化工企业中安全阀设计

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摘要：安全阀是化工生产中起重要保护作用的安全设施，通常用于压力容器和压力管道上，通过排放部分介质来保护设备、管道安全，避免出现介质泄露、设备破裂、爆炸等事故。安全阀的合理设计对化工企业来说非常重要。由于工况的复杂性以及条件限制，无法对各种假定超压工况进行在线试验，所以在设计阶段必须对可能引起超压的各种工况进行分析、判断，使安全阀设计在技术、经济上更加合理。

关键词：安全阀；工况泄放量

1分析安全阀泄放的各种工况

化工生产中造成容器超压的原因比较复杂，常常会有多种工况出现。这就需要我们在设计时考虑各种可能构成危险的情况，选择的安全阀要能保证系统中的压力不超过最大允许蓄积压力。当容器或管道系统中物料和能量的正常流动出现不平衡或者异常时会产生超压，超压将引起物料或能量，或二者同时在系统某部分积聚。可能造成超压的常见原因有：出口阀门关闭，冷凝器的冷却水故障，挥发性物质进入高温环境，液体满溢，自动控制阀故障，内部爆炸，化学反应失控，液体热膨胀，外部火灾，电力故障，操作人员疏忽造成阀门开启错误，气体热膨胀，空冷式换热器故障，环境条件的变化，止回阀故障，串联蒸馏系统中失去热量，回流，再沸器供汽阀开启失败。

2确定最大允许蓄积压力

最大允许蓄积压力是根据操作和火灾意外事故等来确定的。API620《大型低压焊接储罐设计与建造》中关于蓄积压力的设定：最大允许蓄积压力取值：①正常操作情况下最大压力（即安全阀的最大泄放压力=超压10%的最大允许工作压力）；②火灾或超压20%紧急泄放时的最大压力。

3几种常见工况下安全阀的最小泄放面积计算，安全阀口径选择实例

本文按照API520的计算方法来计算。

3.1出口阀门关闭

一台输送NaOH的泵，最大流量50m3/h,泄放压力为400KPa，背压40KPa，泵入口阀门未关闭，而出口阀门关闭时，计算安全阀的泄放面积、选择口径。安全阀的泄放量取泵的最大流量50m3/h。必须的有效泄放面积Ar=11.78*Q/(Kd*Kw*Kc*Kv)*(G/(P1—P2))^0.5)=0.93mm2Ar需要进行粘度校正:雷诺数R=Q*18800*G/μ/A^0.5=385,计算出粘度修正系数Kv’=(0.9935+2.878/R^0.5+342.75/R^1.5)^-1=0.8435,计算最小泄放面积A=Ar/Kv’=1.1mm2按照API526选择最小的“D”流道，流道面积71mm2。也可选择更小的流道面积，但是需要用户同意。式中Q—流量50m3／h，Kd—额定流量系数取0.735，Kw—背压的修正系数取1，Kc—结合校正因子取1，Kv—粘度修正系数取0.88，G—NaOH溶液比重1.222，P1—泄放压力取400KPa，P2—背压取40KPa,μ—粘度取NaOH的粘度4.43cp.

3.2外部火灾

一只装有氨水的储罐，无保温，直径1.6m,直筒体高度5.6m,上下为标准椭圆形封头，支腿到切线1.5m,设定的泄放压力为19Barg，计算安全阀的泄放面积、选择口径。湿润面积：A=3.14*D*L+2*Af=34.2m2湿润表面总吸入热量Q=43.2*F*(A^0.82)=1282KW需要的气体泄放速率W=(Q/∆H)*3600=4388.4Kg/h系数C=520*SQRT{k*((2/(k+1))^((k+1)/(k—1)))}=347.91最小泄放面积A=((13160*W/(C*Kb*Kc*Kd*P1))*SQRT(TZ/M)=349.66mm2按照API526选择最小的“H”流道，流道面积506mm2。1.5+5.6+0.4=7.5m<7.62m,这中情况下设备完全暴露于明火中，湿润面积就要算整个设备的面积。∆H—气化潜热kJ/kg，取1052kJ/kg，F—环境系数，无保温取1.k—比热比(Cp/Cv)查得1.31，Kb—容积校正系数取1，Kc—结合校正因子，没有爆破片时取1，Kd—流量系数取1，P1—泄放压力(绝压)，火灾工况下超压取10%，泄放压力=1.1*19=20.9Barg=2190KPa(a)，T—泄放温度取323K，Z—压缩因子取1，M—分子量取17。此时安全阀并不能起到保护作用，需要安装消防设施和有效的排放系统才能使远离易燃可燃物料。

