安全閥設計計算探討

李 瑋 王 鋒

（上海華誼工程有限公司，上海 200235）

安全閥是安裝在壓力容器或管道上，在緊急情況或異常工況下開啟，防止內部壓力超過設計規定的安全值，保護壓力容器或管道等受壓設備發生爆炸事故的裝置。大多數化工裝置系統操作壓力較高，而且化工物料多是可燃易爆介質，如果安全閥設計考慮不周，超壓泄放時易引起火災、爆炸等事故。因此，從系統安全的角度出發，安全閥的合理計算與設計對化工裝置來說是非常重要的。

1 安全閥尺寸確定方法的比較

1.1 不同的確定方法

通常情況下，大部分設計人員在確定安全閥尺寸先是確定安全閥最大泄放量，再根據此最大泄放量來計算安全閥的喉徑大小。但也有的做法是計算所有可能工況的安全閥尺寸，選擇最大的喉徑面積作為安全閥的最終尺寸?，F就這兩種做法加以討論。

一般來講，最大泄放量對應最大的尺寸。但有的工況可能不是最大的泄放量，但是要求最大的尺寸。

例如：某設備頂部安全閥，火災工況時的泄放量小于閥門誤關閉時的泄放量，但由于火災時，火災影響范圍內的同一泄放干線上安全閥會同時泄放，此時瞬時流量較高，會產生較高的安全閥背壓；但閥門誤關閉時的泄放只考慮單獨泄放，產生的背壓就比火災工況時低很多。

圖1 為彈簧式安全閥背壓修正系數圖[1]。

而安全閥泄放面積計算公式[2]：

式中：a — 最小泄放面積，mm2；

圖1 彈簧式安全閥背壓修正系數

W — 質量泄放流量，kg/h；

C0— 流量系數；

X — 氣體特性系數；

P — 泄放壓力，MPa；

Kb— 背壓修正系數；

T — 泄放溫度，T；

Z — 氣體壓縮因子；

M — 分子量；

Kf— 亞臨界流動系數；

Pb— 背壓，MPa；

Kp— 超壓系數；

Kw— 背壓校正系數；

Kv— 粘度修正系數；

Gt— 液相密度，kg/m3

1.2 確定方法的建議

結論：因此筆者認為，計算所有可能工況的安全閥尺寸，再選擇最大的喉徑面積作為安全閥最終尺寸的計算方法，是比較合理的計算安全閥的做法。

2 安全閥入口管道壓降的確定

在石油化工裝置安全閥工程設計中，安全閥進口管道設計的正確與否對安全閥能否在設定的壓力與排量下工作影響極大，設計不合理會造成安全閥頻跳等問題。因此，要使安全閥真正起到保護設備與管道的作用，一定要重視安全閥的進口管道設計。

安全閥排放時，如果入口管路的壓力降太大，將會引起安全閥反復迅速啟閉，產生顫振，降低安全閥的排放能力，并會損壞安全閥及其聯接的管道，所以必須對這部分壓力加以限制。

2.1 壓降限制的規定

在國內外標準中均限制了安全閥入口管道的壓力降，為設計人員在計算中提供了依據，但由于各標準中的具體要求也有差別，筆者就其中的差別予以討論：

國家標準GB/T 12241—2005《安全閥一般要求》10.3.1 規定：在進口支管中或被保護設備與安全閥之間的壓力降應不超過整定壓力的3%或最大允許啟閉壓差的1/3（以在實際排放時的較小者為準）[1]。

行業標準HG/T 20570—95《化工裝置工藝系統工程設計規定》12.0.1的規定是：入口管路直徑不小于安全閥的入口直徑，入口管道的壓力降不大于安全閥設定壓力(表壓)的3%[2]。

《石油化工設計手冊》第4 卷5.5.10 規定：從被保護設備到安全閥入口流體的壓力降應低于安全閥定壓的3%。流量應按照安全閥排放時通過安全閥的最大流量計算[3]?！?/p>

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美國石油學會標準API 520-Ⅱ中規定：當壓力泄放閥安裝在與容器直接相聯的管線上時，從被保護容器到壓力泄放閥之間不可回收的總壓力損失不能超過閥門設定壓力的3%（如圖2所示）；當壓力泄放閥安裝在工藝管線上時，正常工況無流量的閥前入口管線上的壓損與工藝管線上由閥門泄放而引起的額外壓損兩部分之和不應超過閥門定壓的3%[4]。

圖2 壓力泄放閥與容器直接相聯管線的安裝結構

國內標準全部規定的是壓力降，沒明確是哪一部分壓降，一般理解為全部壓力降；而API 則明確規定的是不可回收的壓力損失。

2.2 管道壓降分析

要理解哪種標準更加合理，先分析一下管道壓降都包括哪些內容。

管道壓力降包括：管道摩擦壓降、管道速度壓降、管道靜壓降。

管道摩擦壓降由兩部分組成：一部分是流體在管道內流動，由流體與管壁摩擦而引起的阻力降；另一部分是流體通過孔板、管件的變徑及接管口產生的局部壓降。摩擦壓降屬于不可回收的壓力損失。

