安全閥工藝計算及選型

楊 揚(yáng)

中國中輕國際工程有限公司，北京，100026

1 概述

安全閥作為化工行業(yè)中極為重要的保護(hù)性閥門，被廣泛應(yīng)用在各種壓力容器和管道系統(tǒng)上，其主要用途為防止超壓引起的安全事故的發(fā)生，以保證化工裝置生產(chǎn)的安全運(yùn)行。在工業(yè)發(fā)展的初中期，設(shè)計者對安全閥的功能及用途缺乏較深的理解，在設(shè)計過程一般憑經(jīng)驗進(jìn)行選型，往往對其的可靠性、適用性缺乏參數(shù)依據(jù)，存在一定的安全隱患，為此，本文對安全閥的計算和選型進(jìn)行簡要分析。安全閥計算和選型應(yīng)建立在設(shè)計者充分了解安全閥工作原理以及可靠的工藝技術(shù)參數(shù)的基礎(chǔ)上，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行計算，否則會導(dǎo)致選型不合理。若安全閥選型出現(xiàn)問題，會達(dá)不到安全泄放的效果，甚至造成安全事故。如果公稱尺寸選擇偏大，不僅投資增大，還會造成安全閥“頻跳”，“頻跳”現(xiàn)象容易造成安全閥密封面的機(jī)械損傷，從而引發(fā)泄露事故[1]。如果公稱尺寸選擇偏小，安全閥的實際泄放能力小于事故工況下安全閥的最大泄放量，導(dǎo)致壓力得不到及時泄放，設(shè)備或管道的壓力持續(xù)上升而造成損壞，同樣對相應(yīng)工藝系統(tǒng)起不到保護(hù)作用。因此，對安全閥進(jìn)行正確的計算及合理的選型，對化工裝置的正常安全運(yùn)行的重要性不言而喻[2]。

2 安全閥的計算

安全閥的計算選型步驟見圖1。首先要分析可能發(fā)生的事故工況，核算出可能產(chǎn)生的最大泄放量，根據(jù)最大泄放量計算出最小泄放面積；然后依據(jù)泄放面積來確定安全閥喉徑或閥座口徑的大小，對照閥門樣本，向上圓整選型；最后按照初步選擇的安全閥的額定流量重新計算管道壓力降，校核所選管徑是否合適，確定安全閥選型是否合理。

圖1 安全閥計算與選型過程

2.1 非火災(zāi)工況下安全閥泄放量的計算[3]

（1）出口閥門關(guān)閉，入口閥門未關(guān)閉時，泄放量為被關(guān)閉的管道最大正常流量。

（2）管道兩端的切斷閥關(guān)閉時，泄放量為被關(guān)閉液體的膨脹量。此類安全閥的入口一般不大于DN25。但對于大口徑、長距離管道和物料為液化氣的管道，液體膨脹量按式2-1計算。

（3）換熱器冷側(cè)以及充滿液體的容器進(jìn)出口閥門關(guān)閉時，泄放量為被關(guān)閉液體的膨脹量，按式2-1計算。

（4）對以循環(huán)冷卻水為冷卻介質(zhì)的塔頂冷凝器和冷凝液通過電機(jī)動力的回流泵工況時，當(dāng)循環(huán)水中斷、電力故障或兩者同時發(fā)生時，塔頂安全閥所需的最大泄放量為正常工況下進(jìn)入冷凝器的最大介質(zhì)蒸汽量。

（5）對壓縮機(jī)貯氣罐等容器安全閥所需最大泄放量，取該壓縮機(jī)可能的最大產(chǎn)氣量。

（6）換熱器熱媒側(cè)的控制閥失靈全開、切斷閥誤開，設(shè)備的加熱夾套、加熱盤管的切斷閥誤開等工況下，以過度熱量的輸入而引起的氣體蒸發(fā)量或液體膨脹量來計。

（7）對于換熱管破裂工況，如果換熱器低壓側(cè)的設(shè)計壓力小于高壓側(cè)的設(shè)計壓力的2/3時，則應(yīng)考慮為事故工況。安全閥的泄放量為按式2-2（本公式適用于高壓流體為液相）計算出的結(jié)果和高壓側(cè)正常流量比較，取二者的較小值。

2.2 火災(zāi)工況下安全閥泄放量的確定[3]

