安全阀计算实例

安全阀计算实例安全阀系压力容器在运行中实现超压泄放的安全附件之一，也是在线压力容器定期检验中必检项目。它包括防超压和防真空两大系列，即一为排泄容器内部超压介质防止容器失效，另一方面则为吸入外部介质以防止容器刚度失效。凡符合《容规》适用范围的压力容器按设计图样的要求装设安全阀。一．安全阀的选用方法a）根据计算确定安全阀.公称直径.必须使安全阀的排放能力≥压力容器的安全泄放量b）根据压力容器的设计压力和设计温度确定安全阀的压力等级;c）对于开启压力大于3MPa蒸汽用的安全阀或介质温度超过320℃的气体用的安全阀,应选用带散热器(翅片)的形式;d）对于易燃、毒性为极度或高度危害介质必须采用封闭式安全阀,如需采用带有提升机构的,则应采用封闭式带板手安全阀;e）当安全阀有可能承受背压是变动的且变动量超过10%开启压力时,应选用带波纹管的安全阀;f）对空气、60℃以上热水或蒸汽等非危害介质,则应采用带板手安全阀g）液化槽(罐)车,应采用内置式安全阀.h）根据介质特性选合适的安全阀材料:如含氨介质不能选用铜或含铜的安全阀;乙炔不能选用含铜70%或紫铜制的安全阀.i）对于泄放量大的工况,应选用全启式;对于工作压力稳定,泄放量小的工况,宜选用微启式;对于高压、泄放量大的工况,宜选用非直接起动式,如脉冲式安全阀.对于容器长度超过6m的应设置两个或两个以上安全阀.j）工作压力Pw低的固定式容器,可采用静重式（高压锅）或杠杆重锤式安全阀.移动式设备应采用弹簧式安全阀.k）对于介质较稠且易堵塞的,宜选用安全阀与爆破片的串联组合式的泄放装置.l）根据安全阀公称压力大小来选择的弹簧工作压力等级.安全阀公称压力与弹簧工作压力关系,见表1m）安全阀公称压力PN与弹簧工作压力关系表表1P弹簧工作压力等级N1.60.06～0.10.120.16～0.250.25～0.40.4～0.50.5～0.60.6～0.80.8～1.01.0～1.31.3～1.62.51.3～1.61.6～2.02.0～2.5只能用于大于1.3MP6.4-1.3～1.61.6～2.02.0～2.52.5～3.23.2～4.04.0～6.4只能用于大于1.3MPa104～55～6.46.4～88～10只能用于大于4.0MPa安全阀应动作灵敏可靠,当到达开启压力时,阀瓣应及时开启和完全上升,以顺利排放;同时应具有良好的密封性能,不仅正常工作时保持不漏,而且要求阀瓣在开启复位后及时关闭且保持密封;在排气压力下阀瓣应达到全开位置,无震荡现象,并保证排出规定的气量。二．安全阀计算实例我们在压力容器设计和定期检验中均要求对安全阀的安全排放能力进行选型或校验计算。基于以往资料不齐全,往往以大代小,造成不必要的浪费。现拟以GB150附录B-B5.1b)为依据，用不同介质、压力、温度对安全阀的安全排放量进行选型计算。例1：有一空气储罐,DN1000㎜，容积V=5m3最高工作压力为0.8MPa，工作温度为30℃进口管为φ57X3.5,确定安全阀尺寸.解1)确定气体的状态条件设Po—安全阀出口侧压力（绝压）0.103MPa（近似为0.1MPa）则Pd—安全阀泄放压力（绝压）为Pd=1.1Pw+0.1+10%P=1.068MPa（GB150附录B4.2.1）当安全阀出口侧为大气时:Po/Pd=0.103/1.068=0.0936而（2/(k+1)）k/(k-1)=（2/(1.4+1)）1.4/(1.4-1)=0.53∴Po/Pd＜（2/(k+1)）k/(k-1)是属于临界状态条件,安全阀排放面积A按（B5）计算A≥mm（B5）式中:C气体特性系数,查表B1或C=520√k（2/(k+1)(k+1)/(k-1)）K—安全阀额定泄放系数,K=0.9倍的泄放系数(泄放系数由制造厂提供,一般为0.75);或按《容规》附件五第二节有关规定中选取.2)容器安全泄放量的计算:盛装压缩气体或水蒸汽的容器安全泄放量,按下列规定来确定a.