管道速度壓降由于管道始端與終端流體流速不等而產生的壓力降。管道速度壓降是可回收的壓力損失。

由于管道進出口標高不同而產生的壓力降稱為管道靜壓力降。

分析：在安全閥開啟——關閉——再開啟的過程中，決定安全閥開啟或關閉的閥前壓力是靜壓力，所以只要是在安全閥開啟后能夠導致閥前靜壓力下降的那部分壓力損失就應歸于3%的限制之內，顯然管道摩擦壓降（不可回收的壓力損失）會導致閥前靜壓力的下降，影響安全閥的啟閉頻率。

而關于靜壓降是否計入3%，API 沒有作更多解釋。如果泄放介質在入口管道中的靜壓降維持不變，比如介質是氣體或者是完全充滿容器和管道的液體，而且液體在安全閥關閉后不會發生倒流，那么這部分閥前管道中的靜壓降對安全閥的啟閉過程就沒有影響，可以不計入3%的限制之內。但是如果安全閥每次關閉后閥前管道的靜壓降會減少或消失，下次開啟后又會重新建立，比如在啟閉循環中有充分倒流時間的兩相流體，那么這部分靜壓降就會影響到安全閥的啟閉，應該被計入3%之內。

2.3 入口管道壓降計算的建議

國內標準規定的是壓力降，沒明確是哪一部分壓降，一般理解為全部壓力降，這種做法過于保守，計算出的入口管徑會偏大。所以筆者認為，設計人員在計算安全閥入口管道壓降的時候，可按照API標準只考慮可回收部分的壓力損失，即管道摩擦壓降，同時，還應該仔細分析工況以確定靜壓降是否要計入3%。另外需要提醒的是，如果閥前液體靜壓降過大，設計人員還需進一步考慮是否有必要降低安全閥定壓以保護系統不至于超壓。若安全閥入口管道的總壓力降超過安全閥整定壓力的3%，可增大入口管徑以降低壓力降，以滿足技術與經濟的要求。

3 安全閥背壓的確定

安全閥的背壓，是由于排放系統有壓力而存在于安全閥出口處的壓力，背壓可以是固定的，也可以是變化的。背壓是附加背壓和積聚背壓之和。附加背壓（也叫靜背壓），當安全閥未啟動時，由于其它閥排放而存在于安全閥出口的靜壓；積聚背壓（也叫動背壓），當安全閥打開后，由于排放使主管中增加的壓力。安全閥起跳后的總背壓是附加背壓和積聚背壓之和。

當安全閥實際承受的背壓大于其所允許的最高承受背壓時，則安全閥就不能達到規定的開啟高度，甚至不能開啟，影響安全閥的泄放，導致設備損壞或者更嚴重的事故，因此，安全閥背壓的確定要引起設計人員的足夠重視。

3.1 背壓的確定方法

3.1.1 泄放管網的確定

要確定安全閥出口背壓，首先要根據全廠設備平面布置，設計全廠泄放管網的具體分布，確定泄放管網每根管線的尺寸。根據API2521，對單個設備事故泄放、主電源事故泄放和局部區域火災等主要工況進行分析。前兩種工況較易分析，對于局部火災工況，API521 規定在缺乏其它控制因素的條件下，局部區域火災的火情通常被認為限制在230 m2～ 460 m2的廠區面積范圍之內[5]。因此，設計人員要根據全廠設備平面布置，選擇最大火災形成區域來進行泄放量計算。設計人員通過對前面各種工況的分析，從而確定管線尺寸。

3.1.2 出口背壓的確定

在全廠泄放管網分布和管線尺寸基本確定后，可通過計算求出安全閥出口背壓。具體過程是先根據廠商資料確定火炬頭即泄放管網最終端的壓力，再由安全閥的設計泄放量反算出火炬頭至安全閥出口的壓降，最后將火炬頭的壓力加上管線壓降即為安全閥的背壓。

以上是計算安全閥出口背壓的方法，但是計算出的背壓是否合理，需要參照標準規范對背壓的限制予以衡量。

3.2 背壓的限制

3.2.1 各標準對背壓的限制

國內外標準都對安全閥背壓有一定的限制：

API520 中規定：通用式安全閥，如允許超壓為10%，則其積聚背壓不應超過設定壓力的10%；如果允許超壓大于10%，則其最大積聚背壓也可大于10%，但不能超過允許超壓。如背壓超過以上限制，則應選用平衡式或先導式的安全閥[4]。