（1）對于未進(jìn)行保溫的壓力設(shè)備所需最大排放量按式2-3進(jìn)行計算。

（2）對于有保溫層的壓力設(shè)備所需最大排放量按式2-4進(jìn)行計算。

2.3 安全閥最小泄放面積的計算[3]

（1）對于氣體、蒸汽在臨界條件下的最小泄放面積按式2-5進(jìn)行計算，臨界條件按式2-6判斷，若滿足式2-6，則為臨界流動，否則為亞臨界流動。

（2）當(dāng)使用彈簧式安全閥計算氣體、蒸汽在亞臨界條件下的最小泄放面積時，可先按式2-5進(jìn)行計算，再將計算結(jié)果除以背壓修正系數(shù)，即為亞臨界條件下的的最小泄放面積。

（3）對于液體安全閥最小泄放面積可按式2-7計算。

2.4 安全閥喉徑（d1）及閥座口徑（D）的計算[3]

（1）對于全啟式安全閥，安全閥喉徑（d1）按公式2-8計算。

（2）對于平面密封型微啟式安全閥，閥座口徑（D）按公式2-9計算。

（3）對于錐面密封型微啟式安全閥，閥座口徑（D）按公式2-10計算。

通過上述步驟最終計算出安全閥噴嘴喉徑或閥座口徑，再根據(jù)閥門樣本，向上圓整選型，選取合適的安全閥型號和大小，最后按照選擇的安全閥的額定流量重新計算管道壓力降，校核所選管徑是否合適，確定安全閥選型是否合理。

3 安全閥計算選型實例

例子：在國內(nèi)某項目余熱回收單元中，過熱水進(jìn)入汽水分離器（21V1）中閃蒸產(chǎn)生0.8 MPa（G）水蒸汽，已知設(shè)備設(shè)計壓力為1.0 MPa（G），為防止設(shè)備超壓，在汽水分離器頂部設(shè)置安全閥，流程圖見圖2。

圖2 某項目熱回收單元局部流程圖

為降低發(fā)生超壓事故的風(fēng)險，考慮在汽水分離頂部設(shè)雙安全閥，兩個安全閥的進(jìn)口和出口切斷采用機(jī)械連鎖裝置，確保在維檢期間設(shè)備能正常作。根據(jù)HG/T 20570.2-95，安全閥的設(shè)定壓力器閥工要求不大于汽水分離器的設(shè)計壓力，非火災(zāi)工況用主安全閥的最大泄放壓力為1.1倍的汽水分離器的設(shè)計壓力，因此，取安全閥的設(shè)定壓力為1.0 MPa（G），泄放壓力為1.1 MPa（G）。由于排放介質(zhì)為水蒸汽，無毒無害，允許泄露至大氣，因此靜背壓為0（G），且出口管道很短，動背壓也可取0，即總背壓為0（G），不必考慮背壓影響。綜上，安全閥初步選用彈簧帶扳手全啟式安全閥。

（1）泄放量計算

通過分析，該設(shè)備可能發(fā)生的事故工況為出口切斷閥關(guān)閉導(dǎo)致的常規(guī)超壓，泄放量為被關(guān)閉的管道最大正常流量，即管線21101的最大正常流量。計算公式如下：

計算得，安全泄放量為：

（2）最小泄放面積計算

首先，可通過下面公式判斷本工況是否在臨界流動下，若滿足公式，則為臨界流動，若不滿足，則為亞臨界流動。判斷公式如下：

通過計算，可判斷該工況屬于臨界流動條件。

根據(jù)蒸汽在臨界條件下的最小泄放面積公式，

（3）最小喉徑計算

對于全啟式安全閥，喉徑計算公式如下：

（4）安全閥選型

根據(jù)計算結(jié)果，從閥門樣本中進(jìn)行選型，選型結(jié)果見表1。

表1 安全閥選型

經(jīng)建設(shè)單位反饋實際使用情況，該安全閥可滿足安全生產(chǎn)需求，亦驗證了該安全閥計算、選型的合理性。

4 結(jié)論

綜上可知，設(shè)計人員進(jìn)行安全閥計算時，要求工藝操作工況的相關(guān)參數(shù)合理無誤，并且熟練掌握安全閥計算與選型方法，再經(jīng)過安全閥廠商反饋的安全閥計算書的校驗，最終才能確保安全閥選型合理，確保化工生產(chǎn)裝置的安全穩(wěn)定進(jìn)行。上述部分為本人在工程設(shè)計工作中的一些經(jīng)驗總結(jié)，不盡完全，僅供設(shè)計參考。