对压缩机贮罐或水蒸汽的容器,分别取压缩机和水蒸汽发生器的最大产气量;b.气体储罐等的安全泄放量按(B1)式计算Ws=2.83×10-3ρυd2㎏/h(B1)式中ρ为排放压力下的气体密度.ρ=M（分子量）×Pw’(排放绝对压力)×273/(22.4×(273+t))空气M=28.95排放绝对压力Pw’=10.68㎏/㎝2代入上式得ρ=28.95×10.68×273/22.4×303=12.44㎏/m3υ—容器在工作压力下的进口管的气体流速m/s;查表2得υ=10～15m/s一些常用气体流速范围表2流体名称/输送压力MPa流速范围m/s流体名称/输送压力MPa流速范围m/s压缩空气0~0.1＞0.1~＜0.6＞0.6~＜1.0＞1.0~＜2.0＞2.0~＜3.0一般气体（常压）10~1510~2010~158~103.0~6.010~20饱和水蒸汽（主管）（支管）煤气（初压）2KPa（初压）6KPa氨气≤0.61.0~2.040~6035~400.75~3.03~1210~203.0~8.0氧气＜0.60.05~0.6饱和水蒸汽（主管）（支管）低压蒸汽＜1.0低压蒸汽＜1.0低压蒸汽＜1.05.0~10.07.0~8.030~4020~3015~2020~4040~60液氨氮气5~10乙炔气氢气自来水（主管）（支管）易燃气体0.3~1.02.0~5.02.0~8.0≤8.01.5~3.51.0~1.5≤1.0取υ=10m/s.将上述ρ、ν、d代入得Ws=2.83×10-3×12.44×15×502=1320.2㎏/h则A==205.4mm2若采用带板手全启式安全阀A=0.785d02=205.4mm2d0=(205.4/0.785)1/2=16.2㎜根据统计概算,全启式安全阀的喉径d0与公称直径DN之比约为0.625,而微启式安全阀的喉径d0与公称直径DN之比约为0.8.∴选用公称直径DN32的全启式带板手安全阀.安全阀公称直径与喉径关系表3安全阀公称压力\公称直径DN15、20、25、32、40、50、80、100全启式PN(MPa)1.0、2.5、4.0、6.4do20、25、32、50、65PN(MPa)10.020、25、32、40、50PN(MPa)16、3212、20微PN(MPa)1.6、2.5、4.0、do12、16、20、25、32、40、65、80启式6.4PN(MPa)16、32do812PN(MPa)16、3214/16例2.将例题1的介质改为蒸汽。解：在压力容器中，绝大多数安全阀的出口侧压力与它的泄放压力之比即Po/pd都小于理论值0.528。（此值由空气作试验介质求得Po/pd=0.528）属于临界状态。Pd——安全阀的泄放压力（绝压）Pd=1.1×P＋0.1MPa=1.1×1.1Pw＋0.1=1.21×0.8＋0.1=1.068MPa查得ρ=5.388Kg/m3.K=455°(t=182℃)∴WS=2.83×10-3ρνd2=2.83×10-3×5.388×25×502=953Kg最小排放面积AA=其中蒸汽在工作温度和压力下的压缩系数Z。可根据高鸿华主编《压力容器安全技术问题》第71问中的公式进行计算：（注1）Z===0.93式中：R——848Kg·m/Kmol·KT——蒸汽绝对温度Kν——蒸汽比容M——分子量。蒸汽k=1.135∴A==245.7mm2do===17.7㎜取DN=32的安全阀。（do=20㎜）注1、介质压缩系数可按GB150附录B章进行计算，一些常用介质的临界特性，由表4查得某些气体的主要物理特性表4名称分子量临界温度t℃临界压力Patm(绝压)K=Cp/Cv氢H22.02-239.912.81.407氧O232-118.849.711.4空气29-140.837.251.4氧化氮NO30-9467.21.4二氧化碳CO24431.172.91.30水蒸汽H2O18.2374.1225.41.3(过热)1.135氨NH317.03132.4111.51.29硫化氢H2S34.09100.488.91.3氟-12CF2Cl2120.09111.739.61.14氯Cl270.91144.076.11.36丙烷C3H844.0996.8442.011.133丁烷C4H1058.12152.0137.471.094苯C6H678.11287.648.71.18乙炔H2C226.0436.361.61.238异丁烷558.1236.001.0798.12上述的工况。