化工裝置安全閥設計

陳順杭

（中國天辰工程有限公司，天津300400）

化工裝置大多涉及易燃、易爆的危險物料，具有潛在的爆炸危險性，從化工設計源頭上進行本質安全設計，對于提高裝置安全性具有十分重要的作用。安全閥設計是本質安全設計的重要部分，安全閥設置選型是否合理，關系到化工裝置的本質安全，因此，筆者根據多年的化工設計經驗，對于化工裝置安全閥設計的基本要點、難點進行簡單總結，供化工設計相關人員參考。

1　安全閥設計中的主要名詞術語

（1）安全閥的定壓。安全閥入口的靜壓達到該值時，安全閥立即動作。

（2）最大允許工作壓力。系指在設計溫度下，容器頂部所允許承受的最大壓力。此壓力值依據設備計算中的正常厚度、金屬腐蝕裕度、負載和壓力等確定。

（3）積聚。系指在安全閥排放過程中，超過容器最大允許工作壓力的壓力，用壓力單位或最大允許工作壓力或設計壓力的百分數(shù)表示。

（4）超壓。超過安全閥設定壓力的壓力，用壓力單位或用設計壓力的百分數(shù)表示。當壓力容器最大允許工作壓力與安全閥的設定壓力相等時，則超壓與積聚值相同。

（5）最大允許積聚壓力。系指安全閥最大允許工作壓力與最大積聚之和。

（6）背壓。是由于排放系統(tǒng)有壓力而存在于安全閥出口處的壓力，背壓是可以固定的，也可以是變化的。背壓是附加背壓和積聚背壓之和。

（7）附加背壓。當安全閥未啟動時，由于其他閥排放而存在于安全閥出口的靜壓，它可能是固定的，也可能是變化的。

（8）積聚背壓。當安全閥打開后，由于排放使主管中增加的壓力。

（9）回座壓力。設定壓力與安全閥關閉壓力之差，以設定壓力的百分數(shù)或壓力單位表示。

（10）操作壓力。容器正常操作時的壓力。壓力容器的設計通常有一最大允許工作壓力。它為操作壓力提供合適的余量，以阻止安全閥不合需要的打開。

（11）泄放條件。表示安全閥超壓時的進口壓力和溫度。泄放壓力等于安全閥的設定壓力加超壓，泄放溫度為泄放條件下的流體溫度，它可能高于操作溫度，也可能低于操作溫度。

2　安全閥的種類

2.1　按開啟高度

（1）微啟式安全閥

h表示開啟高度，d0表示噴嘴直徑。

排放不可壓縮流體（如水和油等液體）時，應選用微啟式安全閥。

（2）全啟動式安全閥

排放可壓縮流體（如蒸汽和其他氣體）時，應選用全啟式安全閥。

2.2　按作用原理

（1）先導式安全閥

由主閥和導閥組成，主閥依靠從導閥排出介質來驅動或控制的安全閥。

（2）直接載荷式安全閥

直接依靠介質壓力產生的作用力來克服作用在閥瓣上的機械載荷（如彈簧、重錘或杠桿）使閥門開啟的安全閥。

（3）帶動力輔助裝置式安全閥

該安全閥借助一個動力輔助裝置，可以在壓力低于正常的開啟壓力下開啟。

（4）帶補充載荷式安全閥

在進口壓力達到開啟壓力前始終保持有一個增強密封的附加力，該附加力可由外來的能源提供，而在閥門達到開啟壓力時應可靠地釋放的安全閥。

2.3　按閥瓣加載方式

（1）重錘式或杠桿重錘式安全閥

利用重錘直接加載或利用重錘通過杠桿加載的安全閥。

（2）彈簧式安全閥

利用壓縮彈簧加載的安全閥。（3）氣室式安全閥

利用壓縮空氣加載的安全閥。

3　安全閥泄放量計算要點

安全閥設計中，泄放量的計算是關鍵的一環(huán)，泄放量確定準確與否，直接影響到安全閥最小泄放面積的準確性，最終影響安全閥選型的準確性。泄放量計算的核心要點在于區(qū)分不同的事故工況，然后再準確計算泄放量。

事故工況主要有閥門誤關閉、循環(huán)水故障、電力故障、不凝氣的積累、控制閥故障、過度熱量輸入、易揮發(fā)物料進入高溫系統(tǒng)、換熱器管破裂、化學反應失控、外部火災。通常在實際安全閥泄放量計算中，經常存在多種可能事故工況，這時需要分別計算各種可能事故工況下的泄放量，然后取其中最大者核算安全閥最小泄放面積。

根據安全閥與容器有關的壓力關系，火災用的安全閥最大泄放壓力為121%，大于非火災用安全閥的最大泄放壓力，因此外部火災工況的泄放量計算很重要。

3.1　濕潤面積

而對于外部火災工況泄放量計算中，首先要計算濕潤面積。容器內液面之下的面積統(tǒng)稱為濕潤面積。外部火焰?zhèn)魅氲臒崃客ㄟ^濕潤面積使容器內的物料氣化。不同型式設備的濕潤面積計算如下：

⑴臥立式容器

距地面7.5m或距能形成大面積火焰的平臺之上7.5 m高度范圍內的容器外表面積與最高正常液位以下的外表面積比較，取兩者中較小值。

①對于橢圓形封頭的設備全部外表面積為:

