安全阀的计算与选型

安全阀的计算与选型

单丽娟（豪迈化工）
引言

安全阀作为一种安全泄放装置，能够有效预防由生产装置超压引起的爆炸事故。它安装在压力容器或管道上，在紧急情况或异常工况下开启，防止内部压力超过设计规定的安全值，保护压力容器或管道等受压设备发生爆炸事故的装置。大多数化工装置系统操作压力比较高，而且化工物料介质多可燃易爆，如果安全阀设计考虑不周全，超压泄放时容易引起火灾、爆炸等事故。因此，从安全角度出发，安全阀的合理计算与设计对化工装置来说是非常重要的。
1安全阀概述

 
1.1   安全阀操作参数
1.1.1 定压(Ps):安全阀开启的压力，其数值必须等于或稍小于设备或管道的设计压力。当安全阀的定压等于设备设计压力时，安全阀的定压见表1-1-1。
表1-1-1 安全阀定压
 1.1.2  积聚压力(Pa):安全阀的最高泄放压力与其定压之间有一差值，此压力差即为积聚压力。安全阀的积聚压力一般取定压的0.1倍，即Pa=0.1Ps。
1.1.3  最高泄放压力(Pm):安全阀达到最大泄放压力能力时的压力：
Pm=Ps+Pa
1.1.4  背压（P2）：即出口压力，为安全阀开启前泄压总管的压力与安全阀开启后介质流动所产生的流动阻力之和。对于普通型安全阀，P2不宜大于定压值Ps的10%。
1.1.5  回座压力：安全阀的回座压力介于安全阀的操作压力与定压之间。当定压高于操作压力10%时，回座压力一般高于操作压力5%。                      
 
1.2   安全阀分类
安全阀形式繁多，按照不同的分类标准，会有不用的分类，下面简单介绍一下常见的分类类型：
1.2.1按开启高度分类
(1) 微启式安全阀
微启式安全阀的开启高度介于流通直径的1/40和1/20之间。主要用于排放不可压缩流体（如水或油等液体）。
(2) 全启式安全阀
全启式安全阀的开启高度大于等于流通直径的1/4。全启式安全阀的排放面积是阀座喉部最小截面积。主要用于排放可压缩流体（如蒸汽和其他气体）。
(3) 中启式安全阀
开启高度介于微启式与全启式之间，这种形式的安全阀在我国应用的比较少。
1.2.2按有无机构分类
当安全阀用于系统有背压的情况时，安全阀的开启压力就会产生变化，而当这个背压值是个变量时，安全阀就无法正常地工作，为此，设计了各种能用于背压工况的背压平衡式安全阀。
(1)  背压平衡式安全阀
在安全阀中设置了诸如波纹管，活塞或者膜片等平衡背压作用的元件，这些元件的有效直径等于安全阀关闭件密封面平均直径，在开启之前背压对阀瓣上下两侧的作用力互相平衡，故附加背压的变化不会影响到开启压力的大小。当附加背压不是固定值，且其变化较大时，应采用背压平衡式安全阀。一般采用背压平衡式安全阀的界限是附加背压的变化量超过开启压力的10%以上。
(2)非平衡式安全阀
 非平衡式安全阀也称为常规式安全阀。它不带有平衡背压作用的元件，适用于背压为大气压，背压为固定值或变化量不大的场合，静力背压不超过10%。
2安全阀设计规定

 
2.1压力容器
压力容器需要设置泄压设施，当多个压力容器比如容器、换热器、塔等共用一个安全阀时，相互连接的管道上不可以设置阀门、调节阀等可能将压力容器与安全阀隔断的设施。
 
2.2换热器
 (1)当泵出口阀门关闭时的压力大于换热器设计压力的110%，需设置安全阀。
 (2)换热器进出口设有阀门，若在操作时低温侧阀门可能全部或部分关闭，则低温侧需设置安全阀。
 (3)当换热器低压侧的设计压力小于高压侧设计压力的2/3时，需考虑换热器管破裂后低压侧的压力保护。
 
2.3机械设备
若压缩机在出口关闭可能造成压缩机壳超压，应设泄压设施。
 
2.4管道系统
可燃气体和可燃液体受热膨胀可能超过设计压力的管道应设安全阀。
3 实例分析

 
3.1压缩空气储罐的安全阀的选型
由压缩空气主管线向装有不可燃液体的储罐中通压缩空气输送储罐内液体，压缩空气主管压力为0.6MPa，温度为常温。计算储罐安全阀的计算选型。
t=30℃，取进气管的气体流速为v=15m3/h

储罐的安全泄放量W为：         

                             Ws=7.55(ρ0)vd2Pd/T

=7.55×1.293×15×202×0.88/303
                                 =170kg/h
式中：ρ0—气体在标准状态下的密度kg/m3
           Pd—容器的排放压力MPa(A)
           T—容器的排放温度 (K)
           d—容器的总进管内径(mm)
式中：C—气体特性系数
K—安全阀额定泄放系数
Z—该气体在工作温度和压力下的压缩系数
d0=(32.2/0.785)1/2=7mm
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
DN=7/0.625=12mm
所以该储罐选用公称直径DN25的全启式安全阀。
 
3.2液化石油气的安全阀的选型
液化石油气储罐，筒体内径Di=1600mm，长度L=6000mm，壁厚δn=16mm，V=13.3m3，封头形式为椭圆，介质组成：丙烯60%，正异丁烯10%，丙烷10%，正异丁烷15%，残液5%。该储罐无绝热保温层，各组分的汽化潜热见表3-2-1。
表3-2-1单一组分汽化潜热
       对无绝热保温层的压力容器按GB150中B.3计算安全泄放量[2]：
式中：q—在泄放条件下，液体的汽化潜热，kJ/kg
          Ar—容器受热面积，椭圆封头的卧式容器Ar=3.14D0(L+0.3 D0)

          F—系数，容器置于地面上时，F=1。容器置于地面以下用砂土覆盖时，F=0.3。容器置于大于10L/(m2·min)喷淋装置下时，F=0.6；

                              Ar=3.14D0(L+0.3 D0)

    =3.14×1.632（6.916+0.3×1.632）
                                 =37.9m2
50℃汽化潜热
q=ΣXiri
 =285.96×0.6+343.7×0.1+285.5×0.1+317.8×0.15+337×0.05
  =299kJ/kg
对于储罐的筒体长度≥6m时，应设置两个安全阀。这样单个安全阀的泄放量就按一般的泄放量来计算，不至于安全阀选型过大造成浪费。
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.
DN=27.28/0.625=43.648mm
所以该储罐选用两个公称直径DN50的全启式安全阀。
安全阀作为一种安全保护用阀，通过向系统外排放介质来防止设备或管道内介质压力超过额定值。安全阀在高压设备和管道中是人身安全和设备保障的重要手段，并与环境保护和节能改造紧密相关。因此，在工程设计中的安全阀的研究对保证设备和管道系统的安全具有重要的意义。

参考文献

[1]张慧,王佳杰,纪忠斌,安全阀系统设计应用解析[J].化工设计,2009,19(3):30-33.
[2]GB150.1-2011压力容器[S].2012年.


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