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摘 要：本文对铁路常压罐车呼吸式安全阀整定压力设定进行了研究分析，对既有罐车安全阀整定压力进行了核算，根据分析结果，提出了有关建议。
关键词：铁路罐车;安全阀;呼吸式;整定压力;充装量
呼吸式安全阀是铁路罐车的重要安全附件，它通过调节罐体内部和外部的压力差，来保证铁路罐车运用过程中罐体的安全性。安全阀整定压力的设定对罐车的运用安全尤为重要，本文主要研究分析了非压力铁路罐车安全阀整定压力的设定，对既有安全阀整定壓力进行了核算，根据分析结果，提出了有关建议。
1 安全阀整定压力的定义
整定压力是安全阀在运行条件下的开启预定压力，是在阀门进口处测量的表压力。呼吸式安全阀的压力分为呼出整定压力与吸入整定压力。
2 呼出整定压力的设定
安全阀呼出整定的压力的设定与罐车的充装量有很大关系，也与介质的饱和蒸汽压有关。预留空容积的大小影响罐车运用期间气体空间的压力大小，从而影响罐车呼吸式安全阀整定压力的设置。我国常压铁路罐车既有A41X型安全阀的呼出整定压力为150 kPa，吸入整定压力为1.5 kPa～2 kPa。
2.1 罐车空容积与充装量
常压铁路罐车主要运输液体介质，运输过程中，液体介质随温度升高体积膨胀，为保证罐体安全，应预留足够空容积以供液体膨胀。此外，还需要合理规定充装量。罐车空容积由液体膨胀量和安全裕量两部分容积组成。
GB/T5600规定：罐体空容积应根据装载介质的性质计算决定，在此基础上另将罐体空容积与有效容积之比增加0.5%～2%作为容积裕度。
《铁路危险货物运输管理规则》规定：应根据充装货物的密度、罐车标记载重量、标记容积确定充装量。充装重量不得大于罐车标记载重，且充装上限不得大于罐体标记容积的95%，下限不得小于罐体标记容积的83%。
2.2 罐车气体空压力计算
以GQ70型轻油罐车为例：汽油在常温50℃的饱和蒸汽压为86.9 kPa，轻油罐车装载汽油后罐体上部气体空间的压力并不取决于汽油的饱和蒸汽压。一方面环境温度升高会使介质膨胀，挤压气体空间造成压力升高，另一方面，气体空间的空气与油气的混合物升温也会造成压力升高。以下为模拟计算罐体顶部的最高压力。
已知：GQ70型轻油罐车罐体总容积为80.3 m3，有效容积为78.7 m3，空容积1.6 m3，实际按95%标记容积装载。罐体长度为11 100 mm，罐体外径为3 070 mm～3 170 mm。汽油体积热膨胀系数为0.001 25/℃，碳钢的热膨胀系数为1.06×10-6/K～12.2×10-6/K。空气在汽油中的溶解可忽略不计。假设罐体升温50℃，则罐体体积膨胀应为0.009 m3，由此可见，罐体膨胀的体积很小，可忽略不计。
（1）按装车温度20℃，介质温度升温30℃计算。可知则汽油膨胀体积为2.81 m3。
装车温度20℃时，罐内气体空间压力为P0，汽油饱和蒸汽压为37.1 kPa，根据分压定理，空气的压力应为63.9 kPa，空气与汽油物质的量之比为：n空气：n汽油蒸汽=63.9：37.1=1.72
升温至50℃后，根据气态方程，空气产生的压力137.4 kPa，50℃时汽油饱和蒸汽压为86.9 kPa，则罐内气体空间压力为224.3 kPa（绝压），即123.3 kPa（表压）。
（2）假设罐内中心温度为装车温度0℃，汽油表面温度为环境温度40℃，则汽油平均为26.7℃。汽油膨胀体积为2.50 m3。
装车温度0℃时，罐内气体空间压力为P0，汽油饱和蒸汽压为17.9 kPa，根据分压定理，空气的压力应为83.1 kPa，空气与汽油物质的量之比应为4.64：1，升温至40℃后，空气产生的压力174.6 kPa，40℃时汽油饱和蒸汽压为69.2 kPa，则罐内气体空间压力为243.8 kPa（绝压），即142.8 kPa（表压）。
