是大家常說(shuō)“大呼吸”；二是因大氣溫降導(dǎo)致罐內(nèi)氣體收縮所造成儲(chǔ)罐外空氣的吸入和因大氣溫升導(dǎo)致罐內(nèi)氣體膨脹而呼出，這就是“小呼吸”。

對(duì)固定頂儲(chǔ)罐，當(dāng)液體閃點(diǎn)（閉口）高于45℃時(shí)，氣體呼出量應(yīng)取最大進(jìn)液量的1.07倍；當(dāng)液體閃點(diǎn)（閉口）低于或等于45℃時(shí)，氣體呼出量應(yīng)取最大進(jìn)液量的2.14倍。規(guī)范提及甲B類液體進(jìn)固定頂罐時(shí)，會(huì)對(duì)液面攪動(dòng)引起蒸發(fā)加大，而內(nèi)浮頂?shù)鈨?chǔ)罐無(wú)需考慮這點(diǎn)，所以無(wú)需取2.14倍。

對(duì)于采用氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w密封保護(hù)系統(tǒng)的內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐來(lái)說(shuō)，氣體呼出量取最大進(jìn)液量考慮；液體出罐時(shí)的氣體吸入量應(yīng)取液體最大出液量[2]。

因大氣最大溫升（降）導(dǎo)致“小呼吸”，儲(chǔ)罐熱呼吸通氣需要量可按照SH/T 3007-2014表5.1.6來(lái)確定。順酐中轉(zhuǎn)罐公稱體積為34m3，圓整后取40m3。查表得，吸入量應(yīng)為vi=6.76m3/h，對(duì)于閃點(diǎn)大于37.8℃，呼出量應(yīng)為v0=4.04m3/h。

根據(jù)項(xiàng)目工程經(jīng)驗(yàn)，儲(chǔ)罐的“小呼吸量”可按理想氣體狀態(tài)方程（PV=nRT）進(jìn)行初步估算。小呼吸量計(jì)算原則：保溫、保冷罐不考慮熱呼吸造成的呼出量，非保溫、保冷罐按罐容一半考慮，取最大溫升5℃/h。計(jì)算公式如下：

其中，P-理想氣體壓強(qiáng)（Pa）；V-理想氣體體積（m3）。

(2)緊急泄壓閥

根據(jù)SH/T 3007-2014《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，在氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w密封保護(hù)系統(tǒng)或呼吸閥出現(xiàn)故障情況下，應(yīng)設(shè)事故泄壓設(shè)備保障儲(chǔ)罐安全的通氣需要。事故泄壓設(shè)備可直接通向大氣，事故泄壓設(shè)備的開(kāi)啟壓力應(yīng)高于呼吸閥的設(shè)定壓力并應(yīng)小于或等于儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)正壓力[2]。

緊急泄壓閥的泄放量計(jì)算參照API Std.2000-2014，詳見(jiàn)下文4.3節(jié)火災(zāi)情況所需呼吸量的計(jì)算。

4.APl Std.2000-2014計(jì)算方法

按照API2000的描述，呼吸閥所遇工況分三種，既“進(jìn)、出料時(shí)的呼吸”“罐體熱脹冷縮產(chǎn)生的呼吸”和“火災(zāi)時(shí)需要的呼出量”。

(1)進(jìn)、出料所需呼吸量

引用API Std.2000-2014第40頁(yè)的Annex A附表2，對(duì)于閃點(diǎn)大于38℃或沸點(diǎn)大于150℃的液體，由于出料而吸入的氣體的量應(yīng)為出料體積流量的0.94倍，由于進(jìn)料而呼出的氣體的量應(yīng)為進(jìn)料量體積流量的1.01倍。

表2 正常吸入/呼吸量（SI單位制）Tab.2 Normal Venting Requirements(Expressed in SI Units)[1]

