摘要：根據密閉容器內低溫液體氣液兩相的平衡關系，討論了低溫絕熱儲運容器在儲運液氮、液氧、液氬介質的過程中，低溫液體升溫、膨脹、滿溢的問題，提出了設置低壓滿溢安全泄放裝置的設計方案，使低溫絕熱儲運容器的設計更合理、使用更安全。
關鍵詞：低溫絕熱儲運容器、氣液平衡、液體滿溢、安全泄放
    1、引言
    眾所周知，低溫絕熱儲運容器，是以保存低溫液化氣體的方式來儲運氣體的，這種方式與用高壓液化氣體和高壓壓縮氣體的方式比較，具有儲運壓力低、安全性高、儲運量大的特點。近年來隨著國內氣體市場的迅猛發展，國家在低溫絕熱壓力容器的安全技術方面也提出了更高的要求，在1999年版的《壓力容器安全技術監察規程》中，將容積大于等于5M3的低溫儲存容器劃歸到第三類壓力容器的安全監察范圍。但是目前市場上不少低溫絕熱儲運容器產品的設計，并沒充分體現出低溫液化儲運的特點，特別是在安全性和經濟性方面，設計工作還需做進一步的細致工作，使產品的設計更合理、更完美。
    2、問題的提出
    通常低溫絕熱儲運容器的內容器的安全泄放裝置，是安裝在內容器的氣相管路上，由安全閥和爆破片裝置組成的并聯雙重安全泄放系統，其動作壓力大于等于最高工作壓力。低溫絕熱儲運容器的最高工作壓力，一般是取低溫液體的加注壓力，根據設備的使用工藝要求，最常見的是0.8Mpa和1.6Mpa兩種加注壓力。這一由加注時的最高工作壓力來確定動作壓力的安全泄放裝置，可以解決以下兩種工況的安全泄放問題：（1）在真空夾層的真空度完全喪失時，低溫液體急劇汽化，及時泄放大量汽化的氣體,防止內罐超壓。（2）采用外壓氣源或汽化器增壓加注時，當加注突然停止而增壓仍繼續時，及時泄放增壓氣體，防止內罐超壓。
    但是內容器上只設置由加注時的最高工作壓力來確定的安全泄放裝置的設計，存在著以下問題：
    （1）沒有充分體現低溫絕熱儲運容器的低壓儲運的特點。
    容器絕大部分時間是在儲運工況中工作的，加注過程是短時間的操作。在目前的設計中，沒有針對儲運工況來設定儲運壓力和相應的安全泄放裝置，只是簡單地借用加注時的最高工作壓力來作為儲運壓力，使內容器在儲運過程中，長時間的在高壓、高應力的條件下無意義的工作。
    （2）存在實際充裝重量遠大于設計充裝重量的問題。
    按《壓力容器安全技術監察規程》的規定，液化氣體的裝量系數通常取0.9，其充裝重量是由設計壓力對應溫度下的液體密度確定。而實際充裝液體時，是在標準狀態（放空）下，將標準狀態密度的低溫液體裝到0.9的裝量系數，其充裝重量是設計值的117%-138%，超出了設計的允許值。
    （3）忽略了液體溫升、膨脹、滿溢的安全泄放問題。
    在儲運過程中，隨著外界熱量的緩慢漏入，液體溫度將升高，體積也會膨脹。當容器在接近額定儲量下儲存，且長時間不排液時，低溫液體膨脹后的裝量系數會很容易超過設計值，甚至在整個內容器的容積被全部充滿后仍繼續膨脹。
    3、分析與認識

表1 低溫液體氣液平衡點的物理參數[1]

