压力容器安全阀的工艺计算、选用及安装

压力容器安全阀的工艺计算、选用及安装

姓名：,孙文斌

单位：盛虹炼化（连云港）有限公司   省市：江苏省连云港    邮编：222042

摘  要：压力容器为石油化工企业常用设备，其设备安全问题亦备受重视。而安全阀作为压力容器的安全泄放装置，由于其结构简单、紧凑、轻便、调试方便、灵敏可靠，在压力容器上被大量采用。本文介绍了安全阀的相关操作条件定压、积聚压力、最高泄放压力以及背压的计算过程，介绍了安全阀在外部火灾和容器故障几种常见情况下泄放量的计算过程以及安全阀在气体和液体不同介质下喷嘴面积的计算过程，并以液化烃丁烯-1球罐为例介绍了压力容器安全阀工艺计算的全过程。另外，文章还简单介绍了压力容器安全阀的几种常见类型、工作原理、使用优缺点以及选用和安装时的一般原则和相关注意事项。

关键词：压力容器  安全阀  工艺计算  选用  安装

前言

安全阀是一种起到安全防护的阀门，其启闭部在受到外部力量的影响时，通常为正常关闭，当装置或管路中的流体的压力上升到一定程度，超出了安全阀的设置范围后，就会自动打开，以避免在管线或装置中的媒体压力超出所需的标准。安全阀是一种自动阀，它主要应用在锅炉、压力容器和管道上，它可以控制压力不超过设置的数值，对人体安全和设备运行有很大的保护作用。

1. 安全阀的工艺计算

1.1  操作条件的确定

1.1.1定压Ps

安全阀的开启压力，不应大于设备的设计压力[1]。当安全阀定压等于设备设计压力时，定压Ps：

当P≤1.8 MPa时，Ps＝P+0.18；

当1.8＜P≤4 MPa时，Ps＝1.1P；

当4＜P≤8 MPa时，Ps＝P+0.4；

当P>8 MPa时，Ps＝1.05P；

P为设备最高操作压力，MPa；

Ps为安全阀定压，MPa。

1.1.2积聚压力Pa

安全阀的最高泄放压力与定压之间的差值即为积聚压力。积聚压力可根据以下不同情况选取：

无火压力容器上的安全阀：Pa＝0.1Ps；

着火有爆炸危险容器上的安全阀：Pa＝0.2Ps 。

1.1.3最高泄放压力Pm

安全阀达到最大泄放能力时的压力，一般可按下式确定：

Pm＝Ps+Pa

1.1.4背压P2

安全阀出口压力。对普通型安全阀，背压P2不大于定压Ps的10％。

1.2  安全阀泄放量的确定

造成容器超压的原因有三个：一是火灾；二是操作故障；三是动力故障。确定安全阀的泄放量时，应视工艺过程的具体情况确定，并按可能发生危险情况中的最大一种考虑，但不应该机械的将各种不利情况考虑在同一时间发生[2]。

1.2.1外部火灾

根据容器外部是否有完善的保温层，安全阀泄放量的计算公式不同：

a 对不保温容器

（式1.2.1）

式中  G——容器的安全泄放量，kg/h；

F——泄放减低系数，详见表1.2.1；

A——容器受热面积，m2，按表1.2.2计算；

Hv——安全阀泄压时介质的气化潜热，kJ/kg。

表1.2.1  F—泄放减低系数表

表1.2.2  容器受热面积A的计算[3]