已知進(jìn)料體積流量FI為25m3/h，出料體積流量FO為25m3/h，因此：

(2)熱脹冷縮所需呼吸量

根據(jù)API Std.2000-2014的Annex A第41頁(yè)附表3，因大氣溫降（升）導(dǎo)致罐內(nèi)氣體收縮（膨脹）所需的吸入（呼出）量由儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存能力決定。順酐中轉(zhuǎn)罐公稱體積為34m3，圓整后取40m3，根據(jù)上述表格，對(duì)于閃點(diǎn)大于37.8℃或沸點(diǎn)大于149℃的液體，吸氣量應(yīng)為vi=6.74m3/h，呼氣量應(yīng)為v0=4.04m3/h。與SH/T 3007-2014的呼吸量基本一致。

(3)火災(zāi)情況所需呼吸量

參考API Std.2000-2014第12頁(yè)的計(jì)算公式，對(duì)于不帶有脆弱頂部附加結(jié)構(gòu)的容器，火災(zāi)時(shí)所需的呼氣量計(jì)算公式為：

其中：

SCFH：呼氣量，Nm3/h of Air；

Q：火災(zāi)時(shí)火焰的給熱量，W；

A：罐體濕潤(rùn)表面積，m2；

F：環(huán)境因數(shù)；

L：罐內(nèi)物質(zhì)在泄放壓力和溫度下的氣化潛熱，J/kg；

T：泄壓時(shí)的絕對(duì)溫度，K；

M：蒸汽的相對(duì)分子質(zhì)量。

Q的計(jì)算方法：

根據(jù)API Std.2000-2014第14頁(yè)附表的注釋，對(duì)于被架高的立式容器，濕潤(rùn)面積包括底部面積和高度處于9.14m以下的側(cè)面的面積。因此濕潤(rùn)面積為：

引用API Std.2000-2014第13頁(yè)附表3，根據(jù)A值，查得：

表3 火災(zāi)時(shí)火焰的給熱量Q（SI單位制）Tab.3 HeatInput,Q(Expressed inSIUnits)[1]

F的計(jì)算方法：

根據(jù)已知條件，保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)為0.046W/(m·K)，厚度0.08m。傳熱系數(shù)等于導(dǎo)熱系數(shù)除以厚度，即0.575W/(m2·K)。引用API Std.2000-2014第18頁(yè)附表4，當(dāng)取傳熱系數(shù)為1.9W/(m2·K)時(shí)的值，F(xiàn)取0.025。

表4 非冷卻的地面儲(chǔ)罐的環(huán)境因數(shù)（SI單位制和USC單位制）Tab.4 Environmental Factors for Nonrefrigerated Ab oveground Tanks (Expressed in SI and USC Units)[1]

續(xù)表

L的取值：根據(jù)已知條件，順酐氣化潛熱L=501kJ/kg；

T的取值：假設(shè)泄壓時(shí)罐內(nèi)的溫度為順酐的沸點(diǎn)：T=202.2℃=475.35K；

M的取值：蒸汽分子量：M=98.02。

基于以上情況，火災(zāi)時(shí)所需的排氣量為：

如果考慮火災(zāi)時(shí)中轉(zhuǎn)罐保溫材料失效（最不利情況），則取F為1，計(jì)算：

已知呼吸閥后氣相管道公稱直徑為150mm，根據(jù)Galvin Towler等人編著的化工設(shè)計(jì)手冊(cè)，流通介質(zhì)為氣體的管路，設(shè)計(jì)流速通常為15～30m/s。假設(shè)該管路在火災(zāi)時(shí)流速為15m/s，則流量為

5.結(jié)論

（1）“進(jìn)、出料時(shí)的呼吸”“罐體熱脹冷縮產(chǎn)生的呼吸”的計(jì)算在SH/T 3007-2014和API Std.2000-2014都有詳細(xì)闡述，計(jì)算結(jié)果也相近。

（2）有關(guān)“火災(zāi)時(shí)需要的呼出量”的計(jì)算，需仔細(xì)查閱API Std.2000-2014內(nèi)容，本文只選取了不帶有脆弱頂部附加結(jié)構(gòu)的容器，且為被架高的立式容器作為例子。