2-安全阀计算

主讲：袁天聪 教授级高工

1 目的

在石油化工生产过程中，为了防止由于生产事故等造成生产系统压力超过设备和管道的设计压力而发生爆炸事故，应在设备或管道上设置安全阀。

    安全阀为一种自动阀门。它不借助任何外力，而是利用介质本身的力来排出额定数量的流体，以防止系统内压力超过预定的安全值。当压力恢复正常后，阀门再行关闭并阻止介质继续流出。

在工艺和工艺系统专业的设计中，安全阀的设计内容，主要指安全阀的排放量计算和安全阀的设置两个方面。按照国际惯例安全阀的喷嘴面积的计算和选型是由制造商来完成的，所以有关这方面的内容列入附录中。

1.2  名词

对于安全阀的描述在国际上多遵循美国的ASME标准，在该标准中“安全阀”指仅用于蒸汽或气体工况的泄压设施，而用“安全泄压阀”表示包含安全阀、泄压阀、安全泄压阀在内的全部泄压设施。由于历史的原因，在我国是用“安全阀”代表了ASME的安全泄压阀的含义。本规定仍按现行的国家标准来命名，以安全阀代表ASME的安全泄压阀的全部含义，不再区分安全阀、泄压阀、安全泄压阀。

2  术语、符号

2.1 安全阀几何尺寸特性

2.1.1实际排放面积（排放面积）(The actual discharge area) 实际排放面积是实际测定的决定阀门流量的最小净面积。对微启式安全阀即为帘面积；对全启式安全阀即为喷嘴面积。

2.1.3喷嘴面积(The nozzle area) 也称喷嘴喉部面积，是指喷嘴的最小横截面积。

2.1.6开启高度(lift) 是当安全阀排放时，阀瓣离开关闭位置的实际升程。

2.2 安全阀的动作特性

2.2.1工作压力P (MPa.G) (operating pressure)：设备及管道在正常工作运行期间经常承受的压力；

2.2.2 最高允许工作压力Pm(MPa.G)（maximum allowable working pressure）：在指定的相应温度下，容器顶部所允许承受的最大压力，该压力是根据容器受压元件的有效厚度，考虑了该元件承受的所有载荷而计算得到的，且取最小值。

2.2.3背压力(The back pressure) Pb(MPa.G) 安全阀出口处压力，它是附加背压力和排放背压力的总和；

2.2.4整定压力( set pressure) Ps(MPa.G)（也称开启压力opening pressure，简称定压） 安全阀阀瓣在运行条件下开始升起的进口压力，在该压力下，开始有可测量的开启高度，介质呈由视觉或听觉感知的连续排放状态；

2.2.9排放背压力(built-up back pressure) Pbd(MPa.G ) (也称“积聚背压”或“动背压”)  由于介质通过安全阀流入排放系统，而在阀出口处形成的压力；

2.2.10附加背压力(superimposed back pressure) Pbs(MPa.G ) (也称“叠加背压”或“静背压”)；   安全阀动作前，在阀出口处存在的压力，它是由其它压力源在排放系统中引起的。

2.2.12积聚压力(accumulation pressure) Pa (MPa,G) 在安全阀排放期间，安全阀的入口压力超出容器的设计压力的增值。以压力的百分数表示，叫做积聚压力。

2.2.13 排放温度t，℃ 指排放压力下安全阀上游介质的温度。若介质无相变可按工艺操作温度确定；液化气容器火灾时介质的排放温度，是指安全阀上游在排放压力下介质的饱和温度。

2.2.14 设计压力（表压）（design pressure）指设备或管道的设计压力，在满足全部操作条件下的温度和压力的最小压力值。也是用来决定容器各部分的最小允许壁厚或机械性能的压力值。