    從表1中我們可以清楚的看到，低溫液體升溫時氣液平衡的變化過程.在標準狀態下，按0.9的裝量系數向容器充裝低溫液體,氣液平衡后，此時液體在密閉容器中處于標準狀態，溫度、密度、飽和蒸氣壓分別為T1、ρ1、Ρ1，當外界向內容器傳入熱量Q時,液體溫度將升高△T到溫度T2，密度減小到ρ2，體積相應膨脹,裝量系數增大,液體表面分子的逸出功降低，飽和蒸氣壓升高到P2 ,此時氣液兩相達到一個新的暫時的平衡點。當容器氣相空間的飽和蒸氣壓由開始的標準狀態升高到表壓0.32Mpa-0.44Mpa時，液體體積將膨脹10％，內容器被全部充滿，而此時由最高工作壓力確定的安全泄放裝置還未到其泄放的動作壓力。內容器滿液后，液體膨脹壓力的增長速度較之未滿液時溫升產生的飽和蒸氣壓的增長速度大數十倍至百倍，容器內的壓力將急速升高[2]。只有當液體的膨脹壓力到達或略高于設計壓力值時，才能由爆破裝置進行排液泄放，液體排出后迅速汽化成大量的氣體，而安全閥此時則很可能因低溫凍結而不能正常開啟。
    如果按設計壓力對應溫度下的液體密度來限定實際的充裝重量，當裝量系數取0.9時，其充裝重量只有標準狀態時的72%-86%，在使用上很不經濟。雖然有的產品上注明0.8Mpa和1.6Mpa為加注壓力,但在設計中并未設定儲運壓力以及相應的滿溢安全泄放裝置，沒有從根本上解決這一問題。
    對于低溫絕熱儲運容器在儲運工況中的液體滿溢問題，在設計中應設定儲運壓力上限值，并用增設低動作壓力的滿溢安全泄放裝置的辦法，來解決低溫液體滿溢的問題，不但大大提高了低溫絕熱儲運容器的使用安全性，而且使使用更經濟。

表2 加注、儲運工況的設計參數對應表

    從表2可以看到，滿溢安全泄放裝置的動作壓力是由設定的最大允許膨脹裝量系數φmax確定的，即通過控制φmax對應的（氣液平衡點）飽和蒸氣壓的壓力值，來控制液體膨脹的最大限度。根據表1的數據，當φmax取0.95時，滿溢安全泄放裝置的動作壓力基本在表壓0.16Mpa左右，遠遠低于0.8Mpa和1.6Mpa的最高工作壓力。在原內容器雙重安全泄放系統的基礎上，增設這一低壓的滿溢安全泄放裝置具有以下優點：
    （1）在解決低溫液體滿溢問題的同時，還解決了實際充裝重量和設計充裝重量之間的矛盾，使設計更合理，使用更經濟、更安全。特別是對于長期在接近額定儲量下儲運且不排液的低溫絕熱儲運容器。
    （2）大幅度的降低了低溫絕熱儲運容器在儲運工況中的工作壓力，充分體現了低壓儲運的特點，提高了容器的使用安全性。
    （3）在儲運過程中，當氣相壓力增加時，可以實現低壓少量
    排放汽化氣體，避免了高壓時突然的大量排放，提高了超壓氣體排放的安全性。特別是對于儲運具有一定危害性的液化氣體的低溫絕熱壓力容器，如在儲運液氧、液氫、液化天然氣等介質時。
    滿溢安全泄放裝置可在雙重安全泄放系統的同一氣相管路上，設置一個降壓調節閥或微啟式安全閥，因其動作壓力遠小于最高工作壓力，在儲運過程中呈間斷低壓排放狀態。當容器加注時，用其前設置的截止閥隔離滿溢安全泄放裝置，使其不起作用。在國外的同類產品上也有類似的低壓安全泄放裝置，稱作Economizer regulator或是 Road relief regulator, set。其動作壓力值應該也是以開始的裝量系數和設定的最大膨脹裝量系數為基礎來確定的，如有必要，可能還會考慮某種危害介質在周圍環境中的允許濃度。
    4、 結論
    （1）對于長期在接近額定儲量下儲存低溫液體且不排液的低溫絕熱儲運容器，為防止低溫液體的滿溢，應設置一個動作壓力遠低于最高工作壓力的滿溢安全泄放裝置。
    （2）滿溢安全泄放裝置的低壓泄放，大幅度降低了內容器在儲運過程中的工作壓力，提高了低溫絕熱壓力容器的使用安全性。
    （3）溢滿安全泄放裝置的低壓少量泄放，提高了低溫絕熱儲運容器在儲運過程中，排放危害性超壓汽化氣體的安全性。
    滿溢安全泄放裝置從設計和使用上，保證了低溫絕熱儲運容器可以進行大儲量的儲運工作，提高了容器使用經濟性。