同样可以用（B7）式进行计算。该式在计算时略去繁锁系数Z的计算，当Pd≤10Mpa时A===242.8mm2do===17.6㎜众所周知，压缩系数Z是反映了真实气体在压力、温度和比容之间的关系上和理想气体的差异。在常温及压力不太高的情况下，真实气体与理想气体的差异不大。即压缩系数Z≈1，而一般常用的二原子气体，如空气、氧、氮、氢及一氧化碳等气体的绝热指数K均为1.4。因此，安全阀排量计算公式简化为下式：W=27KPdA用例题1的工况，代入后即得A==205.4mm2Do===16.2㎜与例题1的详细计算相差极小，另一方面应注意的是，如合成氨的循环机的安全阀，由于出口侧的压力很大。因而压力比Po/Pd(2/(k+1))k/(k-1)属于处在亚临界状态，则应用式(B6)来计算安全阀泄放量。但锅炉系统的安全阀选型计算要以《锅规》所给出的公式及系数进行计算。例3：液化石油气贮罐，筒体内径Di=1600㎜,长度L=6000㎜，壁厚δn=16㎜,V=13.3m3,封头形式为椭圆，介质组分为:丙烯50%、丙烷15%、正异丁烯15%、正异丁烷15%、残液5%.液化石油气组分见表5。液化石油气单一成分组分及汽化潜热表5重量组分X1丙烷C3H8丙烯C3H6正异丁烯正异丁烷残液50℃汽化潜热kJ/kg285.5285.96343.7317.8337液化石油气贮罐，一般不设保温且夏日均配备水喷淋予以冷却。解：对无绝热材料保冷层的压力容器其安全泄放量按（B3）计算。W=2.55×105FAt×0.82/qkg/h式中：F—系数，对于地面上的容器，F=1At—容器受热面积，椭圆封头的卧式贮罐At=πD0(L+0.3D0)=3.14×1.632（6.916+0.3×1.632）=37.9㎡50℃汽化潜r=∑Xiri=285.5×0.15＋285.96×0.5＋343.7×0.15＋317.8×0.15＋337×0.05=301.9KJ/㎏∴安全泄放量W’===16640㎏/h安全阀的泄放能力计算对于贮罐的筒体长度≥6m时，应设置两个安全阀。在一般情况下分半值来计算较为合理。这样才不致于使安全阀选得过于大型而造成浪费。安全阀的最小排气面积A为A===577.3mm2式中Pd=1.1P＋0.1=1.1×1.8＋0.1=2.08MPaM分子量=44(以主要成分丙烷)∴do===27.12㎜选用DN40A42H—4.0的全启式安全阀两只。（此档安全阀最小公称直径为40）由两台或两台以上的装置集中输气到一个贮罐（集中罐）。或由一台设备分别输气到几个贮罐（分气罐）时。贮罐的安全泄放量的计算见例4。例4、由两台空气压缩机同时向体积为V=100m3的集气罐输气。其输气压力为Pw=1.0MPa；t为常温。进气管为φ108×4。此时贮罐的安全泄放量。∵在Pw=1.0Mpa；t=20℃时，ρ=12.87㎏/m3。取进气管的气体流速为ν=15m/s∴贮罐的安全泄放量W为W‘=7.55(ρo)Vd2=7.55×1.293×15×1002×=6.55×103㎏/h式中：ρo——气体在标准状态下的密度㎏/m3；空气在标准状态下的P=12.87㎏/m3Pd——容器的排放压力MPa（绝对）T——容器的排放温度（绝对）Kd——容器的总进气管内径㎜实际上W＇=7.55ρoVd2与W=28×10-3ρVd2是等效的，不同处在于不用去求取气体在排放状态下的密度ρ（㎏/m3）。除上述的一些常见的贮罐外，我们还遇到如