2.3 安全阀校验

2.3.1附加配件：在本规定中专指为安全阀校验目的而在其管路上所配置的固定件，如爆破片、阀门、管道、管件和压力表等。

2.3.2在线校验：指利用安全阀管路上的附加配件，校验人员使用合适的专用器具，在安全阀不拆卸下来和生产装置不停工的情况下，在原处进行安全阀校验和压力整定。

2.3.3离线校验：指把安全阀拆卸下来，搬运到专门从事安全阀校验的场所，进行安全阀校验和压力整定。

2.3.4快速切换装置：指安装在双安全阀下，可快速改变安全阀的在用与备用关系的装置。

2.3.5频跳：安全阀阀瓣迅速异常地来回运动，在运动中阀瓣接触阀座。

2.3.6颤振：安全阀阀瓣迅速异常地来回运动，在运动中阀瓣不接触阀座。

2.3.7铅封：由指定的专业人员用专用工具把安全阀的阀帽锁住，或者把截断阀的手轮按设计要求锁住，不经允许均不能启封的完整活动。

3安全阀的分类

安全阀有好几种分类方法，如按国家标准分类、按结构分类、按动作原理分类和按阀瓣开启高度分类等。但在石油化工装置中常用的安全阀只有以下几种：

3.1先导式安全阀：一种依靠从导阀排出介质来驱动或控制的安全阀，该导阀本身应是符合标准要求的直接载荷式安全阀。

3.2平衡波纹管式安全阀：平衡波纹管式安全阀是平衡式安全阀的一种。它借助于在阀瓣和阀盖间安装波纹管的方法，将普通式安全阀的背压影响降低到最少。

3.3 通用式安全阀（弹簧直接载荷式安全阀）

3.3.1全启式安全阀：阀瓣可以自动开启，其实际排放面积不决定于阀瓣的位置。一般用于排放介质为气体的条件下。

3.3.2微启式安全阀：阀瓣可以自动开启，其实际排放面积取决于阀瓣的位置。一般用于排放介质为液体的条件下。

3.4封闭弹簧式安全阀：指安全阀弹簧罩（阀盖）是封闭的，弹簧不与大气接触。

3.5不封闭弹簧式安全阀：指安全阀弹簧罩（阀盖）不封闭，弹簧可与大气接触。

4安全阀的设计程序

对石油化工装置而言，安全阀的设计是在工艺系统专业，进行PID图的设计过程中完成的。其设计程序一般应包括以下几个步骤：

4.1 根据8.1中安全阀设置原则，确定需要安装安全阀的设备或管道，并在PID图上标上安全阀；

4.2 根据5的原则确定安全阀的型式；

4.3 根据设备或管道的最大操作压力，确定安全阀的整定压力（定压）、积聚压力和排放压力，根据排放工况确定安全阀的背压。

4.4对每个安全阀进行火灾、操作、设备三类事故状态的分析，确定其可能发生的几种事故状态；对每个安全阀分别进行几种事故状态下的最大排放量计算，并比较出一种具有最大排放量的工况，它就是该安全阀的排放工况及其排放量；不应将各种不利情况同时叠加来计算。

4.5 根据排放量及有关操作条件，由制造商进行安全阀口径计算并选型；

4.6根据8.2和8.3的内容分析完善PID图上的安全阀设置设计，使之能满足安全阀至少一年校验一次的要求；

4.7 编制安全阀的数据表。

5安全阀的选型

5.1排放介质为气体时，一般选用全启式安全阀；排放介质为液体时，一般选用微启式安全阀，也可选用全启式安全阀。当介质为液体选用全启式安全阀时，它的动作性能则变为微启式，其喷嘴内径应按微启式计算，应采用制造厂提供的微启式安全阀的流量系数。

5.2在石油、石化生产装置中一般只选用弹簧式安全阀或先导式安全阀。

5.3下列情况应选用平衡波纹管式安全阀：

5.3.1安全阀的背压力大于其整定压力的10%，而小于30%时；

5.3.2当介质具有腐蚀性、易结垢、易结焦，会影响安全阀弹簧的正常工作时；

但平衡波纹管式安全阀不适用于酚、蜡液、重石油馏分、含焦粉等的介质上，也不适用于往复压缩机选用。

5.4下列情况应选用先导式安全阀：

5.4.1安全阀的背压力大于其整定压力的30%以上时；

5.4.1对要求安全阀的密封性能特别好的场合；

5.4.1对于介质有毒、有害时，应选用不流动式导阀（即导阀打开时，它不向外排放介质）。

5.5 除用于水、蒸汽、空气、氮气的安全阀外，所有安全阀都应选用封闭弹簧式结构。

5.6 排放介质的温度大于300℃时，应选用带散热片安全阀；

5.7 为检查阀瓣的灵活程度或作紧急泄压用时，应选用带板手的安全阀；排放介质为蒸汽时，应选用带板手的安全阀。

6安全阀的制造标准及规格

6.1 安全阀的制造标准

目前我国采用的安全阀制造标准有两种：

国家标准（弹簧直接载荷式安全阀 GB12243）

API（美国石油协会）标准（Flanged Steel Safety—Relief Valves  API Standard 526）

6.2 安全阀的规格（从API521抄下）

规格代表字母    D        E          F          G          H         J         K

喷嘴面积 in2    0.11     0.196      0.307       0.503       0.785      1.287      1.838

                 L       M         N          P          Q          R         T

喷嘴面积 in2   2.853     3.60       4.34        6.38       11.05       16.00      26.00

7安全阀的计算

本规定中安全阀的计算，是为确定安全阀的操作参数及所需的最大排放量，以安全阀的最大排放量作为安全阀喷嘴面积的计算依据。

7.1  技术参数的确定

7.1.1定压（Ps）的确定

7.1.2积聚压力Pa (MPa,G)的确定

   安全阀泄压时，阀前压力超过设备或管道设计压力的值称为积聚压力,一般以设计压力的百分数表示, 安全阀超压的最大值可等于积聚压力。计算安全阀的积聚压力，首先要计算安全阀的整定压力。

要计算安全阀的设计压力，先要按照确定设备设计压力的程序，进行必要的系统分析后才能完成。

(1)非火灾工况的积聚压力

装一个安全阀时，压力容器允许的最大积聚压等于10％的设计压力,或0.02(MPa)中较大值；

装多个安全阀时，压力容器允许的最大积聚压等于16％的设计压力，或0.03(MPa)中较大值。

(2)火灾工况的积聚压力

容器允许的最大积聚压等于21％的设计压力。

(3)管道允许的最大积聚压力

管道允许的最大积聚压等于33％的设计压力。

         Pa = △Po×Ps                                        (7-1)  

△Po  ----  超压百分数 ( % )

    7.1.3 排放压力（Pd）的确定

     安全阀的排放压力,等于安全阀的定压加上超过压力（△Po)。

     故按下式计算： Pd=Ps(1+△Po ) ( MPa.G)                      (7-2 )

