钢桶的安全容量计算
杨文亮
在用钢桶盛装化工油品时，人们往往忽略了它的安全性，不知道油品盛装的多少对油品的安全贮运有着至关重要的关系。国内经常出现的油桶爆炸和火灾事故，是由盛装不合理造成的，但没有多少人会注意它和研究它。多数人只知道因为有热胀冷缩的原因，装油时不能装得太满，但究竟该装多少才合适，似乎都说不出个准数。笔者经过研究，发现各种油品在不同的环境中的热膨胀都不相同，不能同一对待，要经过科学的计算才能确定。
正确地确定油桶的安全灌装容量，既能防止爆炸和火灾事故，又能充分发挥钢桶的作用。
钢桶灌装油品应按季节气候情况，确定各种油品的灌装数量。一般都应使钢桶在灌装油品后，桶内保持5~7%的气体空间，以备油品受热膨胀。在不同季节，200升标准钢桶的油品灌装数量如表1所示。
表1 钢桶灌装油品灌装量（公斤）
油品 |
夏秋季 |
春冬季 |
车用汽油 |
138 |
140 |
工业汽油 |
140 |
142 |
120号溶剂汽油 |
136 |
138 |
200号溶剂汽油 |
140 |
142 |
煤油 |
158 |
158 |
0# 轻柴油 |
160 |
162 |
10# 轻柴油 |
162 |
162 |
重柴油 |
175 |
175 |
农用柴油 |
175 |
175 |
润滑油 |
170 |
170 |
注：此表是按我国华东地区气候确定的，可供其它地区参考。
有时油品质量不好，材料强度不均匀，或者在制造、使用过程中碰伤、磨损，再加上灌装容量不恰当，十分容易造成钢桶爆炸事故。因此，结合钢桶安全灌装容量，还应掌握灌装后的桶内压力是否符合安全要求。
计算桶内压力，必须知道油品的蒸气压力和油品的膨胀系数。从表2和表3中可以分别查出汽油的蒸气压力和油品的膨胀系数。另外，由于桶内气体空间体积、气体温度和压力在装油以后处在不断的变化中，计算桶内压力时也应考虑进去。其变化情况是：
（公式略）
式中：变化前的体积=钢桶总容量－灌装容量；
变化后的体积=变化前的体积－灌装容量×膨胀系数×温度差；
变化后的压力=钢桶实际承受的压力－油品的蒸气压力；
变化前的压力=灌装时的大气压－灌装时的蒸气压力；
变化前的绝对温度=273＋灌装时空气的温度（℃）；
变化后的绝对温度=273＋可能达到的最高温度（℃）。
表2 轻质石油产品膨胀系数
相对密度* |
膨胀系数 |
相对密度* |
膨胀系数 |
相对密度* |
膨胀系数 |
0.695 |
0.001309 |
0.785 |
0.001009 |
0.875 |
0.000769 |
0.705 |
0.001272 |
0.795 |
0.000979 |
0.885 |
0.000746 |
0.715 |
0.001236 |
0.805 |
0.000950 |
0.895 |
0.000723 |
0.725 |
0.001200 |
0.815 |
0.000923 |
0.905 |
0.000699 |
0.735 |
0.001163 |
0.825 |
0.000895 |
0.915 |
0.000678 |
0.745 |
0.001133 |
0.835 |
0.000868 |
0.925 |
0.000656 |
0.755 |
0.001101 |
0.845 |
0.000843 |
0.935 |
0.000635 |
0.765 |
0.001069 |
0.855 |
0.000818 |
0.845 |
0.000615 |
0.775 |
0.001039 |
0.865 |
0.000793 |
|
|
注：由于篇幅关系，本表只列出了部分数据，实际需要时请查阅有关资料。
表3 不同沸点的不同汽油油面上层温度下的汽油蒸气压力
油面上层温度 （℃） |
101千帕（760毫米汞柱）汽油沸点（℃） |
25.9 |
35.8 |
45.8 |
55.8 |
73.9 |
蒸气压 千帕（毫米汞柱） |
0 |
35.20(264) |
22.93(172) |
14.40(108) |
9.60(72) |
3.87(29) |
5 |
43.86(329) |
28.93(217) |
18.30(137) |
12.40(93) |
5.20(39) |
10 |
54.40(408) |
36.26(272) |
23.33(175) |
15.73(118) |
6.66(50) |
