2-安全阀计算

1安全阀计算、选型与设置主讲：袁天聪教授级高工21目的在石油化工生产过程中，为了防止由于生产事故等造成生产系统压力超过设备和管道的设计压力而发生爆炸事故，应在设备或管道上设置安全阀。安全阀为一种自动阀门。它不借助任何外力，而是利用介质本身的力来排出额定数量的流体，以防止系统内压力超过预定的安全值。当压力恢复正常后，阀门再行关闭并阻止介质继续流出。在工艺和工艺系统专业的设计中，安全阀的设计内容，主要指安全阀的排放量计算和安全阀的设置两个方面。按照国际惯例安全阀的喷嘴面积的计算和选型是由制造商来完成的，所以有关这方面的内容列入附录中。1.2名词对于安全阀的描述在国际上多遵循美国的ASME标准，在该标准中“安全阀”指仅用于蒸汽或气体工况的泄压设施，而用“安全泄压阀”表示包含安全阀、泄压阀、安全泄压阀在内的全部泄压设施。由于历史的原因，在我国是用“安全阀”代表了ASME的安全泄压阀的含义。本规定仍按现行的国家标准来命名，以安全阀代表ASME的安全泄压阀的全部含义，不再区分安全阀、泄压阀、安全泄压阀。2术语、符号2.1安全阀几何尺寸特性2.1.1实际排放面积（排放面积）(Theactualdischargearea)实际排放面积是实际测定的决定阀门流量的最小净面积。对微启式安全阀即为帘面积；对全启式安全阀即为喷嘴面积。2.1.3喷嘴面积(Thenozzlearea)也称喷嘴喉部面积，是指喷嘴的最小横截面积。2.1.6开启高度(lift)是当安全阀排放时，阀瓣离开关闭位置的实际升程。2.2安全阀的动作特性2.2.1工作压力P(MPa.G)(operatingpressure)：设备及管道在正常工作运行期间经常承受的压力；2.2.2最高允许工作压力Pm(MPa.G)（maximumallowableworkingpressure）：在指定的相应温度下，容器顶部所允许承受的最大压力，该压力是根据容器受压元件的有效厚度，考虑了该元件承受的所有载荷而计算得到的，且取最小值。2.2.3背压力(Thebackpressure)Pb(MPa.G)安全阀出口处压力，它是附加背压力和排放背压力的总和；2.2.4整定压力(setpressure)Ps(MPa.G)（也称开启压力openingpressure，简称定压）安全阀阀瓣在运行条件下开始升起的进口压力，在该压力下，开始有可测量的开启高度，介质呈由视觉或听觉感知的连续排放状态；2.2.9排放背压力(built-upbackpressure)Pbd(MPa.G)(也称“积聚背压”或“动背压”)由于介质通过安全阀流入排放系统，而在阀出口处形成的压力；32.2.10附加背压力(superimposedbackpressure)Pbs(MPa.G)(也称“叠加背压”或“静背压”)；安全阀动作前，在阀出口处存在的压力，它是由其它压力源在排放系统中引起的。2.2.12积聚压力(accumulationpressure)Pa(MPa,G)在安全阀排放期间，安全阀的入口压力超出容器的设计压力的增值。以压力的百分数表示，叫做积聚压力。2.2.13排放温度t，℃指排放压力下安全阀上游介质的温度。若介质无相变可按工艺操作温度确定；液化气容器火灾时介质的排放温度，是指安全阀上游在排放压力下介质的饱和温度。2.2.14设计压力（表压）（designpressure）指设备或管道的设计压力，在满足全部操作条件下的温度和压力的最小压力值。也是用来决定容器各部分的最小允许壁厚或机械性能的压力值。2.3安全阀校验2.3.1附加配件：在本规定中专指为安全阀校验目的而在其管路上所配置的固定件，如爆破片、阀门、管道、管件和压力表等。2.3.2在线校验：指利用安全阀管路上的附加配件，校验人员使用合适的专用器具，在安全阀不拆卸下来和生产装置不停工的情况下，在原处进行安全阀校验和压力整定。2.3.3离线校验：指把安全阀拆卸下来，搬运到专门从事安全阀校验的场所，进行安全阀校验和压力整定。