    7.1.4背压（Pb）的确定

    安全阀的背压是安全阀出口侧的压力。安全阀的背压等于安全阀开启前泄压总管的附加背压力与排放背压力之和。

(1)安全阀泄放介质直接排往大气的背压

   若安全阀泄放介质直接排往大气，安全阀的背压Pb可取值为零。

(2)安全阀泄放介质排往火炬的背压

若安全阀泄放介质排往火炬，要考虑去火炬的管道及火炬系统的阻力，此时需仔细计算安全阀的背压。对多压力源泄放系统的静背压的确定，应在系统安全分析选定的工况下，在某泄压源泄压前，其它泄压源排放流体时引起的该安全阀出口处总背压值，为该泄压源的静背压。计算时可取最大值作为静背压。此时，应按下列三种工况进行安全阀的选型及计算：

     ①  通用式安全阀背压

         对通用式安全阀背压的要求:  Pb＜10% Ps

     ②  波纹管平衡式安全阀的背压

         对波纹管平衡式安全阀的背压的要求: 10% Ps ＜ Pb ＜30% Ps

3先导式安全阀的背压

由于先导式安全阀是用于要求背压不影响安全阀的工作特性时，故一般可不考虑背压的影响。如果背压较高时，应与制造商协商，在安全阀结构设计上采用必要措施来解决。

7.2  安全阀排放量的计算

    造成设备或管道超压的原因主要是：火灾，操作故障，动力故障等。确定安全阀排量应按工艺过程具体考虑。一般是按可能发生的各种单一事故计算其排放量，取其中的最大值，定为工艺要求的安全阀的排放量（又称泄放量），以W表示。

本节计算的安全阀的排放量W ，是工艺设计对安全阀选型的要求。

安全阀的额定排放量Wr，是采用安全阀制造厂的定义；它与工艺设计所需安全阀的排放量之间的关系是：Wr≥ W ,也就是说安全阀选型的额定排放量Wr必须大于或等于工艺设计所需的安全阀的排放量W。

国家质量技术监督局《压力容器安全技术监察规程》中对计算安全阀在不同工况下的排放量计算有明确规定，在规定以外的内容可参见美国石油学会API_RP_520和API_RP_521的有关部分。本节所介绍的方法是考虑了工程的处理和我国有关规定的推荐方法，总的来说，与API_RP_520和API_RP_521推荐的方法一致或更安全些，同时也满足了我国《压力容器安全技术监察规程》的要求。

对欲保护的设备而言，安全阀排放量的计算原则总的来说，就是求得在不同的操作故障、设备故障和火灾时，应安装安全阀的设备内可能的最大存液量或最大存汽量，我们可以把它简称为最大物料量。这个最大物料量的计算方法有两种，对火灾工况是采用经验公式计算，而对于操作故障和设备故障而言，是采用物料平衡的原理来计算。

对欲保护的管道而言，安全阀排放量的计算原则总的来说，可以采用经验公式计算，也可按API的规定采用定尺寸的安全阀来使用。因为液体是不可压缩，只要排放出很少的液体，管道内的压力就会大幅度的下降。

7.2.1 外部火灾安全阀的排放量

液体烃类物质的贮存压力大于或等于与贮存温度相对应的气化压力，此时当贮罐曝露于火焰前时，由于辐射、对流传热和火焰的直接接触，容器内贮存的物质被加热，压力升高，直到安全阀开启，使容器内压力不超过最大允许压力。若安全阀的能力小于产生的蒸汽量，则容器内的压力就会升高到最大允许压力以上，这是不安全的。

容器曝露于火焰前，按传入容器的热量计算安全阀所需的排放量。API_RP_520根据试验数据给出了储罐在火灾时的安全阀计算方法，按容器的湿表面（或称为受热面积）在火灾时吸热来计算；而忽略不含液体的容器表面受热。

1.液态石油气贮槽

设置在有火灾险处的液化石油气贮槽，当发生火灾时，因温度激烈上升，液态石油气气化而超压，安全阀的排放量应大于气化产生的蒸气量。对于易燃液化气或安装在可能发生火灾处的非易燃液化气，这类容器按照保温情况不同，分别计算。

(1)不保温的容器：W=255000 FA0.82/r                      (7-3)

式中：

A  容器湿表面积，m2，计算方法见表7-2；

W  压力容器安全泄放量，kg/hr；

r  在泄放压力下液化气体的气化潜热，kj/kg；

F - 泄放减低系数表，取值范围见表7-3。

容器的湿表面积 A 计算                   表7-2

注2：若只知道容器筒体的长度（容器切线至切线的距离）时，椭圆形封头卧式容器的受热面积 A 计算可用：

        A =  L2πD+2.61×D2                                    (7-4)

        因为椭圆形封头的表面积等于1.66 倍的平封头的表面积

表中：

D— 容器的外径(m)

L— 容器的总长（容器两端顶点距离）(m)

L1—容器内最高液位 (m)

L2-- 容器筒体的切线长度（容器切线至切线的距离） (m)

计算容器的湿表面积时：

所谓地面，通常指地平面，但也可以是任何能形成相当大火焰的平面。 

气体压缩机出口的缓冲罐一般只盛一半液体，湿表面积按容器总表面积的50％计。 

分离罐内只有少量的液体，湿表面积按比例计算。 

分馏塔的湿表面积可假设为塔底和7.5米高度的塔盘内积盛液体部分表面积之和。

壳管式换热器的壳侧要考虑100％的外表面积为湿表面积；

釜式换热器按75％ 外表面积为湿表面积；

分子筛气体干燥器按25％ 考虑；

分子筛液体干燥器按100％ 考虑；

气体洗涤器按50％考虑；

泄放减低系数表          

(2)有完善的绝热材料保温的液化气容器

按国家质量技术监督局《压力容器安全技术监察规程》规定：

        W= 2.61×(650-t)λA0.82 ／(δq)                       (7-5)

