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安全阀反力计算及出口管道设计浅析谭永新王金玉杨明（山东天浩化工设计有限公司济南250101）摘要本文通过多方验证，论证了安全阀反力计算公式，同时在安全阀出口管道的设计方面进行了深入探讨。关键词安全阀反力计算超压泄放背压1前言安全阀是化工装置压力容器、压力管道超压保护的重要设施。在装置运行过程中，当遇到阀门误关、火灾、冷却介质停供、电力故障而导致系统压力超过安全阀设定压力时，阀瓣开启泄压，保护系统设备及管道不因超压而发生事故。大多数化工装置系统操作压力较高，比如合成氨装置中氨合成操作压力可达20~30MPa，一般的中压蒸汽也在2.5MPa左右。而且化工物料多是可燃易爆介质，如果安全阀设计考虑不周，超压泄放时易引起火灾、爆炸等事故。因此从系统安全的角度出发，安全阀的合理计算与设计对化工装置来说是非常重要的。安全阀的计算和选用在很多规范及手册上都有详细讲述，在此便不再赘述。本文根据笔者多年工程设计经验，着重在安全阀反力计算及出口管道的设计两方面进行深入探讨。2安全阀反力计算安全阀阀瓣开启泄放时，管道内流体的快速流动会对排放管道产生一定的作用力，并通过排出管道传至安全阀，并以力矩的形式通过管道作用在安全阀的设备接口。因此需要对这种力和力矩进行计算，以保证安全阀进出口管道及设备接口、法兰的安全。通常设计人员一般采用《安全阀的设置和选用》（HG/T20570-95）中14.0.0-1式进行反力计算，即下式（公式一）：而在API520（2003版）中，安全阀反力计算公式为下式（公式二）：我们可以看出，以上两个公式是有些差异的。下面我们通过一个实例计算，对两个公式的计算结果进行对比。例题：E101加热器需增加两个喉径为65mm的全启式安全阀，该安全阀各项参数见表1。安全阀喉径/mm泄放量/Kg/h公称直径/mm公称压力/Mpa起跳压力/Mpa出口直径/mm泄放管口压力/Mpa操作压力/Mpa操作温度/℃A42Y-40654250010042.751250.2752.5250对安全阀出口进行反力计算，按照公式一计算反力：602621.02101011.285231.021042500100.7851250.2752.284433730.58kTfWAPkMN其中：f—泄放反力（N）W—质量泄放流量（Kg/h）k—绝热指数T—泄放温度（K）M—流体分子量A—泄放管出口面积（mm）P—泄放口压力（bar）按照公式二计算反力：21290.11425001.285231290.10.7851252.7536002.28447307.08kTFWAPkMN其中：F—泄放反力（N）W—气体或蒸汽的流量（Kg/s）k—出口条件下的绝热指数T—出口温度（K）M—流体分子量A—泄放管出口面积（mm）P—泄放口压力（bar）由上可见，两个公式计算结果差别比较大。公式一的计算结果几乎是公式二的五倍。究竟哪一个公式的计算结果更为可信呢？我们再用管道应力分析软件CAESARⅡ中的安全阀泄放反力计算单元来进行验证。CAESARⅡ计算结果如下：从上表可以看出，ThrustatVentPipeExit（放空管管口处反力）=10548.128N计算结果与公式二比较接近。从HG/T20570-95《化工装置工艺系统工程设计规定》的《安全阀的设置和选用》一章引用标准中可知，公式一也来源于API-520，按理说二者计算结果应该一致。但为什么却出现了差异，据笔者分析，可能从API-520引用该计算公式时，由于单位转换出现了一些问题，导致了它与源公式计算结果的不同。当然，这还需要该标准相关内容编者的认可。按以上分析我们可以推断出，公式二的计算结果应该是比较可信的。3安全阀出口管道的设计安全阀出口管道设计时，需要考虑的因素很多，例如：满足介质流速要求、防止背压过大影响安全阀启动、保证安全阀反力不会对阀门及管道造成破坏、避免管道积液等。我们重点从保证安全阀反力不会产生破坏这方面，分析出口管道的合理设计。很多工程师在做放空管设计时喜欢在管口处加两个90度弯头，使放空管最终管口朝下；或者加一个90度弯头，使管口水平排放。如下面两图：A图：B图:他们这样设计的理由是：弯头有效防止了雨水及灰尘进入放空管内。但当我们把上面两种设计做深入分析时，就会发现在安全阀反力存在的情况下，如此设计是存在安全隐患的。首先分析A图，放空管出口向下，泄放时出口处的反力则向上作用，由于弯头1处没有支架承受反力，则反力最终必然以力和力矩的形式作用在安全阀2和管口3处，容易造成安全阀、管口及法兰的破坏。再来分析B图，放空管水平出口，泄放时必然以水平推力的形式作用到管道出口，由于管道上没有反方向支架来承受此反力，则此力必然通过管道以力矩形式作用到安全阀和设备管口处，当反力大到一定程度时，甚至会导致法兰变形、管口撕裂。以上分析可见，图A和图B的管道设计从安全角度来讲是不合理的，但此种配管在很多工程设计文件中经常见到，有些已经随着安全阀泄放而引起了事故，甚至造成了触目惊心的破坏，也留下了深刻的教训。因此，我们在设计安全阀出口管道时，一定要考虑到反力的影响，必须采取措施保证反力不会对安全阀及其连接的设备管口产生破坏，以保证化工装置的正常运行。安全阀出口管道的正确设计如下：排放至开放系统的典型安全阀放空管设计见下图：带排气管的安全阀放空管道布置见下图：在这两种管道布置中，安全阀出口管端部都是垂直向上，泄放时产生的反力则是垂直向下的。由于管道上设有承受垂直反力的管架，因此反力产生的力和力矩不会作用到安全阀及连接的管口或管道上，从而保护了安全阀及连接的管口或管道的安全。小小安全阀看似简单实则关系到化工装置运行的安全，作为系统超压保护的最后一道安全措施，工程设计人员一定要严谨计算、精心设计，使安全阀在关键时刻起到应有的作用，从而保证系统的安全。参考文献：1.化工部工艺系统设计技术中心站主编，化工装置工艺系统工程设计规定（二），化学工业部发布，1996.52.美国石油研究协会，《APIRECOMMENDEDPRACTICE520》（第五版），2003.8