3.3液体热膨胀

一个换热汽冷却水出口管道上设置一只安全阀，冷却水流量为914Kg/h,进入换热器最大热负荷5948KW，计算安全阀的泄放面积、选择口径。流动温度下的流量gpm=BH/500GC=4.09gal/min(U.S.)=0.9m3/h所需蒸汽释放速率W=gpm*G=914kg/h流量Q=W/G/60=15.36L/min必须的有效泄放面积Ar=11.78*Q/(Kd*Kw*Kc*Kv)*(G/(P1—P2))^0.5)=10.42mm2Ar需要进行粘度校正:雷诺数R=Q*18800*G/μ/A^0.5=35452.4,计算出粘度修正系数Kv’=(0.9935+2.878/R^0.5+342.75/R^1.5)^-1=0.9912,计算最小泄放面积A=Ar/Kv’=10.51mm2,按照API526选择最小的“D”流道，流道面积71mm2。也可选择更小的流道面积，但是需要用户同意。式中B—膨胀系数查表取0.0001，H—总的传热量Btu/h取5948*3412.1412=20295416Btu/h，G—正常操作温度时液体比重取0.992，C—液体的比热容Btu/Ib•°F。Q—流量L/min，Kd—额定流量系数取0.735，Kw—背压的修正系数取1，Kc—结合校正因子取1，Kv—粘度修正系数取1，P1—泄放压力取550KPa，P2—背压取0,μ—粘度取水的粘度0.72cp.

3.4自动控制阀故障

用高压氮气作为动力源输送催化剂的出口管道上设置安全阀，设定的泄放压力为5.5Barg，高压氮气管路上的控制阀全开时流量为336.5kg/h，计算安全阀的泄放面积、选择口径。所需气体释放速率W=336.5kg/h系数C=520*SQRT{k*((2/(k+1))^((k+1)/(k—1)))}=356.06最小泄放面积A=((13160*W/(C*Kb*Kc*Kd*P1))*SQRT(TZ/M)=63.87mm2按照API526选择最小的“D”流道，流道面积71mm2。式中k—比热比(Cp/Cv)查得1.4，Kb—容积校正系数取1，Kc—结合校正因子，没有爆破片时取1，Kd—流量系数取0.878，P1—泄放压力(绝压)，泄放压力=1.1*5.5=6.05Barg=705KPa(a)T—泄放温度取293K，Z—压缩因子取1，M—分子量取29。

4计算安全阀进出口管道直径

入口管道的直径不小于安全阀入口直径。管道的压降不大于整定压力（表压）的3%。如果采用先导式安全阀，可不受3%的限制，但需要两个连接管分别连到主阀和导阀上。出口管道的管径需要大于等于安全阀出口的口径。对于普通的弹簧式安全阀，出口管道总的背压值（动背压、静背压两者之和）小于等于整定压力（表压）的10%，对于平衡波纹管式安全阀不大于30%。

参考文献：

[1]API520.炼油厂压力泄放装置的尺寸确定、选择和安装.

[2]API521.压力释放和降压系统.

[3]GB150.压力容器.

[4]API620.大型低压焊接储罐设计与建造.

[5]英国CRANE公司编写FLOWOFFLUIDS.

作者:王凤 单位:上海百前化工技术服务有限公司