式中：

        W－火灾工况时安全阀所需的排放量，Kg/hr；

        t - 泄压工况时被泄放液体的饱和温度，oC；

        λ－常温下绝热材料的导热系数，kJ/m hr oC；见表7-4

        A - 容器湿表面积，m2；计算方法见表7-2

       δ－ 保温层厚度,m；

       q－  液体在泄压工况时的汽化潜热，kJ/Kg。

对保温材料的要求

保温后减弱吸热可靠性的重要因素是保温材料在高温下的耐热性和机械强度。因此要求保温材料必须是块状或预制的，能连续承受593℃的高温。这就使大多数的玻璃棉和矿渣棉无法使用。

发生火灾时，在高压消防水的冲击下，至少在一个小时内，保温层和保护层的结构和材料，要保证保持在原来的位置上不掉下。

采用不同材料组成多层保温时，要检验预定温度下每层材料的物理性能。

  往金属表面上喷淋水可形成水膜。在理想情况下，水膜可吸收大量的辐射热，使金属表面保持较低的温度。一般采用的喷淋强度为 0.124－0.49 m3 / hr m2。对于容器，水喷淋的最重要部位是顶部，因为容器顶部无液体保护，容易发生局部过热。影响水喷淋可靠性的因素很多，如冬天冰冻、系统堵塞、水力不足、风速过高等都会影响水喷洒的均匀性，所以API_RP_520不考虑喷淋水的外壁校正系数。由于水喷淋能有效地降低金属表面温度，所以对贮存大量轻烃类的贮罐，要特别考虑采用喷淋水系统。安全阀能使容器内部压力不超过容器的最大积聚压力，但并不能保护非湿表面因局部过热造成的损坏。

  对贮罐采用减压和泄压等空罐措施可减少贮罐内的压力和罐壁所受的应力，这有利于减少贮罐破裂后罐内燃料加入火灾的可能。但减压和泄压措施并不能减少泄压设施的负荷。

常温下保温材料的导热系数λ表          

    火灾情况下气体膨胀容器安全阀排量计算公式

       W = 8.765 ( Pd M)  0.5［A(Tw - T1) 1.25 /（T1 1.1506）］

       W = 8.765(Pd M)0.5［A(866-T1)1.25/（T11.1506）］            (7-6)

       T1 = (Pd / Pn) T n  

式中：

      W -- 安全阀所需的排量                  (kg/hr)

      Tw-- 容器的壁温                        (K)

          * 碳钢材料的壁温为593             (℃)

      Tw = 593 + 273= 866                    (K)

      如果对于不锈钢材料的壁温不清楚时，在计算中也假设为 593(℃)。

      T1--  安全阀入口介质泄放温度            (K)

      Tn-- 气体正常操作的温度                (K)

      Pn-- 气体正常操作的压力                (MPa.A)

      Pd-- 上游泄放压力                      (MPa.A)

      M--  气体或蒸气的分子量

      A--  容器暴露的表面积                  (m2)

2.管道

有火灾危险的管道,也要考虑防止当它暴露于火焰前温度激烈上升而超压。一般情况，该管道的安全阀的泄放量，按该管道排入的火灾容器所选用的计算公式计算。其管道面积按照火灾容器表面积的10%～20%计算。

7.2.2 设备及操作故障时的排放量

1故障时的安全阀排放量表

设备及操作故障泄放量计算基准汇总表              表7-5

2冷凝器的冷却故障

冷凝器失去全部冷凝功能。此时，安全阀的排放量按正常组分和温度下的正常进料蒸汽量计算。

另一种是冷凝器失去部分冷凝能力。此时，排放量按正常工况下进入的蒸汽量和冷凝量的差值计算。不安装百叶窗的空冷器在发生供电故障时，其自然通风冷却负荷按25％正常负荷考虑，排放量按正常负荷的75％考虑。

当空冷器安装有百叶窗时，百叶窗在故障时的位置(若采用动力驱动)和百叶窗在冬天的最小定位，是决定自然通风冷却负荷率的主要因素。百叶窗在冬天的位置可能接近关闭,因此仍按100%的负荷计算排放量。

    蒸馏塔顶的安全阀排放量,应按塔顶馏出物的总量(包括回流)计算。

3回流和出料故障

(1)塔顶回流中断

当发生塔顶回流中断时，排放量按进入塔顶冷凝器的蒸汽总量计算。

(2)塔底出料故障

塔底出料泵停止运行或阀门关闭时，产生的蒸汽量相当于泵抽出流量所带走热量产生的蒸汽。

塔顶回流和塔底出料同时发生故障的机会是罕见的。此时可按二者中影响 较大的故障计算。

(3)侧线回流故障

按进入和离开侧线部位的蒸汽差值计算。

4装置仃电故障

装置停电引起故障时,安全阀的排放量的计算，必须分析停电的范围及影响生产的情况。它可能影响泵、风机、压缩机、阀门电动执行机构的工作，有时还会影响仪表风的工作。为防止事故，一般而言应按照安全阀所保护的系统仔细分析停电的影响范围，按照最大值计算安全阀的排放量。

