塔頂安全閥安裝對比分析

王甜

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安710065）

1 引言

安全閥是一種用于壓力容器或壓力管道的超壓保護(hù)裝置，安全閥安裝是否正確直接關(guān)系到管道設(shè)備和生產(chǎn)裝置的安全。因此，要使安全閥真正起到保護(hù)設(shè)備或管道的作用，必須重視安全閥的安裝設(shè)計(jì)。

2 塔上安全閥的安裝位置

塔設(shè)備上安全閥安裝位置一般有以下2 種選擇方案：

1）方案一：安全閥直接裝在塔頂平臺(tái)或者裝在引出管上，并能在平臺(tái)上支撐和檢修，但需考慮安全閥出口管線背壓是否滿足安全閥要求。

2）方案二：在滿足安全閥入口管線壓降的要求下，若安全閥較大，可將安全閥安裝在據(jù)塔較近的框架平臺(tái)上。

這2 種方案均需滿足安全閥的安裝要求。因此，在實(shí)際的安全閥配管設(shè)計(jì)時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的安裝位置。

3 塔出口管線安全閥安裝的探討

3.1 低溫甲醇洗裝置中塔上配管對安全閥安裝的影響

某項(xiàng)目低溫甲醇洗裝置采用的是某公司的工藝流程，來自變化工序的變換氣、未變換氣及部分變換氣在經(jīng)過甲醇洗工序預(yù)冷系統(tǒng)之后，分離后的氣相分別進(jìn)入吸收塔Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（11C1001、11C1021、11C1031） 脫硫段脫去原料氣中H2S 和COS。因此，管道布置主要圍繞3 個(gè)吸收塔展開。

本項(xiàng)目中吸收塔11C1001 處理變換氣量最大，繞塔管線最多，管徑較大，而塔的直徑較小，考慮到人孔、儀表口、平臺(tái)、梯子等的設(shè)置，繞塔管線的沿塔布置的空間非常有限。同時(shí)，吸收塔獨(dú)立布置在框架外，因此塔上管線支架均需在塔上貼板，管線的重量均需塔體承擔(dān)，這樣在很大程度上使塔的負(fù)荷較大。另外，低溫甲醇洗裝置中尾氣放空管線需沿吸收塔在塔頂高點(diǎn)放空，由于此管線放空時(shí)噪聲較大，需在塔頂設(shè)置消音器，并且需在塔上設(shè)置導(dǎo)向架，使得塔頂可利用空間變小。因此，塔頂?shù)呐涔苁欠窈侠韺φ麄€(gè)塔的管道設(shè)計(jì)有一定的影響，安全閥安裝位置的選擇也顯得尤為重要。

3.2 安全閥安裝在塔頂平臺(tái)

本裝置中，吸收塔（11C1001）獨(dú)立布置在主框架外，塔高約為78 m，塔體分為2 段，下段塔直徑DN=3 000 mm，上段塔直徑DN=2 500 mm。塔頂最高層平臺(tái)設(shè)在78.5 m 處，塔頂凈化氣管線由塔頂管口接出并繞塔而下進(jìn)入換熱器。將安全閥安裝于塔頂最高平臺(tái)上對保護(hù)塔設(shè)備最為安全。因此，項(xiàng)目開始配管設(shè)計(jì)時(shí)，將安全閥置于塔頂平臺(tái)上，即方案一。

塔頂出口凈化氣管線尺寸DN=250 mm，安全閥入口由凈化氣塔頂立管接出，入口管線尺寸DN=100 mm，安全閥出口管線尺寸DN=500 mm，繞塔而下接入12.6 m 管廊上（最高層管廊）。本裝置中吸收塔管口管線均為保冷管，保冷厚度較大（保冷厚度為90～140 mm），并且多為兩相流管線，管道布置應(yīng)從塔頂部到塔底部自上而下進(jìn)行規(guī)劃，并且應(yīng)首先考慮塔頂和大直徑管道的位置及自流管道的走向，每一根管道按照它的起止點(diǎn)都應(yīng)該盡可能短，同時(shí)必須滿足管道柔性的要求。繞塔管線直徑較大，多采用雙三角形托架作為承重支架，管架本身占有不少空間，再考慮到管道的保冷，彈簧支架等，因此，繞塔管線之間的角度要設(shè)置的較大。將安全閥安裝在塔頂時(shí)，吸收塔繞塔而下的管線總共有14 根，其中有1 根DN=1 000 mm 的尾氣放空管線，由22 m框架繞塔而上至高點(diǎn)放空，管子中心據(jù)塔中心間距D=3 000 mm，塔與管子最外緣凈距約為950 mm，其他管線繞塔（除消防水管）放置在距塔中心同一距離位置D=2 550 mm，塔與管子最外緣凈距最小為850 mm，管子中心距塔中心間距較大，這樣14 根管線才能在滿足管架空間要求，并且需要滿足平臺(tái)空間和梯子的設(shè)置。但塔上鐵板較為密集，出現(xiàn)很多碰撞現(xiàn)象。

安全閥系統(tǒng)經(jīng)應(yīng)力計(jì)算后，管道柔性滿足要求。得出安全閥入口彎頭處集中荷載為10 000 N，此荷載由塔頂平臺(tái)承受，造成塔頂平臺(tái)上局部荷載較大。同時(shí)，為了滿足安全閥閥組的操作和檢修，塔頂平臺(tái)要設(shè)置較大，平臺(tái)越大支撐梁較大，不僅給平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工帶來不便，而且會(huì)造成浪費(fèi)。安全閥出口管線DN=500 mm，第一個(gè)承重架的集中荷載約為50 000 N，第二點(diǎn)為彈簧架集中荷載為40 000 N，可見此管線荷載較大，管架生根在塔上，對塔負(fù)荷壓力較大。