从（1）、（2）计算分析可知，既有A41X型呼吸式安全阀呼出整定压力设定为150 kPa满足要求。
2.3 其它罐车气体空间压力情况
按升温30℃情况，分别计算了苯罐车、粘油罐车、甲醇罐车、冰醋酸罐车、食用油罐车、乙二醇罐车气体空间内压，内压力最高为GQ70罐车，其次为冰醋酸罐车，分别为123.3 kPa，121.0 kPa。非危化品罐车由于装载不需要按95%的标记载重装载，内压力最高为食用油罐车，可达130.2 kPa。在同等温升条件下食用油罐车内压比GQ70罐车稍高，但由于食用油饱和蒸汽压几乎为0，不存在介质蒸汽损失的问题。而汽油饱和蒸汽压最高，内压也高，以GQ70罐车为例对安全阀的要求进行计算是合理的。
3 吸入整定压力分析
既有A41X型安全阀的吸入整定压力为1.5 kPa～2 kPa，根据试验结果，吸入流量约为0.011 25 m3/s（标况、全启压力3.5 kPa）。
3.1 罐体承受负压能力校核
以GQ70罐车为例计算校核。
（1）按GB150.3外压圆筒稳定性校核，取3倍安全系数，负压允许值可达29 kPa。
（2）采用ANSYS有限元软件，利用特征值法和非线性法分别计算了罐体的临界失稳压力，取3倍安全系数，负压允许值可达23.3 kPa、20.8 kPa。
因此，既有A41X型安全阀吸入整定压力设定为1.5 kPa～2 kPa在罐体承受负压范围内。
3.2 安全阀吸入能力核算
空罐条件下，罐内气体降温形成负压速度有可能较快，这就要求安全阀吸入空气的速度也相应较快。
3.2.1 空罐内气体降温30℃后需要补充的气体量 假设罐车初始温度为50℃，急剧降温后罐体气体下降为20℃，由气态方程可计算罐内压力为91.6 kPa，即罐体负压为9.4 kPa。罐内气体假设为理想气体，按空气参数计算，则初始条件下罐内气体物质的量为3 021.5 mol，罐内外气体需重新达到平衡状需要的气体物质的量为3 330.9 mol，需补充气体309.4 mol，换算成标态空气约为6.9 m3。
3.2.2 空罐内气体降温30℃所需时间
假设罐内全部为空气，罐内气体初始温度50℃，外界环境温度20℃，热交换主要为在罐壁自然对流。按大空间自然对流、水平圆柱计算方式，空气对流热交换系数计算，罐内空气由50℃降为20℃损失的热量为3 135.8 kJ，罐体表面积为124.6 m2，则降温30℃所需时间计算得591 s。
3.2.3 安全阀平衡负压所需时间
A41X型呼吸式安全阀的吸入整定压力为1.5 kPa～2 kPa时，按试验数据单个安全阀吸入流量0.011 25 m3/s，吸入6.9 m3的空气需要的时间为308 s。
根据计算结果，罐体平均压降速度为0.015 9 kPa/s，为维持内压平衡，补充空气的速度平均为0.011 7 m3/s。GQ70罐车装用2个A41X型呼吸式安全阀，安全阀吸气量为0.022 5 m3/s。吸入阀开启压力设置为2 kPa时吸入量能满足要求。
上述计算若考虑罐内空气对流热交换的时间，实际降温时间应大于591 s，要求补充空气的速度比0.011 7 m3/s更小，所以安全阀的吸入量是满足罐体安全要求的。
3.3 其它常压罐车
其它常压罐车如：苯罐车、粘油罐车、甲醇罐车、冰醋酸罐车、食用油罐车等，罐体直径、长度尺寸总体相差不大，对安全阀吸入整定压力、吸入量要求相当。
4 结论
（1）既有常壓罐车呼出整定压力150 kPa、吸入整定压力1.5 kPa～2 kPa、吸入量能满足罐车安全要求。
（2）安全阀吸入整定压力1.5 kPa～2 kPa有较大安全裕量，可以考虑适当提高该压力。
（3）装运饱和蒸汽压较低介质的罐车内压比既有安全阀设定的呼出整定压力低很多，充装量可适当增大，能充分利用罐体容积增大车辆载重。
参考文献：
[1]周震.锅炉压力容器压力管道安全泄放装置实用手册安全阀[M].北京：中国标准出版社，2003.
[2]国际海运危险货物规则[S].中华人民共和国海事局.大连，2011.1.