5调节阀故障

工艺自控调节阀一般装在设备的进出口处，调节阀发生故障、或者停电、停仪表风时，都会造成调节阀失去作用。

(1)入口调节阀故障

若入口调节阀发生故障时,入口调节阀是关闭状，这不需考虑超压的泄压措施。

若入口调节阀发生故障时，入口调节阀是全开状或部份开启状，这就需考虑超压的泄压措施。

为此设置的安全阀的泄放量:是最大的入口流量和开着的出口阀的最大流量的差值。 

气体调节阀故障所需的安全阀的排放量

    a.  若 P2＞P1/2 ，V = 2763 Cv[△P( P1+ P2 )/ (Gg T)] 0.5   (7-7)

     b.  若 P2≤P1/2，V = 2396 P1 Cv/ (Gg T) 0.5                (7-8)

水蒸汽调节阀故障所需的安全阀的排放量

     a.  若 P2 ＞ P1/2

         W = 139.7 Cv [ △P( P1+ P2 )] 0.5 /( 1+0.0013△t)      (7-9)                              

     b.  若 P2≤ P1/2

         W = 121.3 P1 Cv/ ( 1+ 0.0013△t)                     (7-10)

液体调节阀故障所需的安全阀的排放量  

         W = 2737 Cv (△P Gl ) 0.5  ；△P= P1—P2                (7-11)

以上三式中：

      V --  调节阀所需的安全阀的体积排放量     (Nm3/hr)

      W --  调节阀所需的安全阀的重量排放量     (kg/hr)

      Cv--  调节阀的Cv 值*（由自控专业提供）

      Gg—  气体或蒸汽的比重（与空气比） 

      G1—   液体的比重（与水比）

      P1—   调节阀上游的压力                 (MPa.A)

      P2—   调节阀的泄放压力                 (MPa.A)

      △P—  调节阀上游与泄放的压差          (MPa.A)

      T  —  调节阀上游的泄放温度            (K)

      △t—  水蒸汽的过热度                  (K)

注： 调节阀的Cv 值*--是指在给定行程下，阀两端压差为1 (lb/in2)时，温度为60(°F)的水，每分钟流经调节阀的体积（以gal计）。

闪蒸液体调节阀故障所需的安全阀的排放量  

     若P1—P2≥ F12 (P1-Pvc) 时：

       W = 2737 Cv Fl[(P1-Pvc )G ]0.5                         (7-12)

       Pvc=[(0.96-0.28 (Pv / Pc) 0.5 ] Pv

 式中：

       W--   调节阀所需的安全阀的排放量          (kg/hr)

       G—   介质在上游温度下的比重   

       P1—   调节阀上游的压力                  (MPa.A)

       Pvc— 调节阀缩脉压力(注)                (MPa.A) 

       Pc—  介质的临界压力                    (MPa.A) 

       Pv—  调节阀上游温度下介质的蒸汽压      (MPa.A) 

       F1 --- 压力校正系数

        注：Pvc 缩脉压力(vena contracta)是指介质流经调节阀处的最低压力。

（2）出口调节阀故障

   当设备的出口只有一个，而发生事故时，出口的调节阀全开，不需考虑超压的泄压措施。

   若同一故障使一个或几个进口阀开，而出口阀也开着，此时可能需要安全阀来防止超压，这安全阀的泄放量是最大流入量与最大流出量的差值。

6内部爆炸

设备内部爆炸一般采用爆破片控制。对于一般炼油厂和石油化工厂发生的烃类和空气混合物的爆炸，按0.06平方米/立方米蒸汽容积决定爆破片的面积。爆破片的厚度应由爆破片制造厂决定。

7换热器管子破裂

8液体及气体热膨胀引起的排放量计算

在决定安全阀的尺寸时，要考虑过程热量输入的潜在能力，不能只考虑正常的热量输入。例如，炉子燃烧器的最大负荷往往可达炉子铭牌负荷的125％，此时应按泄压工况下的最大蒸汽发生量减去正常冷凝量或蒸汽流出量选用安全阀。

无火灾危险处的非易燃液化气，由于阳光暴晒、或其它原因造成辐射、对流、传导等的热传递，使容器内贮存的物质被加热，迅速汽化超压。根据压力容器安全技术监察规程，这类容器的安全阀的安全排量不低于火灾危险处的非易燃液化气的30 %。

管子或容器在充满冷液体后被关闭，然后又受到伴热管、蛇管、外界热流或明火加热。

一个换热器的冷侧被切断，而热侧仍有流体通过。

管子或容器在接近常温时充满液体后，然后又直接受到太阳辐射加热。

对于用蒸汽加热的再沸器和类似的管式换热器，在决定调节阀故障时的换热工况时，假设管子是清洁无污垢的。

液体热膨胀引起安全阀的排放量：

此时可根据液体的最大受热量，按热量平衡的原理计算热膨胀造成的排放量。一般可按下式计算安全阀的排放量：

GL=0.00361×ω×Q/ρ×CP                                (7-16)

式中:

    ω---液体每升高1℃的体积膨胀系数，见表7-7

Q---传入热量，W；

ρ---液体的比重

CP---液体的比热，kj/kg.℃

冷却器的冷却水安全阀的排放量计算，一般可按DN25选用安全阀。

气体热膨胀引起的安全阀的排放量

气体热膨胀的安全阀的排放量,可按下式计算：

       W＝Q/(Cpv × △T )                       (7-17)  

△T = T1-Tn =( Pd/ Pn) Tn – Tn

式中：

       W --  安全阀排量                        (kg/hr)

       Q --  容器的最大受热量                  (kJ/hr)

       Cpv-- 气体泄放温度和操作温度的平均热容  (kJ/kg.K)

       △T --气体泄放的温度和操作温度的温差    (K)

