专家专栏 | 常压储罐设置紧急泄压人孔究竟是为谁而设？

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我们知道常压固定顶储罐（包含内浮顶）其罐内气相上方的压力上升主要来源于两个因素：第一就是物料在进罐过程中导致的气相空间体积变化而引起压力变化，第二就是外界环境因素（温升、日晒等）引起的罐内气相空间温度变化而引起的压力变化。根据理想气体状态方程的三大定律：

假定罐内气相空间的量不变的情况，无论是温度（T）升高，还是体积（V）减少，都会带来（P）的增大。

但是气相空间压力不能无限增大，当超过储罐的设计压力时，整个储罐的结构体系就会面临破裂的风险。所以罐内气相压力必须被限制在一定的数值以下。这就需要对储罐气相压力进行主动泄压调节。常见的呼吸阀就是储罐调节气相压力最常见的措施，呼吸阀降压的原理就是靠排出多余的气体的量来实现气相压力的回落。

气相压力正常时呼吸阀的状态

气相压力超压时呼吸阀的状态

依据《SH/T 3007-2014 石油化工储运系统罐区设计规范》第5.1.6条的规定，可知呼吸阀所解决的压力源主要就是大呼吸（物料进罐）和小呼吸（储罐温升）所带来的气相压力增加。

也就是说，对于呼吸阀来说，从原生的设计阶段开始，其呼吸量的计算和设备选型都是基于这两种常规的呼吸（大呼吸和小呼吸）来设定的。但是凡事总有例外，如果储罐气相空间出现了第三种压力急剧增大的情景，导致原有的呼吸阀即使在100%的开度下也无法及时泄放增大的气压，就会带来潜在的罐体撕裂的风险后果。那么这第三种压力急剧增大的情景又是什么呢？主要有两类场景：氮封失效和外部火灾。我们先说第一类：氮封失效。

对于固定顶类的储罐（包括内浮顶储罐），尤其是涉及到易燃易爆有毒介质的固定顶储罐，都会设计氮封系统的（具体哪些储罐设置氮封，可参考我之前写的这篇文章《罐区VOC改造闪爆事故思考：储罐氮封的最大意义到底是什么》）。对于带氮封的储罐来说，所谓的氮封失效，专指氮封阀（包括各类型的调节阀）无法关闭，导致氮气源源不断地进入储罐内部气相空间。这种场景就会导致储罐内部的气相空间压力不断增加，如果没有有效地泄压措施，就会超过储罐的设计压力，造成储罐撕裂。针对这种情况应该怎么办呢？标准中给出的答案是增加紧急泄压人孔。

SH 3007标准可以说给出了关于事故泄压设备比较明确的设计和选型依据，同时也指明了设置事故泄压设备就是为了满足当氮封或呼吸阀出现故障而出现的气相空间超压的泄放措施。

有的朋友可能就会有疑问，如果仅仅氮封阀失效了，大量氮气源源不断地进入到罐内气相空间，这时候储罐原有的呼吸阀是不是也能起到泄放的作用呢？如果我们根据呼吸阀的调节原理，从某种程度上来讲，原有的呼吸阀是可以泄放一部分压力的。但是并不能完全有效地解决氮封阀失效带来的压力骤增。原因有二：第一，储罐氮封的氮气来源一般压力在5kg/cm2~8kg/cm2之间，远远超过呼吸阀的起跳压力（约在0.6Kpa~1.5Kpa之间）和储罐的设计压力（常压储罐的设计压力约在2Kpa~6Kpa左右）。也就是说氮封阀在失效期间，罐区气相的泄放速率远低于进入速率，换句话说，就是储罐内部气相的状态是净流入状态。第二，呼吸阀的原始设计初衷是为了解决储罐的大呼吸和小呼吸的，其计算和选型都是建立在两种呼吸量的基础上的，即使考虑了一定的富裕量，但远远低于氮封阀失效带来的气流量。另外事故的场景会存在叠加的可能性，举个例子，在南方某个罐区，夏季的某天中午，雨后初晴，此时储罐又以最大流量正在进料，恰恰这个时候氮封阀又失效了，大量氮气又急剧进入气相空间，这样的话，“三英会”齐聚，原有的呼吸阀也无力回天，只能“望洋兴叹”了。这时候就必须使出杀手锏了，“紧急泄压人孔”应运而生。