2.3.4快速切换装置：指安装在双安全阀下，可快速改变安全阀的在用与备用关系的装置。2.3.5频跳：安全阀阀瓣迅速异常地来回运动，在运动中阀瓣接触阀座。2.3.6颤振：安全阀阀瓣迅速异常地来回运动，在运动中阀瓣不接触阀座。2.3.7铅封：由指定的专业人员用专用工具把安全阀的阀帽锁住，或者把截断阀的手轮按设计要求锁住，不经允许均不能启封的完整活动。3安全阀的分类安全阀有好几种分类方法，如按国家标准分类、按结构分类、按动作原理分类和按阀瓣开启高度分类等。但在石油化工装置中常用的安全阀只有以下几种：3.1先导式安全阀：一种依靠从导阀排出介质来驱动或控制的安全阀，该导阀本身应是符合标准要求的直接载荷式安全阀。3.2平衡波纹管式安全阀：平衡波纹管式安全阀是平衡式安全阀的一种。它借助于在阀瓣和阀盖间安装波纹管的方法，将普通式安全阀的背压影响降低到最少。3.3通用式安全阀（弹簧直接载荷式安全阀）3.3.1全启式安全阀：阀瓣可以自动开启，其实际排放面积不决定于阀瓣的位置。一般用于排放介质为气体的条件下。43.3.2微启式安全阀：阀瓣可以自动开启，其实际排放面积取决于阀瓣的位置。一般用于排放介质为液体的条件下。3.4封闭弹簧式安全阀：指安全阀弹簧罩（阀盖）是封闭的，弹簧不与大气接触。3.5不封闭弹簧式安全阀：指安全阀弹簧罩（阀盖）不封闭，弹簧可与大气接触。4安全阀的设计程序对石油化工装置而言，安全阀的设计是在工艺系统专业，进行PID图的设计过程中完成的。其设计程序一般应包括以下几个步骤：4.1根据8.1中安全阀设置原则，确定需要安装安全阀的设备或管道，并在PID图上标上安全阀；4.2根据5的原则确定安全阀的型式；4.3根据设备或管道的最大操作压力，确定安全阀的整定压力（定压）、积聚压力和排放压力，根据排放工况确定安全阀的背压。4.4对每个安全阀进行火灾、操作、设备三类事故状态的分析，确定其可能发生的几种事故状态；对每个安全阀分别进行几种事故状态下的最大排放量计算，并比较出一种具有最大排放量的工况，它就是该安全阀的排放工况及其排放量；不应将各种不利情况同时叠加来计算。4.5根据排放量及有关操作条件，由制造商进行安全阀口径计算并选型；4.6根据8.2和8.3的内容分析完善PID图上的安全阀设置设计，使之能满足安全阀至少一年校验一次的要求；4.7编制安全阀的数据表。5安全阀的选型5.1排放介质为气体时，一般选用全启式安全阀；排放介质为液体时，一般选用微启式安全阀，也可选用全启式安全阀。当介质为液体选用全启式安全阀时，它的动作性能则变为微启式，其喷嘴内径应按微启式计算，应采用制造厂提供的微启式安全阀的流量系数。5.2在石油、石化生产装置中一般只选用弹簧式安全阀或先导式安全阀。5.3下列情况应选用平衡波纹管式安全阀：5.3.1安全阀的背压力大于其整定压力的10%，而小于30%时；5.3.2当介质具有腐蚀性、易结垢、易结焦，会影响安全阀弹簧的正常工作时；但平衡波纹管式安全阀不适用于酚、蜡液、重石油馏分、含焦粉等的介质上，也不适用于往复压缩机选用。55.4下列情况应选用先导式安全阀：5.4.1安全阀的背压力大于其整定压力的30%以上时；5.4.1对要求安全阀的密封性能特别好的场合；5.4.1对于介质有毒、有害时，应选用不流动式导阀（即导阀打开时，它不向外排放介质）。5.5除用于水、蒸汽、空气、氮气的安全阀外，所有安全阀都应选用封闭弹簧式结构。5.6排放介质的温度大于300℃时，应选用带散热片安全阀；5.7为检查阀瓣的灵活程度或作紧急泄压用时，应选用带板手的安全阀；排放介质为蒸汽时，应选用带板手的安全阀。6安全阀的制造标准及规格6.1安全阀的制造标准目前我国采用的安全阀制造标准有两种：国家标准（弹簧直接载荷式安全阀GB12243）API（美国石油协会）标准（FlangedSteelSafety—ReliefValvesAPIStandard526）6.2安全阀的规格（从API521抄下）规格代表字母DEFGHJK喷嘴面积in20.110.1960.3070.5030.7851.2871.838LMNPQRT喷嘴面积in22.8533.604.346.3811.0516.0026.007安全阀的计算本规定中安全阀的计算，是为确定安全阀的操作参数及所需的最大排放量，以安全阀的最大排放量作为安全阀喷嘴面积的计算依据。