       T1--   气体的泄放温度                    (K)

       Tn--   气体操作温度                     (K)

       Pd--   气体泄放压力                     (MPa.A)

       Pn--   气体的操作压力                   (MPa.A)

9化学反应

计算化学反应的排放量时应考虑反应率和反应动力学。若化学反应可能引起爆炸，则按内部爆炸考虑。

(1)放热反应产生热量，使温度升高，反应加快；继而产生更多的热量，反应速度更快，此时温度、压力都升高。当温度、压力的上升达到指数加速时，采用常规的压力泄放措施是不够的，此时必须控制反应速度，使温度、压力达不到指数上升。较好的办法是往反应器内引入足够量的易挥发液体或用低温介质撤热，以吸收过多的反应热，控制反应在安全水平；或往反应器内加入阻聚剂来控制反应。在这种情况下，计算化学反应超压的安全阀的排放量，可用单位时间的反应热、与易挥发物的汽化热计算出易挥发物质的蒸气量来定。

(2)用爆破膜来泄压

化学反应十分激烈易爆炸，就要用爆破膜来泄压，如高压聚乙烯装置的反应器，反应压力最高达到 300 (MPa.G)，反应温度最高达到300 (℃ )。在这种情况下, 一般采用爆破膜来泄压保护设备不被超压破坏。

如果采用爆破膜和安全阀串联安装时，爆破膜的排放量应与安全阀单独安装时的排放量相同；但串联后的安全阀排放能力会下降10%，在喷嘴设计时应预给与补偿。

10出口阀关闭时气体和蒸汽流入超压时

    由于容器或系统误操作，造成出口阀关闭气体和蒸汽流入超压。此时安全阀的排放量：

   (1)  至少应等于压力源提供的进入的总量；

(2)  若不是所有的出口阀都关闭，可适当考虑减去未关阀出口的排出能力。

(3)  如果容器内设有加热管，排放量还应包括传入热能所产生的气体量。

   计算排量时应按安全阀排放时的工况（排放压力为定压加上超压）计算。

11压缩机贮气罐超压的安全阀的排放量

对于压缩机贮气罐，由于出口阀关闭气体和蒸汽流入，造成超压的安全阀的排放量,应按压缩机的最大生产能力 W（产气量）(kg/hr)计算。

12气体贮罐超压的安全阀的排放量

(1)  对于气体和水蒸汽贮罐等压力容器，由于出口阀关闭造成气体和蒸汽流入而超压的安全阀的排放量, 根据《压力容器安全技术监察规程》应按下式计算：

       W =2.83×10 -3ρVd 2                               (7-18)

 式中：

      W-- 气体贮罐的安全阀的排量                (kg/ hr)

      ρ-- 在安全阀排放压力Pd的工况下的气体密度  (kg/m3)

      d -- 气体贮罐的进料管的内径                (mm)

      V -- 气体在管内的流速                      (m/s)

气体流速按下述范围选取：

           一般气体：V  = 10～15   (m/s)

           饱和蒸汽：V  = 20～30   (m/s)

           过热蒸汽：V  = 30～60   (m/s)

13出口阀关闭液体贮罐的安全阀的排放量

对于液体贮罐的安全阀的排放量，由于出口阀关闭造成超压的安全阀的排放量，按泄放压力时进入贮罐物料最大值计。

在不明确情况下，按液体容器正常进料量的1.25倍计。

W=1.25 G                                         (7-19)

式中：

W--  液体贮罐的安全阀的排放量     (kg/hr)

G--  液体贮罐的正常进料量         (kg/hr)

8  安全阀设置

8.1 安全阀设置原则

8.1.1 参照国家标准”石油化工企业设计防火规范”的规定,在不正常条件下,可能超压的设备必需设置安全阀。

 8.1.2 在下列情况之一者，容器和设备不需设置安全阀：

1.加热炉炉管；

2.离心泵出口（连接的设备不能承受其最高出口压力者除外）；

3.同一压力系统中，压力来源处已有安全阀保护，若中间无截断阀，则其它容器或设备所组成的系统可不设安全阀。装置中所设置的吹扫蒸汽不作为压力来源；

4.若有可能被物料结垢,堵塞或腐蚀性的场合,应在安全阀入口前设爆破片或在管道上采取吹扫,加热或保温等防堵措施。

5.内装物料有可能突然爆聚,自分解爆炸或反应失控而引起压力急剧升高的反应器不宜设安全阀，应设爆破片或爆破片和导爆管。同时应增设关键参数报警信号及自动或手动遥控的紧急切断进料设施。

6.装置中压力低于0.03(MPa.G)的系统及压力大于100(MPa.G)的超高压系统。

8.1.3  长距离输送易挥发液体的管道，由于两端阀门关闭因热膨胀，引起超压的系统，应设安全阀。

8.2  安全阀设置的典型方式

8.2.1 方式一：指只安装一个安全阀，且安全阀的前后不加截断阀的情况（见图1）。

8.2.2方式二：指只安装一个安全阀，且安全阀的前后应加截断阀的情况（见图2）。

8.2.3方式三：指只安装一个安全阀，且安全阀的前后应加截断阀及付线阀的情况（见图3）。

8.2.4方式四：指只安装一个安全阀，且安全阀前再装上一组爆破片；在爆破片及安全阀之间，安装有可供在线校验使用的四通组件接口（见图4），四通组件详图见图7。

8.2.5方式五：指只安装一个安全阀，且安全阀前再装上一组爆破片；在爆破片及安全阀之间，安装有可供在线校验使用的四通组件接口，且爆破片前和安全阀后又分别加装一个截断阀的情况（见图5）。