又或者较真的朋友会问：我不设紧急泄压人孔，我多安装几个呼吸阀不就行了？问得好。如果一个储罐考虑了大小呼吸后，安装两个DN300的呼吸阀就够了，那么我再额外安装两个DN300的呼吸阀或者单呼阀，直接排大气的那种，这样不就行了？确实是没问题的，至少从技术上来讲。但是自拍一下脑袋，提这种问题的人，是不是愚蠢呢？两台呼吸阀多少钱？还要在罐顶上开两个孔。我用一个简单便宜的紧急泄压人孔，只开一个孔，他不香吗？

以上文字我们只探讨了第一种压力骤增的场景：氮封失效。接着我们继续探讨第二种压力骤增的场景：外部火灾。关于外部火灾，他对储罐气相压力骤增的影响远远比氮封失效更为强烈，既然如此，那么标准条文中，在规定设置紧急泄放设备的条款中，为什么单单只提氮封故障，而闭口不提外部火灾工况呢？

这个问题呢，说来也是话长。在正面回答这个问题之前，我们需要先追溯国内标准相关条款的渊源。无论是GB 50160还是SH 3007，内中关于储罐呼吸排放量的计算主要源自《API STD 2000 Venting atmosphere and low pressure storage tank》和《NFPA 30 Flammable and Combustible Liquids Code》这两个美标，在比较新的2020版的API STD 2000第3.2.1条中，列举了储罐气相空间超压的几个因素：

3.2 Causes of Overpressure or Vacuum

3.2.1 General

When determining the possible causes of overpressure or vacuum in a tank, consider the following:

a) liquid movement into or out of the tank;

b) weather changes (e.g. pressure and temperature changes);

c) fire exposure;

d) other circumstances resulting from equipment failures and operating errors.

其中c项即是火灾工况。并且在3.3.3章节中规定了火灾工况超压泄放气流的计算方法。在此不再展开。感兴趣的朋友可以自行翻阅。

那么既然API 2000在原始条款中将火灾工况的超压气流计入储罐气相总的泄放流量，国内标准在引进借鉴API 2000时，为什么单单漏掉了这一项呢？是疏忽大意吗？绝对不是。而是这里面夹杂着一个重要因素，那就是固定水喷淋系统。

在API 2000第3.3.3章节关于火灾工况超压泄放流量的计算公式中，是直接假设火灾以热辐射的形式直接烘烤罐壁，储罐罐壁没有任何的降温冷却措施。那么API 2000的计算公式为什么要做这个假设呢？实际上也不能叫假设，因为现场确确实实有大量储罐没有配置固定水喷淋系统。在引用的《NFPA 30 Flammable and Combustible Liquids Code》标准里,无论是涉及到火灾工况下超压泄放气流的计算中（NFPA 30 Chapter 22.7.3.5）还是防火工程措施要求中（NFPA 30 Chapter 22.5.2.4），都将固定水喷淋系统列为一种可选地非强制性的措施。所以那些没有配置固定水喷淋系统的储罐，是国外是普遍存在的。

但是到了国内，我们国家在引进API 2000和NFPA 30之类的标准的同时，并没有完全照搬这些标准条款，而是基于国情有选择地进行了本土化的改良，在这些改良后的标准条款中，有两个方向产生了显著的影响，第一个就是储罐之间防火间距的扩大，以基于最大限度来降低相邻储罐火灾带来的热辐射影响，第二个就是固定水喷淋冷却系统的强制安装。可以说，这两个因素理论上可以一定程度上抵消火灾工况下热辐射对储罐温升的影响。那么有了这两个强制性条件的加持，我们在计算储罐气相超压泄压流量的过程中，也就不再考虑火灾工况了。自然而然的就剩下氮封失效这个场景了。

结论：

归根结底，由于国内外使用环境和标准的特殊差异，国内在参考借鉴国外标准的基础上，结合国内实际情况，规定了固定顶储罐（包含内浮顶罐）设置紧急泄压人孔的必要性和前提条件：氮封+固定水喷淋。至于储罐要不要设氮封和固定水喷淋，可以根据储罐的介质特性和容量，依据相关标准执行实施。