國家標準GB/T 12241—2005《安全閥一般要求》規定：對安全閥出口側存在的可能影響整定壓力和/或排量的背壓力(排放背壓力和／或附加背壓力)應予以考慮[1]。

行業標準HG/T 20570—95《化工裝置工藝系統工程設計規定》規定對于彈簧式安全閥，彈簧設定時不考慮靜背壓的影響，出口管道的動背壓與靜背壓之和要不大于設定壓力(表壓)的10%[2]。

《石油化工設計手冊》規定：通用式安全閥在非火災工況使用時，動背壓的值不可超過定壓的10%；在火災工況下使用時，動背壓不可超過定壓的20%[3]。

以上標準規定各不相同，GB/T 12241—2005 中雖然有規定，但是沒有具體限制，只說予以考慮；HG/T 20570—95 要求考慮總背壓不大于設定壓力的10%；《石油化工設計手冊》與API的規定基本一致，都對積聚背壓（即動背壓）予以限制，并對不同工況有不可超過定壓10%和20%的限制。

3.2.2 附加背壓的分析

到底應該考慮總背壓還是只考慮積聚背壓的限制，要先對附加背壓予以研究，來判斷附加背壓到底是否需要被考慮進來。

附加背壓，可采取調整冷態試驗壓力來修正。也就是說，安全閥廠家在做選型時，通過降低彈簧力的設定值，降低的量等于附加背壓值，以此來抵消附加背壓的影響。

3.2.3 建議

從背壓影響安全閥操作性能的機理上看，API與《石油化工設計手冊》的規定是合理的。在具體工程設計時，只需限制通用式安全閥的積聚背壓不要超過其允許超壓即可，這樣既方便設計計算，又符合各標準規范。否則，如果考慮總背壓的話，會使得安全閥出口管道管徑偏大，這樣不夠經濟合理。

4 安全閥出口反力的計算

安全閥閥瓣開啟泄放時，管道內流體的快速流動會對排放管道產生一定的作用力，并通過排出管道傳至安全閥，并以力矩的形式通過管道作用在安全閥的設備接口。因此，需要對這種力和力矩進行計算，以保證安全閥進出口管道及設備接口、法蘭的安全。

通常工藝系統專業設計人員需要在基礎設計階段計算安全閥反力，供管道機械專業設計管架時用。

4.1 反力計算標準

行業標準HG/T20570-95 中的反力計算公式為[2]：

式中：f — 泄放反力，N；

A0— 泄放管出口截面積，mm2；

P2— 泄放管出口靜壓力，MPa（表）；

k — 絕熱指數。而在API520 中，安全閥反力計算公式為[4]：

式中：F — 向大氣排放點的反作用力，N；

W — 氣體或蒸汽的流率，kg/s；

k — 比熱比（Cp/Cv）；

Cp— 定壓比熱；

Cv— 定容比熱；

T — 進口溫度，0R；

M — 流體介質相對分子質量；

A — 排放點的出口面積，m2；

p — 排放點的靜壓，psig。

在計算安全閥反力時，設計人員到底應該用哪個公式來計算呢，現通過一個實例計算，對兩個公式的計算結果進行對比。

4.2 反力計算實例

某安全閥，各項參數如表1。

表1 安全閥參數

按照HG/T20570-95 中的反力計算公式[2]：

按照API520 中的反力計算公式[4]：

兩個公式計算結果差別比較大。HG/T20570-95的計算結果幾乎是API520的三倍。

為驗證哪一個公式的計算結果更為準確，筆者再用管道應力分析軟件CAESAR Ⅱ中的安全閥泄放反力計算單元來進行驗證。

CAESAR Ⅱ計算結果如表2所示。

計算結果中，F1 是指出口彎頭受的力，F2 是介質連續泄放時管道受的力，而F3 是安全閥泄放時對出口管道瞬間產生的力，也就是我們所指的安全閥出口反力，表中F3=6 546N。

表2 CAESAR Ⅱ計算結果

4.3 反力計算建議

按以上分析我們可以推斷出，通過管道應力軟件計算出的結果6 546N 與API520 中公式計算出的4 487N 更為接近，而HG/T20570-95 中反力計算公式過于保守，計算出來的反力過大，會導致管道材料專業和設備專業選材的浪費，不夠經濟，因此，API520的計算結果是比較可信的，可以作為工藝設計人員計算反力的標準。

[1]國家標準GB/T 12241-2005 安全閥一般要求[S].

[2]行業標準HG/T 20570—95 化工裝置工藝系統工程設計規定[S].

[3]中國石油化工股份有限公司.石油化工設計手冊(第4 卷)[M].北京：化學工業出版社，2002.

[4]American PetroleumInstitute.API recommended practice 520,5th Edition,2003.

[5]American Petroleum lrmlitute.API Recommended Practice 521,4th Edition,March 1997.