API RP520和ASME B31.1中关于安全阀排汽反力计算公式的比较

方 立 魏 丽

(中石化上海工程有限公司)

APIRP520和ASMEB31.1中关于安全阀排汽反力计算公式的比较

方 立*魏 丽

(中石化上海工程有限公司)

介绍了API RP520和ASME B31.1两种标准给出的安全阀排汽反力的计算方法，并通过公式推导和实例计算进行两种方法的比较，得出：对理想气体的计算，两种标准给出的公式是等价的；在工程应用中，将过热蒸汽视为理想气体进行计算时，采用API RP520给出的计算公式更方便快捷。

安全阀 排汽反力 API RP520 ASME B31.1

安全阀是化工装置压力容器、压力管道及其他受压设备的超压保护装置。当系统压力超过安全阀的设定起跳压力时，安全阀通过其阀瓣开启使得压力泄放，从而达到降压保护系统的目的。在安全阀的排汽泄压过程中，会对与其相连的管道及其支撑结构产生一定的反作用力，称为排汽反力。正确计算安全阀泄压时产生的排汽反力，对保证安全阀的进出口管道和设备接口、法兰的安全十分重要。

工程中常用的计算安全阀排汽反力的标准主要有ASME B31.1和API RP520。笔者针对这两种标准给出的计算方法进行比较和探讨。

1 ASME B31.1 对安全阀排汽反力的计算过程

在ASME B31.1对开式排放系统的反作用力的计算过程中[1]，主要分析了安全阀开启后的稳态流动而产生的反作用力F，排气弯头处的反作用力F的计算方法如下：

(1)

(2)

(3)

式中A——排汽管流通面积，in2；

a、b——气体常数，可查ASMEB 31.1标准附录II中表II-2.2.1；

gc——重力常数，gc=32.2lbm-ft/lbf-s2；

h0—安全阀进口处气体的焓值，

Btu/lbm；

J——常数，J=778.16lbf-ft/Btu；

p——泄放时排放口处的临界压力(绝压)，Psia；

pa——大气压力(绝压)，Psia；

V——泄放时排放口处的临界速度，ft/s；

W——介质质量流量，lbm/s。

将式(1)～(3)换算成标准单位，并将J和gc代入式中，得到：

(4)

(5)

F=WV+(p-pa)A

(6)

式中A——排汽管流通面积，mm2；

a、b——气体常数，可查ASMEB 31.1标准附录II中表II-2.2.1；

h0——安全阀进口处气体的焓值，J/kg；

p——泄放时排放口处的临界压力(绝压)，MPa；

pa——大气压力(绝压)，MPa；

V——泄放时排放口处的临界速度，m/s；

W——介质质量流量，kg/s。

2 API RP520对安全阀排汽反力的计算过程

在API RP520中[2]，开式系统的安全阀排汽反力F的计算公式如下：

(7)

式中k——出口条件下绝热系数；

M——气体分子量，g/mol；

T——出口温度，K。

3 两种公式的比较

进行排汽泄压过程的安全阀系统，其排气管的出口压力一定大于背压，此时气体的流动为临界流动，对应的排气管道末端的参数为临界参数。对于ASME B31.1和API RP520两种标准，从本质上看其描述的气体流动特征是一致的，只是由于其安全阀排汽管道临界参数的确定方法不同导致两种标准中计算公式的不同。针对图1中给出的安全阀系统，分别对两种标准给出的公式进行推导。

图1 安全阀计算示意图

3.1 参数确定

在计算安全阀排汽管道的临界参数之前，对计算中所用的参数进行确定。滞止压力p0应等于安全阀的排放压力，因为安全阀排汽前蒸汽流动速度几乎为0，此时的压力才是安全阀达到稳定流动时进口的实际压力。滞止温度T0为蒸汽在排放压力下的最高温度。通过水蒸气表，可根据滞止压力和滞止温度查得相应的滞止比容v0和滞止焓值h0。

3.2 API RP520的排汽反力公式推导

该标准中的临界参数由滞止压力p0和滞止比容v0来确定。根据文献[3]中滞止参数(压力p0、比容v0)与临界参数(压力p、速度V、比容v)的关系式有：

(8)

(9)

(10)

(11)

F=WV+A(p-pa)

(12)