15 |
66.66(500) |
44.93(337) |
29.33(220) |
20.00(150) |
8.80(66) |
20 |
81.20(609) |
55.2(414) |
36.53(274) |
25.06(188) |
11.33(85) |
25 |
98.00(735) |
67.50(506) |
45.33(340) |
31.20(234) |
14.40(108) |
30 |
117.60(882) |
81.60(612) |
56.00(417) |
38.53(289) |
18.00(135) |
35 |
140.12(1051) |
98.12(736) |
67.72(508) |
47.20(354) |
22.80(171) |
40 |
165.85(1244) |
117.06(878) |
81.86(614) |
57.33(430) |
28.26(212) |
45 |
195.20(1464) |
139.05(1043) |
98.40(738) |
69.20(519) |
37.80(261) |
50 |
|
164.00(1230) |
117.46(881) |
82.93(622) |
42.40(318) |
55 |
|
192.25(1442) |
139.45(1046) |
99.06(743) |
51.46(386) |
60 |
|
224.40(1683) |
164.25(1232) |
116.92(877) |
62.00(465) |
注：由于篇幅关系，本表只列出了部分数据，实际需要时请查阅有关资料。
下面我们列举两个例子进行分析。
【例1】 钢桶容量为200升，灌装的油品是汽油，相对密度为0.715，沸点35.8℃，数量192升。灌装时温度为3℃，大气压力为101千帕（760毫米汞柱）。油面上层温度为30℃，气体空间温度33℃。求桶内的综合压力数值。
分析：从表3中查得：液面上层温度为30℃、沸点为35.8℃时，蒸气压力为81.6千帕（612毫米汞柱）；灌装时的温度在3℃时，蒸气压力为26.13千帕（196毫米汞柱）。则：
变化前的压力=760－196=564（毫米汞柱）=75.19千帕
从表2中查得：汽油相对密度为0.715时，其膨胀系数为0.001236。则：
变化前的体积=200－192=8（升）
温度达到30℃时的体积（即变化后的体积）=8－192×0.001236×27=8－6.41=1.59（升）
当气温升高为33℃时，大气压力为x。则：
（算式略）
x=3100毫米汞柱=413.3千帕
钢桶内总压力=3100+612=3712毫米汞柱494.9千帕
根据以上计算可知，当气温升到33℃，上层油面温度为30℃时，桶内压力共为494.9千帕（3712毫米汞柱）。钢桶是否会爆炸，就要看钢桶的耐压力是否能承受这个压力，否则在尚未达到33℃时，钢桶就会胀破。
【例2】 已知钢桶的最大允许压力为253千帕（1900毫米汞柱），灌装后桶内气温和上层油温可能升至30℃，油的相对密度为0.710，沸点35.8℃，灌装时温度为0℃，大气压力为101千帕（760毫米汞柱），蒸汽压22.66千帕（170毫米汞柱）。问应灌装多少油品？当气温到达30℃时会不会胀破？
分析：已知钢桶内压在超过253千帕（1900毫米汞柱）时就会胀破。查表3：当油温为30℃、沸点为35.8℃时，蒸汽压力为81.60千帕（612毫米汞柱），因此必须调节钢桶的灌装容量，才能保证安全。
气温达到30℃时：
桶内变化后的压力=1900－612=1288（毫米汞柱）=171.72千帕
变化前的绝对温度=273+0=273
变化后的绝对温度=273+30=303
变化前的压力=760－170=590（毫米汞柱）=78.65千帕
将上列数值代入下式后：
（算式略）
再假定灌装后的空容量为x升，则：
变化后空容量=x－（200－x）×膨胀系数×温度差=x－(200－x) ×0.001255×30=1.03765x－7.53
将变化前后的体积再代入上式得：
（算式略）
x=14（升）
根据计算，即灌装时桶内应留出14升的空间，也就是说可以灌装186升（以0℃时的密度与186相乘，即可得出灌装重），按这个灌装重量灌装油品，当温度由0℃升至30℃时，桶内所形成的压力不致使钢桶胀破。
（本文中的算式，请参考《钢桶制造技术》专业版）