[3]余国琮.化工机械工程手册（上卷）[M].北京：化学工业出版社，2003.
关键词：铁路罐车;安全阀;呼吸式;整定压力;充装量
呼吸式安全阀是铁路罐车的重要安全附件，它通过调节罐体内部和外部的压力差，来保证铁路罐车运用过程中罐体的安全性。安全阀整定压力的设定对罐车的运用安全尤为重要，本文主要研究分析了非压力铁路罐车安全阀整定压力的设定，对既有安全阀整定壓力进行了核算，根据分析结果，提出了有关建议。
1 安全阀整定压力的定义
整定压力是安全阀在运行条件下的开启预定压力，是在阀门进口处测量的表压力。呼吸式安全阀的压力分为呼出整定压力与吸入整定压力。
2 呼出整定压力的设定
安全阀呼出整定的压力的设定与罐车的充装量有很大关系，也与介质的饱和蒸汽压有关。预留空容积的大小影响罐车运用期间气体空间的压力大小，从而影响罐车呼吸式安全阀整定压力的设置。我国常压铁路罐车既有A41X型安全阀的呼出整定压力为150 kPa，吸入整定压力为1.5 kPa～2 kPa。
2.1 罐车空容积与充装量
常压铁路罐车主要运输液体介质，运输过程中，液体介质随温度升高体积膨胀，为保证罐体安全，应预留足够空容积以供液体膨胀。此外，还需要合理规定充装量。罐车空容积由液体膨胀量和安全裕量两部分容积组成。
GB/T5600规定：罐体空容积应根据装载介质的性质计算决定，在此基础上另将罐体空容积与有效容积之比增加0.5%～2%作为容积裕度。
《铁路危险货物运输管理规则》规定：应根据充装货物的密度、罐车标记载重量、标记容积确定充装量。充装重量不得大于罐车标记载重，且充装上限不得大于罐体标记容积的95%，下限不得小于罐体标记容积的83%。
2.2 罐车气体空压力计算
以GQ70型轻油罐车为例：汽油在常温50℃的饱和蒸汽压为86.9 kPa，轻油罐车装载汽油后罐体上部气体空间的压力并不取决于汽油的饱和蒸汽压。一方面环境温度升高会使介质膨胀，挤压气体空间造成压力升高，另一方面，气体空间的空气与油气的混合物升温也会造成压力升高。以下为模拟计算罐体顶部的最高压力。
已知：GQ70型轻油罐车罐体总容积为80.3 m3，有效容积为78.7 m3，空容积1.6 m3，实际按95%标记容积装载。罐体长度为11 100 mm，罐体外径为3 070 mm～3 170 mm。汽油体积热膨胀系数为0.001 25/℃，碳钢的热膨胀系数为1.06×10-6/K～12.2×10-6/K。空气在汽油中的溶解可忽略不计。假设罐体升温50℃，则罐体体积膨胀应为0.009 m3，由此可见，罐体膨胀的体积很小，可忽略不计。
（1）按装车温度20℃，介质温度升温30℃计算。可知则汽油膨胀体积为2.81 m3。
装车温度20℃时，罐内气体空间压力为P0，汽油饱和蒸汽压为37.1 kPa，根据分压定理，空气的压力应为63.9 kPa，空气与汽油物质的量之比为：n空气：n汽油蒸汽=63.9：37.1=1.72
升温至50℃后，根据气态方程，空气产生的压力137.4 kPa，50℃时汽油饱和蒸汽压为86.9 kPa，则罐内气体空间压力为224.3 kPa（绝压），即123.3 kPa（表压）。
（2）假设罐内中心温度为装车温度0℃，汽油表面温度为环境温度40℃，则汽油平均为26.7℃。汽油膨胀体积为2.50 m3。
装车温度0℃时，罐内气体空间压力为P0，汽油饱和蒸汽压为17.9 kPa，根据分压定理，空气的压力应为83.1 kPa，空气与汽油物质的量之比应为4.64：1，升温至40℃后，空气产生的压力174.6 kPa，40℃时汽油饱和蒸汽压为69.2 kPa，则罐内气体空间压力为243.8 kPa（绝压），即142.8 kPa（表压）。
从（1）、（2）计算分析可知，既有A41X型呼吸式安全阀呼出整定压力设定为150 kPa满足要求。
2.3 其它罐车气体空间压力情况