7.1技术参数的确定7.1.1定压（Ps）的确定7.1.2积聚压力Pa(MPa,G)的确定6安全阀泄压时，阀前压力超过设备或管道设计压力的值称为积聚压力,一般以设计压力的百分数表示,安全阀超压的最大值可等于积聚压力。计算安全阀的积聚压力，首先要计算安全阀的整定压力。要计算安全阀的设计压力，先要按照确定设备设计压力的程序，进行必要的系统分析后才能完成。(1)非火灾工况的积聚压力装一个安全阀时，压力容器允许的最大积聚压等于10％的设计压力,或0.02(MPa)中较大值；装多个安全阀时，压力容器允许的最大积聚压等于16％的设计压力，或0.03(MPa)中较大值。(2)火灾工况的积聚压力容器允许的最大积聚压等于21％的设计压力。(3)管道允许的最大积聚压力管道允许的最大积聚压等于33％的设计压力。Pa=△Po×Ps(7-1)△Po----超压百分数(%)7.1.3排放压力（Pd）的确定安全阀的排放压力,等于安全阀的定压加上超过压力（△Po)。故按下式计算：Pd=Ps(1+△Po)(MPa.G)(7-2)7.1.4背压（Pb）的确定安全阀的背压是安全阀出口侧的压力。安全阀的背压等于安全阀开启前泄压总管的附加背压力与排放背压力之和。(1)安全阀泄放介质直接排往大气的背压若安全阀泄放介质直接排往大气，安全阀的背压Pb可取值为零。(2)安全阀泄放介质排往火炬的背压若安全阀泄放介质排往火炬，要考虑去火炬的管道及火炬系统的阻力，此时需仔细计算安全阀的背压。对多压力源泄放系统的静背压的确定，应在系统安全分析选定的工况下，在某泄压源泄压前，其它泄压源排放流体时引起的该安全阀出口处总背压值，为该泄压源的静背压。计算时可取最大值作为静背压。此时，应按下列三种工况进行安全阀的选型及计算：①通用式安全阀背压对通用式安全阀背压的要求:Pb＜10%Ps②波纹管平衡式安全阀的背压对波纹管平衡式安全阀的背压的要求:10%Ps＜Pb＜30%Ps7③先导式安全阀的背压由于先导式安全阀是用于要求背压不影响安全阀的工作特性时，故一般可不考虑背压的影响。如果背压较高时，应与制造商协商，在安全阀结构设计上采用必要措施来解决。7.2安全阀排放量的计算造成设备或管道超压的原因主要是：火灾，操作故障，动力故障等。确定安全阀排量应按工艺过程具体考虑。一般是按可能发生的各种单一事故计算其排放量，取其中的最大值，定为工艺要求的安全阀的排放量（又称泄放量），以W表示。本节计算的安全阀的排放量W，是工艺设计对安全阀选型的要求。安全阀的额定排放量Wr，是采用安全阀制造厂的定义；它与工艺设计所需安全阀的排放量之间的关系是：Wr≥W,也就是说安全阀选型的额定排放量Wr必须大于或等于工艺设计所需的安全阀的排放量W。国家质量技术监督局《压力容器安全技术监察规程》中对计算安全阀在不同工况下的排放量计算有明确规定，在规定以外的内容可参见美国石油学会API_RP_520和API_RP_521的有关部分。本节所介绍的方法是考虑了工程的处理和我国有关规定的推荐方法，总的来说，与API_RP_520和API_RP_521推荐的方法一致或更安全些，同时也满足了我国《压力容器安全技术监察规程》的要求。对欲保护的设备而言，安全阀排放量的计算原则总的来说，就是求得在不同的操作故障、设备故障和火灾时，应安装安全阀的设备内可能的最大存液量或最大存汽量，我们可以把它简称为最大物料量。这个最大物料量的计算方法有两种，对火灾工况是采用经验公式计算，而对于操作故障和设备故障而言，是采用物料平衡的原理来计算。对欲保护的管道而言，安全阀排放量的计算原则总的来说，可以采用经验公式计算，也可按