安全閥出口管線繞塔而下進(jìn)入火炬總管，當(dāng)量長度大約為220 m，根據(jù)工藝給出的安全閥出口管線壓降要求，安全閥出口背壓等于安全閥靜背壓(0.2 MPa)與出口管線壓降（ΔP）即動(dòng)背壓之和，要小于安全閥整定壓力（Ps）的10%，管線壓降計(jì)算見式（1）：

式中，λ 為摩擦系數(shù)；L為管道當(dāng)量長度，m；D為管道直徑，m；ρ 為流體密度，kg/m3，U為流速，m/s。

經(jīng)計(jì)算，安全閥出口管壓降ΔP=0.004 4 MPa，總背壓等于0.2044MPa，安全閥的整定壓力Ps=6.4MPa，其10%則為0.61 MPa，可見安全閥背壓能夠達(dá)到安全閥整定壓力10%的要求。

綜上所述，本裝置中，若將此安全閥安裝與距離塔最近的平臺(tái)即塔頂位置時(shí)，雖滿足安全閥安裝要求，但是會(huì)帶來以下不便之處：（1）安全閥根據(jù)要求每年至少檢修一次，吸收塔較高，對操作和檢修帶來一定的不便；（2）安全閥操作檢修空間較大，載荷較大，對塔頂平臺(tái)的設(shè)計(jì)和施工會(huì)帶來一定的壓力；（3）安全閥出口管線荷載較大，對塔體帶來一定的負(fù)荷壓力；（4）吸收塔繞塔管線較多，塔直徑較小，安全閥出口管線較大，管道布置占用空間較大，對塔的配管設(shè)計(jì)帶來一定的困難。

因此，將安全閥放置塔頂無論是對管道布置還是操作檢修都帶來一定的影響和困難。

3.3 安全閥安裝在框架上

本項(xiàng)目低溫甲醇洗主項(xiàng)中，距離吸收塔最近的框架平臺(tái)最高層為22 m，火炬總管放置在12.6 m 管廊上，因此，在安全閥出口管線高于火炬總管，并且盡量滿足距離吸收塔最近，入口管線盡量短的情況下，將安全閥由塔頂78.5 m 平臺(tái)上移動(dòng)至框架的22 m 平臺(tái)，即方案二。將安全閥放置于22 m 平臺(tái)上，安全閥放置周圍空間大，方便檢修和操作。同時(shí)，安全閥下移至平臺(tái)后，出口管線直接由框架繞至火炬總管，繞塔管線中減少1 根直徑500 mm 的管子，一定程度上方便繞塔管線的布置，減小塔上的貼邊數(shù)量和塔的負(fù)荷。

安全閥入口管線壓降，由ΔP1、ΔP22 部分組成，如圖1 所示，并且這2 部分壓降之和不能超過安全閥整定壓力的3%[1，2]，見式（2）：

ΔP1、ΔP2、可通過式（1）求得，其值分別為0.007 4 MPa、0.044 MPa，則壓降總和為0.051 4 MPa，安全閥的整定壓力是6.4 MPa，整定壓力的3%為1.92 MPa，可見安全閥移動(dòng)至22 m框架平臺(tái)后，安全閥入口管線壓降遠(yuǎn)小于安全閥整定壓力的3%，滿足安全閥安裝要求。

同時(shí)，將安全閥移動(dòng)至22 m 平臺(tái)后，安全閥出口管線距離火炬排放總管的長度大大減小，約減小45 m，因此，安全閥出口管線壓降減小。通過核算，在滿足安全閥背壓要求的情況下，安全閥出口管線管徑由原來的DN=500 mm 減小至DN=350 mm。低溫甲醇洗裝置中，保冷管線較多，并且管子直徑較大，安全閥出口管線的減小，無論從荷載或者管道布置來說都較之前方便簡單。

圖1 安全閥入口壓降示意圖

此安全閥管道通過了應(yīng)力計(jì)算，塔頂出口管線荷載變化不大，而安全閥出口管線上的承重架荷載均變小。低溫甲醇洗裝置中，大量采用低溫鋼和不銹鋼管道管件，材料較為貴重，成本較高，所以在配管中要特別考慮其經(jīng)濟(jì)性。安全閥出口管線采用不銹鋼材料，因此管線變短，節(jié)省了一部分材料，同時(shí)取消塔上貼板和管子上的彈簧，在一定程度都降低了經(jīng)濟(jì)成本。

總之，方案二在完全滿足安全閥出口和入口管線壓降要求的情況下（應(yīng)經(jīng)工藝核算壓降），將安全閥移動(dòng)至框架平臺(tái)上，有諸多優(yōu)點(diǎn)：（1）安全閥操作空間較大，檢修方便；（2）節(jié)省了塔上管線的布置空間，方便繞塔管線的排布，同時(shí)減輕了塔體的負(fù)荷；（3）安全閥出口管線管徑變小，荷載變小，在管架選材及選型方面都較為簡單，同時(shí)出口管線長度變短，節(jié)省材料。

通過上述2 種方案的分析和討論，綜合考慮2 種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終本項(xiàng)目選擇優(yōu)點(diǎn)較多的方案二，即將安全閥安裝在與距離塔最近的框架平臺(tái)上。

4 結(jié)語

綜上所述，塔頂安全閥的安裝應(yīng)該有多種方案選擇，無論哪一種方案，安全閥均需在高于火炬總管的前提下，同時(shí)滿足安全閥入口壓降和出口壓降的要求，然后綜合考慮操作檢修及經(jīng)濟(jì)等方面因素的影響，確定最優(yōu)方案。