注：容器受热面积A的计算公式中：D为设备外径，单位为m；L为设备总长，单位为m；L′为容器内最高液位，单位为m。

b 对有完善的保温层的容器

（式1.2.2）

式中  t——泄放压力下介质的饱和温度，℃；

λ——常温下隔热材料的导热系数，W/m·K；

δ——保温层厚度，m；

其他符号同前。

1.2.2容器故障

容器在出现以下常见情况下的安全阀泄放量：

1）容器出口阀因误操作关闭时，安全阀的泄放量为在容器进口压力和安全阀定压的压差下，可能进入容器的介质总流量。

2）冷凝器给水中断时，分馏塔顶安全阀的泄放量为塔顶馏出物总量（包括回流）。

3）回流中断时，热源仅由原料带进塔内，安全阀的泄放量为原料进塔气体量。

4）塔顶空气冷却器电机发生故障时，塔顶安全阀泄放量按给水中断情况考虑。

5）换热器破管时，安全阀泄放量要考虑高压侧流体进入低压侧的量。

1.3  安全阀喷嘴面积的计算

计算安全阀尺寸的公式，通常用于计算在要求条件下安全阀泄放所需的有效泄放面积即喷嘴面积，然后再选择安全阀的规格和类型。所选安全阀的有效泄放面积必须等于或大于计算所需的喷嘴面积。

根据介质的不同，喷嘴面积的计算公式也不同：

1.3.1 介质为气体的安全阀喷嘴面积的计算

                                           （式1.3.1）

式中  A0——喷嘴面积，cm

2；

G——气体最大泄放量，kg/h；

Pm——最高泄放压力，MPa（绝压）；

Z ——气体在Pm时的压缩系数；

T1——安全阀入口处介质温度，K；

M ——气体分子量；

C ——气体特性系数，仅与气体的绝热系数有关，可从相关手册中查得；

KF——流量系数，与安全阀结构有关，由制造厂提供，需要时亦可按表1.3.1选用；

Kb——安全阀背压校正系数，普通结构安全阀的Kb值可取1。对于波纹管式（平衡型）安全阀，Kb值可按表1.3.2选用。

表1.3.1  安全阀的流量系数（KF）表

表1.3.2  波纹管式安全阀的背压校正系数（Kb）选用表

1.3.2 介质为液体的安全阀喷嘴面积的计算

                                               （式1.3.2）

式中  GL——液体泄放量，m3/h；

ρ——液体相对密度；

Ps，P2——安全阀的定压、背压，MPa（绝压）；

Ku——粘度校正系数，可从表1.3.3查得；

Kb——背压校正系数，对于普通型安全阀，Kb＝1，对于波纹管式安

全阀，一般由制造厂提供，必要时可从表1.3.4查得。

表1.3.3a  粘度校正系数

表1.3.3b  粘度校正系数

表1.3.4  波纹管式安全阀的背压校正系数（Kb）选用表

1.4  计算实例

现以某公司丁烯-1球罐（2000m3）为例，介绍液化烃容器上安全阀的工艺计算。丁烯-1球罐状况如下：

最高操作压力0.5MPa，设计压力0.75MPa，背压为0.15 MPa，常温，直径为15.7m，设有水喷淋装置，水流量为9L/m2•min。

1.4.1操作条件的确定

安全阀定压Ps＝0.5+0.18=0.68MPa＜0.75MPa，满足要求；

最大泄放压力Pm＝Ps+Pa＝Ps+0.2Ps＝0.816MPa。

1.4.2泄放量的确定

对于易燃液化气体，在发生火灾时，安全阀的泄放量最大。考虑到球罐在各种操作工况下都可能发生火灾事故，故按外部火灾工况计算安全阀泄放量。

查化工工艺设计手册，在最大泄放压力0.816MPa下丁烯－1的饱和温度t为72℃；此状态下乙烯的气化潜热Hv＝298 kJ/kg；

根据表1.2.2，由于球罐直径为15.7m，显然半球面积大于从地平面起到7.5m高度以下所包括的外表面积，所以球罐受热面积为半球外表面积：

A=0.5•π•15.72＝387.2m2；

丁烯－1球罐设有水喷淋装置，但水流量为9L/m2•min≤10L/m2•min，故F取1；

因为丁烯－1球罐为常温操作设备，不保温，所以将以上数据代入式1.2.1计算，得G=113352kg/h。

1.4.3喷嘴面积的计算

丁烯－1球罐操作温度为常温，因此安全阀入口处介质温度为饱和温度，即T1为345K；最高泄放压力Pm为0.816MPa；

查石油化工装置工艺管道安装设计手册得气体特性系数C＝244；

查压缩系数图得Z＝0.83；

丁烯－1的分子量M=56;