8.2.6方式六：指同时安装两个安全阀，且在每个安全阀前后加装一个截断阀，使安全阀可互为备用的情况（见图6）。

图中

Lc-----铅封关

Lo-----铅封开

：在图2，图3，图6中表示安全阀前后的短管接头，如果需要在线定压时才安装，否则可以取消。

：表示四通组件符号。

①反向爆破片

②安全顶端排出口

③螺纹接管

④四通组件

⑤球形止回阀

⑥压力表接头

⑦检验接头

图7   四通组件装配图

8.4.3  安全阀出口管的设计

1.安全阀出口管道直径不小于安全阀的出口直径。对于弹簧式安全阀中的通用式安全阀，出口管道的动背压与静背压之和要不大于安全阀定压(表压)的10%，对于平衡波纹管式安全阀要不大于安全阀定压(表压)的30%。

2.安全阀出口管道直接排大气

(1) 排除的气相要排向安全地点，一般出口朝上，排放口要切成平口，在管道低点有一个Φ6～Φ10的排液孔。管口附丝网以避免飞鸟筑巢。

(2) 排放口要高出以排放口为中心的7.5(m)半径范围内的地面、设备、操作平台等2.5m以上。对于有毒、或有腐蚀性、或易燃物料，应按有关规定执行。当允许排向大气时，排放口要高出以排放口为中心的15m半径范围内的地面、设备、操作平台等3(m)以上。

(3)安全阀排放气体的温度高于物料的自燃温度，则排出管要设灭火蒸汽，灭火蒸汽管最小管径为 DN25。

(4)特殊工艺物料，如易自聚，易结晶等，在排出管设氮气吹扫口连续通入氮气。

(5)排至大气的液体要向下引至安全地点。

3.安全阀出口管道排至密封系统

(1)安全阀排放管道应坡向主管，尽量避免袋形弯。如不能避免时，在袋形弯低点要设易于接近的放净阀。对于易凝介质， 在袋形弯的最低处设有蒸汽伴热管，以免积液。

(2)排放管道与主管的连接，要从主管上部或侧面顺流向前45°角插入。既可防止总管内的凝液倒入支管，又可减少管路压力降。

(3)核算在可能的工作温度范围内出口管道的补偿。

(4)对于排放来自冷冻（液化气等）的物料，应检查管材是否合理，必要时应采用低温钢管道，并保温伴热。

8.4.4安全阀的截断阀

1.安全阀进出口管道一般不设置截断阀。在必须设置截断阀时，进出口全开加铅封，副线阀全关加铅封。

2.设置截断阀应满足下列条件：

(1)上下游截断阀的压力等级应与安全阀进出口管道的压力等级一致；

(2)截断阀进出口的公称直径不得小于安全阀的进出口法兰的公称直径；

(3)截断阀一般应选用闸阀，阀杆应水平安装；以免阀杆和阀板连接的销钉因腐蚀而断裂后使滑板下滑。

安全阀喷嘴面积计算

1.选用的安全阀排放面积，即实际排放面积必须等于或大于工艺设计计算的安全阀所需的排放面积；

工艺设计计算的安全阀所需的排泄放面积习惯上称安全阀喷嘴面积；

根据工艺确定的安全阀操作参数和计算的排放量按照下列不同介质情况计算所需的排放面积，并按照安全阀系列选型，使其实际的排放面积等于或大于计算所需面积。

2.泄放气体的安全阀喷嘴面积

2.1 流动状态辨别

气体通过安全阀喷嘴时，其速度和比容随下游压力的减小而增大，一直增大到极限速度为止，此极限速度即为该气体的声速，相当于极限速度的相应流率称为临界流率。

声速下的喷嘴喉管压力Pcf与入口压力（即安全阀排放压力）Pd之绝压比称为临界压力比，Pcf称为临界流动压力。

如果背压满足下式即为临界流动，否则为亚临界流动。

Pb≤Pcf＝Pd〔〕　　　　　　　　　　　　　　　（1-1）

式中  Pd ---安全阀背压力                  （MpaA）

      Pcf ---临界流动压力                 （MpaA）

      Pd ----安全阀的泄放压力             （MpaA）

      K-----气体的绝热指数               （Cp／Cv）

根据气体是临界流动还是亚临界流动状态，再按下式计算喷嘴面积。

2.2  临界流动状态下喷嘴面积计算

A＝                        （1-2）

式中    A---安全阀需要的最小泄放面积       （mm2）

        W---安全阀的排放量                 （kg／hr）

        Pd---安全阀的泄放压力              (MpaA) 

        T----安全阀的泄放温度              (K)

