常压储罐紧急泄压人孔的设置目的及使用场景解析

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常压内浮顶储罐，作为石油化工企业库区中的常见罐体类型，其储存介质多为甲B、乙类液体。尽管这类储罐被称为常压储罐，但其内部气相空间的压力却会频繁波动。这种压力波动主要源于物料装卸导致的气相空间体积变化，以及外界环境对罐体气相温度的影响，即所谓的大呼吸和小呼吸现象。

为了应对这种气相压力的波动，需要对压力进行无级变速调节。过去，储罐通常会在罐壁四周上方设置排放口，以与大气直接互通。然而，为了减少大气中的VOC排放，现在更多的储罐采用了呼吸阀、单呼阀，甚至配备了密闭油气回收设施等技术。这些改进使得储罐内部气相空间的压力特性日益显著。为了解决这一挑战，各种泄压设施应运而生，其中呼吸阀作为常规泄压设施，又被称为非紧急泄压设施。而紧急泄压设施，如标准规范中提到的“紧急泄放人孔”、“事故泄压设备”和“紧急泄放阀”等，则被视为同一类设备。为便于讨论，本文将统一采用“紧急泄压人孔”这一术语来指代这类设施。

由于本文主要探讨紧急泄压人孔的相关内容，即储罐内部气相压力的正压特性，因此对于负压及真空特性，本文将不作深入探讨。在此提前声明，以避免引起误解。

接下来，我们将深入探讨常压固定顶储罐（包括内浮顶）内部气相压力上升的原因。
这种压力上升主要受到两个因素的影响：一是物料进罐时气相空间体积变化导致的压力波动；二是外界环境因素，如温升和日晒等引起的罐内气相空间温度变化，进而影响压力。接下来，我们将依据理想气体状态方程的三大定律，深入剖析这些压力变化规律。

在理想状态下，当罐内气相空间的量保持恒定时，若温度（T）上升或体积（V）减小，都会导致气相压力（P）的相应增加。然而，气相压力并非可以无限制地上升。一旦压力超过储罐的设计承受极限，其结构完整性将面临严重威胁，甚至可能导致破裂。因此，必须将气相压力控制在安全范围内。为实现这一目的，主动泄压调节变得至关重要。呼吸阀作为常见的调节措施，其工作原理正是通过排出多余气体来降低气相压力。

呼吸阀在气相压力正常时的状态

当罐内的气相压力维持在正常水平时，呼吸阀将保持关闭状态。这是因为它感知到气相压力处于可控范围之内，无需进行调节。然而，一旦气相压力出现波动，超出预设的安全范围，呼吸阀便会启动其调节功能，确保气相压力能够迅速恢复到正常水平。

气相压力超压时呼吸阀的响应

根据《SH/T 3007-2014 石油化工储运系统罐区设计规范》第6条的规定，呼吸阀的主要作用是应对大呼吸（物料进罐）和小呼吸（储罐温升）所产生的气相压力增加。当气相压力超过预设的安全范围时，呼吸阀会迅速启动其调节功能，以保障储罐系统的安全运行。
也就是说，呼吸阀的设计和选型都是基于大呼吸和小呼吸这两种常规情况来确定的。然而，有时也会遇到储罐气相空间压力急剧增大的特殊情况，这时即使呼吸阀开到最大，也可能无法及时释放压力，从而存在罐体撕裂的风险。这种情况可能由两种场景引起：氮封失效和外部火灾。我们先来探讨第一种情况：氮封失效。

对于固定顶类储罐，特别是储存易燃易爆或有毒介质的储罐，通常会配备氮封系统。氮封失效指的是氮封阀（包括各类调节阀）无法正常关闭，导致氮气持续进入储罐内部的气相空间。这种情况下，气相空间压力会不断上升，若没有适当的泄压措施，可能会超过储罐的设计承受能力，进而导致储罐撕裂。为应对这种情况，标准中推荐增加紧急泄压人孔。

此外，《GB 50160-2018 石油化工企业设计防火标准》也明确规定，对于采用氮封或其他气体气封的甲B、乙类液体储罐，应设置事故泄压设备。

那么，在石化规范中提及的事故泄压设备究竟是何方神圣，其设计和选型又该如何进行呢？石化规范本身并未给出明确答案，这时我们需要参考另一项标准：《SH/T 3007-2014 石油化工储运系统罐区设计规范》。该标准在5条款中明确指出，采用氮气或其他惰性气体进行密封保护的储罐，必须配备事故泄压设备，并需遵循以下规定：

a）事故泄压设备的开启压力必须高于呼吸阀的排气压力，同时不得超过储罐的设计正压力；
b）该设备必须能够在氮封或其他惰性气体密封管道系统或呼吸阀发生故障时，确保储罐的安全通气；
c）事故泄压设备可直接与大气相连通；
d）优选的事故泄压设备包括直径不小于DN500的紧急放空人孔盖或呼吸人孔。