安全阀排放介质为气体，选用全启式安全阀，流量系数KF取0.65；

安全阀背压为0.15 MPa，大于定压10%，选用波纹管式安全阀，查表1.3.4，安全阀背压校正系数Kb值取0.95；

排放量G＝113352kg/h；

将上述数据代入式1.3.1计算， A0=208.48cm2；

查安全阀样本，安全阀最终选定规格为8"×10"。

2安全阀的选用与安装

2.1 安全阀的选用

压力容器常用的安全阀有多种，按平衡内压的方式不同可分为弹簧式安全阀、杠杆式安全阀和先导式安全阀。

普通安全阀未设波纹管，设有波纹管结构的安全阀为平衡型安全阀，用于介质腐蚀性校严重或背压波动较大（背压大于定压的10％但不大于30%）的情况。

根据阀门的打开程度，泄压阀可分为全开和微开两种类型。微启型的安全阀具有较低的排水量，通常适用于流体，而全启型的安全阀具有较高的排水量和良好的回座性；可用于气、液两种环境。

2.2  安全阀的安装

对于容积大于等于100m3的液化烃储罐，应设置两个或两个以上的安全阀，且应采用同一型号和规格，其中至少有一个备用。

安全阀在压力容器上应直立安装，便于检修。重量大的安全阀布置时要考虑安全阀拆卸后吊装的可能，必要时设吊杆。

安全阀入口管道应尽量短，如不能靠近布置，则从被保护的容器到安全阀入口的管道总压降，不应超过安全阀定压的3％[4]。若采用先导式安全阀，从容器或安全阀入口管道直接取压时，可不受此限制，但此时需要有两个连接管分别接到主阀和导阀上，如图2.2.1所示。入口管道的管径必须大于或等于安全阀的入口管径，其连接大小头应尽量设在靠近安全阀的入口处，如图2.2.2所示。

介质为易燃、易爆、有毒物料的压力容器安全阀出口需密闭接入火炬放空系统，确有困难时应在安全地点排放，放空管口的水平应该高于以安全阀为中心、半径8m的范围内的最高操作平台3m。连接到密封系统的安全阀出口管道，应该与介质的流动方向呈45度斜接在排放总管的上方，这样可以防止总管中的冷液倒流到分支管中，还可以降低安全阀的反压，如图2.2.3所示。在排放到排气总管或到火炬总管的介质中含有液体时，安全阀的出口应该比总管的高度要高，如果不是这样，就应该按图2.2.3的方法进行排放。

为了方便检查，在泄放阀门的入口和出口均应有关闭阀门。截流阀采用单级阀门，打开后采用铅封，阀杆要横向设置，避免在阀杆与阀盘的联接销被侵蚀或松脱时；阀盘滑动。在设置了分流阀的泄压阀上，泄压阀应进行铅封。

图2.2.1：先导式安全阀由容器直接取压   图2.2.2：设备上的安全阀

图2.2.3：安全阀出口管道与总管连接及卸压系统放液阀

结语

安全阀是压力容器上重要的安全附件，其动作可靠性和性能好坏直接关系到设备和人身的安全，其选用、安装应倍受重视。

（1）安全阀的泄水量要根据特定的工艺流程来决定，要根据可能出现的风险中的最大一种来决定，不应该机械的将各种不利情况考虑在同一时间发生

（2）安全阀的选用应综合考虑介质、操作条件及被保护容器的种类，选择合适的类型，所选用的安全阀喷嘴面积必须大于计算面积。

（3）对于容积大于等于100m3的液化烃储罐，应设置两个或两个以上的安全阀，且应采用同一型号和规格，其中至少有一个备用。

（4）安全阀的安装应同时考虑安全和检修，安装时需靠近被保护的容器，其出口管路应避免袋形，降低背压，减少安全隐患。

参考文献

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验疫总局．固定式压力容器安全技术监察规程（TSG 21-2016）；

[2] 张德姜，王怀义，刘绍叶 主编．石油化工装置工艺管道安装设计手册．北京：中国石化出版社，2009；

[3] 压力容器（GB150-2011）；

[4] 安玉龙，黎圣藜．安全阀的计算和选用．石油化工设计，1993，10；

[5] 石油化工金属管道布置设计规范（SH3012-2011）。

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