Ae——外表面積，m2；D0——設備直徑，m；L——設備總長（包括封頭），m。

②氣體壓縮機出口的緩沖罐一般最多盛一半液體，濕潤表面為容器總表面積的50%。

③分餾塔的濕潤表面為塔底正常最高液位和7.5m高度內塔盤上液體部分的表面積之和。

⑵球型容器

球型容器的濕潤面積，應取半球表面積或距地面7.5 m高度下表面積二者中的較大值。

濕潤面積包括火災影響范圍內的管道外表面積。

3.2　容器外壁校正系數(shù)

容器壁外的設施可以阻礙火焰熱量傳至容器，用容器外壁校正系數(shù)(F)反映其對傳熱的影響。

⑴根據勞動部頒發(fā)的《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》(1991年1月1日施行)中規(guī)定：

①容器在地面上無保溫:F=1.0

②容器在地面下用砂土覆蓋:F=O.3

③容器頂部設有大于10L/(m2·min)水噴淋裝置:F=O.6

④容器在地面上有完好保溫,按式（4）計算。

⑵根據美國石油學會標準API-520:

①容器在地面上無保溫：F=1.0

②容器有水噴淋設施:F=1.0

③容器在地面上有良好保溫時，按式(2)計算:

λ——保溫材料的導熱系數(shù)，kJ/(m·h·℃)；d0——保溫材料厚度，m；t——泄放溫度，℃。

④容器在地面之下和有砂土覆蓋的地上容器，(F)值按式(2)計算，將其中的保溫材料的導熱系數(shù)和厚度換成土壤或砂土相應的數(shù)值。另外，保冷材料一般不耐燒，因此，保冷容器的外壁校正系數(shù)(F)為1.0。

3.3　安全泄放量

⑴根據勞動部頒發(fā)的《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》(1991年1月1日施行)中規(guī)定:

a.無保溫層

W——質量泄放量，kg/h；Hl——泄放條件下氣化熱，kJ/kg；A——濕潤面積，m2；F——容器外壁校正系數(shù)，取3.2(1)值。

b.有保溫層

⑵根據美國石油學會標準API-520中規(guī)定:對于有足夠的消防保護措施和有能及時排走地面上泄漏的物料措施時，容器的泄放量為:

否則采用式（6）計算：

式中符號同式（3），F(xiàn)取3.2（2）值。

在實際設計中，要注意采用《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》和API-520是不同的規(guī)范，應采用同一個規(guī)范來計算泄放量。

4　安全閥的配管

安全閥的配管的合理性是保障安全閥設置有效性的重要環(huán)節(jié)，如果安全閥進出口的配管不合理，會影響到安全閥保護設備的有效性。

⑴安全閥的進、出口管徑應根據安全閥的最大排放量計算，安全閥應盡量靠近被保護的設備或管線，并使安全閥的入口管線盡量短，以減少阻力降。

⑵根據裝置出口點的壓力界區(qū)條件，計算支管和總管的管徑。

⑶安全閥入口管線一般不設切斷閥，如果必須設置，則切斷閥應是鉛封在開啟狀態(tài)，而且不影響安全閥的操作，安全閥入口管道的管徑應不小于安全閥的入口直徑，例如安全閥入口管道的管徑可設置成比安全閥的入口直徑大一級。

⑷安全閥出口管道一般不設置切斷閥，如果必須設置，切斷閥應是鉛封在開啟狀態(tài)，且安全閥出口管道的管徑不小于安全閥的出口直徑。

⑸安全閥旁通切斷閥應是鉛封在關閉狀態(tài)，切斷閥應是全通徑的閘閥或旋塞閥，其直徑和管道相同，閘閥的閥桿應水平安裝或向下安裝。

⑹烴類物料的安全閥出口管道設計溫度的確定。因烴類物料在經過安全閥減壓后會發(fā)生閃蒸并迅速冷卻，故應計算安全閥出口物料閃蒸后的溫度，以確定安全閥出口管道的設計溫度。

5　安全閥與爆破片的聯(lián)合設置

在一些特殊的工況下，為了防止安全閥被堵塞，安全閥需要和爆破片聯(lián)合設置，通常在安全閥入口管道加設爆破片。比如PVC（聚氯乙烯）生產裝置中，單體儲槽的安全閥入口管道通常加設爆破片。

6　安全閥設計與壓力容器設計的銜接問題

由于項目前期階段，計算出來的安全閥進出口直徑往往不是最終的，最終的設備開口應該是根據安全閥廠家訂貨返回的安全閥入口直徑確定，而且壓力容器的管口改動起來比較麻煩，如果前期階段就把壓力容器的安全閥口定死，如果后期安全閥最終訂貨后的入口直徑比壓力容器的安全閥開口大，就會使設備專業(yè)陷入被動；因此前期階段，壓力的安全閥口最好是暫定的，等安全閥訂貨返回后，最終確定壓力容器的安全閥口大?。ú恍∮诎踩y入口直徑），更新設備條件。

7　結語

總之，安全閥對于提高化工裝置的本質性安全有重要作用，在安全閥設計過程中，要充分掌握安全閥工作原理以及安全閥類型，認真分析裝置存在的各種可能事故工況，根據各種不同事故工況和介質性質，準確計算并選用合適的安全閥，并合理配管，保障設備或管道的安全。

參考文獻：

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[3]HG/T20570.2-1995.安全閥的設置和選用[S].