        M---气体分子量

        C0---流量系数,应由安全阀制造厂提供,它与安全阀结构有关。如无制造厂数据，对API标准可取C0＝0.975

        X----气体特性系数，仅与气体的绝热指数K有关，可按下式计算：

X＝520                            （1-3）

也可由表1-1查得不同K值下的X值。

当K值未知时，可选用X＝315。

Kb---背压校正系数，对于弹簧式安全阀Kb＝1.0；对于平衡波纹管式安全阀Kb可由表1-2查得。

当背压Pb低于0.34MpaG时，不应选用上表数值，而应由制造厂提供Kb值。

2.3  亚临界流动状态下喷嘴面积计算

为了简化计算，亚临界流动状态下喷嘴面积计算公式仍然采用式1-2，但其中Kb值对通用式安全阀采用表1-3数值；对于平衡波纹管式安全阀Kb值应由制造厂提供。

对先导式安全阀和弹簧设定时，考虑了静背压影响的弹簧式安全阀，也可用式1-2来计算。

2.4  喷嘴喉径

按压力容器技术监察规程规定：

全启式安全阀（即h≥1／4d0时），A＝1／4πd02

微启式安全阀（即h＜1／20d0时），A= d0πsinφ

式中  A----安全阀最小有效泄放面积，（mm2）

h----安全阀开启高度 （mm）

d0----安全阀阀座内径（mm）

φ----锥型密封面的半锥角度（0）

3泄放水蒸汽的安全阀喷嘴面积

A＝                                 （1-5）

式中  Kn----安全阀的泄放压力校正系数

当Pd≤10.44  (MpaA)时，   Kn＝1.0

当10.44＜Pd≤22.17(MpaA)时 

Kn＝

Ksh----过热蒸汽校正系数，见表1-4；对任何压力下的饱和蒸汽Ksh＝1。

其它符号意义同前。

4  泄放液体的安全阀喷嘴面积

A＝               （1-6）

式中   A----安全阀需要的最小泄放面积  （mm2）

       W---安全阀的排放量            （kg／hr）

       Pd---安全阀泄放压力             (MpaA)

       Pb—安全阀背压力               (MpaA)

       ρL—液体密度                  （kg／m2）

       C0---安全阀流量系数，应由制造厂提供。如无数据，对国标安全阀可按0.65计算，对API标准安全阀，可按0.975进行计算。

       Kw---背压校正系数，对通用式安全阀，Kw＝1；对平衡波纹管式安全阀，一般应由制造厂提供，必要时也可按表1-5查得：

根据雷诺数Re选用Kv时，首先按非粘性介质（Kv＝1）用式1-6计算出喷嘴面积，再从有关样本中选取接近或稍大一级的喷嘴面积的安全阀，按式1-7计算雷诺数Re

Re＝                                        1-7

W----安全阀泄放量               （kg/hr）

μ----动力粘度                   （m.Pa.s）

A0----初选安全阀的喷嘴面积       （mm2）

根据计算的Re值从表1-6中查得Kv值，再按式1-6计算校正后的喷嘴面积。如果校正后的喷嘴面积大于初选的喷嘴面积A0，则需选用较大A0的面积重新计算，直至基本一致为止。

4介质为气液两相流体安全阀喷嘴面积计算，可按前述方法分别计算气体和液体排放所需安全阀喷嘴面积，再将两者相加作为所需安全阀的喷嘴面积。

安全阀设计例题

1  已知下列泄放条件：

脱丙烷塔顶气体，介质为碳二、碳三混合物，平均分子量M=42.29，K=1.173，操作压力=1.9MPa(G)，最大操作压力Pm=2.1MPa(G)，

操作温度=48.9℃，背压力Pb=0.3MPa(G)，压缩系数=0.719，

排放量=87822kg/hr。选用安全阀。

解：

(1)介质为烃类，应选用API标准安全阀。

(2)按最大操作压力=2.1MPa(G)确定定压

当1.8< <4 (MPa · G)时，

    =1.1=1.1×2.1=2.31MPa(G)

(3)积聚压力=2.31×0.1=0.231MPa(G)

(4)排放压力=2.31+0.231=2.541MPa(G)=2.1 MPa(A)

(5)判别流动状态

= = 2.1×0.57=1.505 MPa(A)

<，故为亚临界流动状态。

(6)喷嘴面积计算

亚临界流动状态，仍按A2.2-1计算。

查表A2.2-1            =382.5

对API标准安全阀，按=0.975估算面积。

=2.31 MPa(G)    

10%<<30%，故选用平衡波纹管安全阀，由制造厂提供背压校正系数=0.69

(7)= =  = 3997.5mm2

2   调节阀故障时的安全阀排放量的计算

计算原则---主要是两个方面，一个以调节阀能通过的最大流量来计算泄放量，另一个是用热平衡的原理，计算该塔在回流调节阀失灵的情况下，能够通过的最大流量。

SV-8117和SV8159塔D-8101塔顶冷凝器的气相管道上，SV8117的定压是0.3675MPaG，SV8159的定压是0.3675 MPaG，用两个安全阀共同保护该系统不超压。定压基准就是D8101的设计压力。

该流程生产两种产品，醋酸丁酯和醋酸乙酯，生产的工艺条件不同，所以要分两种产品工况分析。

我们只讲解SV8117的计算过程。

2.1  流程图

2.2  安全阀排放工况分析

1)出口阀关闭

从流程图上看出，一共有3台泵向该塔进料，要填满整个塔，需要24小时；事故状态只考虑1小时，所以不考虑这个工况。

P-8407  9.5米3/时，P-8408  10.6米3/时，P-8409   8.9米3/时

D-8101体积  121 9.5米3。

2)冷却水中断

3)回流中断（同冷却水中断）

4)不凝汽聚集（同冷却水中断）

5)再坲器蒸汽进料调节阀故障

6)换热管破裂

7)火灾

8)调节阀故障

把上述四种可能的故障工况，该安全阀的排放量计算出来，进行比较，确认是调节阀故障时，安全阀的排放量最大，确定SV8117应该满足的排放工况，是调节阀故障工况。

各工况计算结果见下表

3  出口阀关闭

4   调节阀故障

5  火灾

6  液体热膨胀