综上所述，SH 3007标准为事故泄压设备的设计和选型提供了明确的指导，同时也强调了设置该设备的必要性，以确保在氮封或呼吸阀出现故障导致气相空间超压时，能够及时有效地进行泄放。
有的朋友可能会问，如果只是氮封阀失效，大量氮气持续进入罐内气相空间，那么储罐原有的呼吸阀是否能够起到泄放作用呢？从某种程度上讲，呼吸阀确实能够释放部分压力。然而，它并不能完全有效地应对氮封阀失效所带来的压力激增问题。这主要有两个原因：首先，储罐氮封所使用的氮气压力通常在5kg/cm2至8kg/cm2之间，这一压力远高于呼吸阀的起跳压力（约在6Kpa至5Kpa之间）和储罐的设计压力（常压储罐的设计压力约为2Kpa至6Kpa）。因此，在氮封阀失效期间，罐区气相的泄放速度无法赶上氮气的进入速度，导致储罐内部气相呈现净流入状态。其次，呼吸阀的原始设计目的是为了应对储罐的大呼吸和小呼吸问题，其计算和选型都是基于这两种呼吸量进行的。即使考虑了一定的余量，但仍然无法应对氮封阀失效所带来的巨大气流量。此外，在实际事故场景中，可能会存在多种因素叠加的情况。例如，在南方的某个罐区，夏季某天的中午，雨后初晴时，储罐正在以最大流量进料，同时氮封阀又失效了，导致大量氮气急剧进入气相空间。这种情况下，仅靠原有的呼吸阀已无法应对，必须采取更加有效的措施。于是，“紧急泄压人孔”便成为了关键时刻的救命稻草。

又或者，有些朋友可能会想，如果不设置紧急泄压人孔，只是多安装几个呼吸阀是否就足够了？确实，从技术层面来看，这是可行的。但如果我们深入思考一下，这样的做法真的经济高效吗？安装两个DN300的呼吸阀需要不小的成本，而且还需要在罐顶上开两个孔。相比之下，一个简单且便宜的紧急泄压人孔就能解决问题，只需在罐顶上开一个孔，这样不是更香吗？

以上我们主要探讨了氮封失效导致的压力骤增场景。接下来，我们进一步探讨另一种压力骤增的情境：外部火灾。实际上，外部火灾对储罐气相压力的影响远比氮封失效更为剧烈。然而，在相关标准条文中，规定设置紧急泄放设备的条款却只提到了氮封故障，并未明确提及外部火灾的工况。

要理解这个问题，我们需要追溯国内标准相关条款的历史渊源。无论是GB 50160还是SH 3007，这些标准中关于储罐呼吸排放量的计算主要参考了《API STD 2000 Venting atmosphere and low pressure storage tank》和《NFPA 30 Flammable and Combustible Liquids Code》这两个美标。在API STD 2000的最新2020版中，第1条明确列出了导致储罐气相空间超压的几个因素，其中包括液体进出储罐的运动。但遗憾的是，关于外部火灾的影响并未在标准中明确提及。
b) 天气变化，例如压力和温度的变化；
c) 火灾暴露；
d) 设备故障和操作错误导致的其他情况。
其中，c项特别指出了火灾工况。此外，在3章节中还详细规定了火灾工况下超压泄放气流的计算方法，但在此我们不再深入探讨，感兴趣的朋友可以自行查阅相关资料。

那么，为何在引进和借鉴API 2000时，国内标准唯独遗漏了火灾工况的超压气流计算呢？这并非疏忽，而是涉及到一个关键因素——固定水喷淋系统。

在API 2000第3章节中，关于火灾工况下超压泄放流量的计算公式，是建立在火灾以热辐射形式直接烘烤罐壁，且罐壁无降温冷却措施的假设之上。这一假设并非随意为之，而是基于现场实际情况——许多储罐确实未配备固定水喷淋系统。同样，在引用的《NFPA 30 Flammable and Combustible Liquids Code》标准中，无论是火灾工况下超压泄放气流的计算（NFPA 30 Chapter 5），还是防火工程措施的要求（NFPA 30 Chapter 4），固定水喷淋系统都被列为一种可选的非强制性措施。因此，未配置该系统的储罐在国外是普遍存在的。


然而，当我们审视国内的标准应用情况时，可以发现，在引进API 2000和NFPA 30等国际标准的过程中，我们并未完全采纳其原始条款。相反，我们根据国内的实际国情，对这些标准进行了适应性的本土化调整。在这些改良后的标准中，两个关键变化尤为引人注目。其一，是储罐间防火间距的增宽，旨在最大程度地减少相邻储罐火灾时的热辐射影响。其二，则是固定水喷淋冷却系统的强制安装，这种系统理论上能够有效抵消火灾工况下的热辐射对储罐温度上升的影响。由于这两个关键改良措施的引入，我们在计算储罐气相超压泄压流量时，可以不再考虑火灾工况的影响，从而简化了计算过程。因此，在评估储罐的安全性能时，我们主要关注的是氮封失效这一场景。

综上所述，国内外标准的应用差异主要源于使用环境和标准的特殊性。在借鉴国际标准的同时，我们结合国内实际情况，为固定顶储罐（包括内浮顶罐）设置了紧急泄压人孔的必要性和前提条件：必须同时具备氮封和固定水喷淋系统。至于是否需要为特定储罐设置氮封和固定水喷淋，则需根据储罐所存储的介质特性和容量，以及相关标准来进行具体分析和决策。