将式(10)、(11)代入式(12)，可得API RP520给出的计算公式：

3.3 ASME B31.1的排汽反力公式推导

该标准中的临界参数是由滞止焓来确定。将整个排汽过程视为可压缩流体、有摩擦阻力的一维绝热流动，对蒸汽的初态(h0、u0、p0、v0)、终态(h2、u2、p2、v2)的热力学参数的变化可描述为[3]：

h0-h2=(u0+p0v0)-(u2+p2v2)

(13)

(14)

联立式(13)、(14)得：

(15)

以上的推导过程表明， API RP520和ASME B31.1两种推导临界参数的方法是等价的，都是由气体动力学中滞止参数与临界参数的关系式推导而来。两者区别在于API RP520运用滞止压力和滞止比容来确定，而ASME B31.1运用的是滞止焓来确定，从而导致公式的形式不同。在工程上，对于介质可近似为理想气体的安全阀系统排汽反力计算，运用两个标准给出的公式计算都是正确的。

4 实例计算

对于某过热蒸汽安全阀系统，分别运用API RP520和ASMEB31.1给出的计算公式对其排汽弯头处的排汽反力进行计算，并进行结果对比。系统的相关计算参数如下：

排汽弯头尺寸φ219mm×8mm

质量流量 52.79kg/s

整定压力 6.27MPa

蒸汽温度 537.8℃

根据API RP520计算排汽反力。在工程上，可将过热蒸汽近似视为理想气体进行计算。

根据ASME B31.1计算排汽反力。查过热蒸汽表，可以得到入口气体的滞止焓值h0=3.506×106J/kg；查得过热蒸汽得a=1.914×106J/kg，b=4.33。

F=WV+(p-pa)A=52.79×644.9+(0.8078-0.1)×3.23×104=56906N

分析上述计算结果，可以得出以下结论：

a. 两种方法的计算结果基本相同，ASME B31.1所得排汽反力较API R520要略小，相差约为0.9%，可以为工程应用所接受。

b. 由于ASME B31.1中引入了饱和蒸汽和过热蒸汽的热力学参数，在计算时，得到的结果更为精确。

c. 计算过程中，ASME B31.1需要对蒸汽的一些特性参数进行查取，因此在实际工程应用中API RP520比ASME B31.1的计算更方便快捷。

5 结论

5.1API RP520和ASME B31.1给出的安全阀反力计算公式的不同，主要是其临界参数的计算方法不同导致的。API RP520是采用滞止压力和滞止比容方法确定的；ASME B31.1则采用滞止焓来确定。在理想气体情况下，其描述的气体流动特征是一致的，因此两者实质是一致的。

5.2根据公式的推导过程可知，API RP520针对的是理想气体状态下的排汽反力的计算，在对非理想气体的计算会有一定的偏差。而ASME B31.1中由于引入了饱和蒸汽和过热蒸汽的热力学参数，在计算时得到的结果更为精确。

5.3在工程应用中，将过热蒸汽视为理想气体，可采用API RP520给出的公式进行计算，比ASME B31.1的方法更加方便快捷。

[1] ASME B31.1，Power Piping[S].New York：The American Society of Mechanical Engineers，2012.

[2] API RP520，Sizing，Selection，and Installation of Pressure—Relieving Device in Refineries Part Ⅱ—Installation[S].Washington：American Petroleum Institute，2003.

[3] 王新月.气体动力学基础[M].西安：西北工业大学出版社，2006：112～115.

ComparingCalculationFormulabetweenAPIRP520andASMEB31.1
forSafetyValve’sDischargeCounterforce

FANG Li, WEI Li

(SinopecShanghaiEngineeringCompanyLimited,Shanghai200120,China)

The calculation formula for discharge counterforce of the safety valve stipulated in API RP520 and ASME B31.1 were introduced. Comparing formula deviation and example calculation shows that as for the calculation of perfect gas, the formula stipulated in these two standards are equal; and in the engineering application, the superheated steam can be regarded as the perfect gas in calculation and the formula from API RP520 becomes convenient.

relieve valve, discharge counterforce, API RP520, ASME B31.1

TQ055.8+1

A

0254-6094(2016)01-0017-04

*方 立，男，1972年8月生，高级工程师。上海市，200120。

2015-03-07，

2016-01-06)