按升温30℃情况，分别计算了苯罐车、粘油罐车、甲醇罐车、冰醋酸罐车、食用油罐车、乙二醇罐车气体空间内压，内压力最高为GQ70罐车，其次为冰醋酸罐车，分别为123.3 kPa，121.0 kPa。非危化品罐车由于装载不需要按95%的标记载重装载，内压力最高为食用油罐车，可达130.2 kPa。在同等温升条件下食用油罐车内压比GQ70罐车稍高，但由于食用油饱和蒸汽压几乎为0，不存在介质蒸汽损失的问题。而汽油饱和蒸汽压最高，内压也高，以GQ70罐车为例对安全阀的要求进行计算是合理的。
3 吸入整定压力分析
既有A41X型安全阀的吸入整定压力为1.5 kPa～2 kPa，根据试验结果，吸入流量约为0.011 25 m3/s（标况、全启压力3.5 kPa）。
3.1 罐体承受负压能力校核
以GQ70罐车为例计算校核。
（1）按GB150.3外压圆筒稳定性校核，取3倍安全系数，负压允许值可达29 kPa。
（2）采用ANSYS有限元软件，利用特征值法和非线性法分别计算了罐体的临界失稳压力，取3倍安全系数，负压允许值可达23.3 kPa、20.8 kPa。
因此，既有A41X型安全阀吸入整定压力设定为1.5 kPa～2 kPa在罐体承受负压范围内。
3.2 安全阀吸入能力核算
空罐条件下，罐内气体降温形成负压速度有可能较快，这就要求安全阀吸入空气的速度也相应较快。
3.2.1 空罐内气体降温30℃后需要补充的气体量 假设罐车初始温度为50℃，急剧降温后罐体气体下降为20℃，由气态方程可计算罐内压力为91.6 kPa，即罐体负压为9.4 kPa。罐内气体假设为理想气体，按空气参数计算，则初始条件下罐内气体物质的量为3 021.5 mol，罐内外气体需重新达到平衡状需要的气体物质的量为3 330.9 mol，需补充气体309.4 mol，换算成标态空气约为6.9 m3。
3.2.2 空罐内气体降温30℃所需时间
假设罐内全部为空气，罐内气体初始温度50℃，外界环境温度20℃，热交换主要为在罐壁自然对流。按大空间自然对流、水平圆柱计算方式，空气对流热交换系数计算，罐内空气由50℃降为20℃损失的热量为3 135.8 kJ，罐体表面积为124.6 m2，则降温30℃所需时间计算得591 s。
3.2.3 安全阀平衡负压所需时间
A41X型呼吸式安全阀的吸入整定压力为1.5 kPa～2 kPa时，按试验数据单个安全阀吸入流量0.011 25 m3/s，吸入6.9 m3的空气需要的时间为308 s。
根据计算结果，罐体平均压降速度为0.015 9 kPa/s，为维持内压平衡，补充空气的速度平均为0.011 7 m3/s。GQ70罐车装用2个A41X型呼吸式安全阀，安全阀吸气量为0.022 5 m3/s。吸入阀开启压力设置为2 kPa时吸入量能满足要求。
上述计算若考虑罐内空气对流热交换的时间，实际降温时间应大于591 s，要求补充空气的速度比0.011 7 m3/s更小，所以安全阀的吸入量是满足罐体安全要求的。
3.3 其它常压罐车
其它常压罐车如：苯罐车、粘油罐车、甲醇罐车、冰醋酸罐车、食用油罐车等，罐体直径、长度尺寸总体相差不大，对安全阀吸入整定压力、吸入量要求相当。
4 结论
（1）既有常壓罐车呼出整定压力150 kPa、吸入整定压力1.5 kPa～2 kPa、吸入量能满足罐车安全要求。
（2）安全阀吸入整定压力1.5 kPa～2 kPa有较大安全裕量，可以考虑适当提高该压力。
（3）装运饱和蒸汽压较低介质的罐车内压比既有安全阀设定的呼出整定压力低很多，充装量可适当增大，能充分利用罐体容积增大车辆载重。
参考文献：
[1]周震.锅炉压力容器压力管道安全泄放装置实用手册安全阀[M].北京：中国标准出版社，2003.
[2]国际海运危险货物规则[S].中华人民共和国海事局.大连，2011.1.
[3]余国琮.化工机械工程手册（上卷）[M].北京：化学工业出版社，2003.