安全阀管路设计

谢安国

中国成达工程有限公司 成都 610041

安全阀管路设计

谢安国*

中国成达工程有限公司 成都 610041

论述安全阀在管路设计中的分类、选取、配管设计要求、配管方法、进出管道管架设计、排放反力计算等各种要素，从而使安全阀及配管设计更优化、安全、合理。

安全阀 配管 管路阻力 反推力

石油化工装置安全生产的不确定因素较多，系统超压，就是比较常见的一种。在石化装置中，通过设置合理的安全阀系统，控制工艺装置内的工作压力，避免设备或管道超压，形成破坏，从而保护整个装置总体安全。本文着重阐述通过多要素结合，选择相对合理的方式，对安全阀的管路进行优化设计，以满足工艺、环境、强度、安全等各维度要求。

1 安全阀分类

安全阀是一种自动阀门，是安全泄压装置之一，在化工装置中常见。它不借助任何外力，而是利用介质本身的力来排出一定数量的流体，以防止系统内压力超过预定的安全值。当压力恢复正常后，阀门再自行关闭阻止介质继续流出。安全阀分类可以有以下五种：

1.1 按作用原理

(1)直接载荷式 ：一种直接用机械载荷如重锤、杠杆加重锤或弹簧来克服由阀瓣下介质压力所产生作用力的安全阀。超压反应要求迅速的工况优先选用。

(2)非直接荷载式 ： ① 带动力辅助装置安全阀，该阀借助一个动力辅助装置，可以在低于正常的开启压力下开启; ② 带补充载荷式安全阀，在其进口处压力达到开启压力前始终保持有一增强密封的附加力，该附加力可由外来的能源提供，而在安全阀达到开启压力时应可靠地释放。适用密封要求高的工况;③ 先导式安全阀，依靠从导阀排出介质来驱动或控制。该导阀本身应符合直接载荷式安全阀标准要求。安全泄放量很大，或者口径和压力都很大，密封要求较高的工况优先选用。

1.2 按安全阀阀瓣的开启高度

(1)微启式：阀瓣的开启高度为流道通径的1/40～1/20。由于开启高度小,对这种阀的结构和几何形状要求不象全启式那样严格,设计、制造、维修、试验都比较方便,但效率较低。

(2)全启式：阀瓣的开启高度大于等于1/4流道通径。

1.3 按加载方式

(1) 弹簧式：利用压缩弹簧的力来平衡阀瓣的压力并使之密封。弹簧式安全阀靠调节弹簧的压缩量来调整压力。它的优点在于比重锤式安全阀体积小、轻便，灵敏度高，安装位置不受严格限制；缺点是作用在阀杆上的力随弹簧变形而发生变化。移动式或受振动的受压设备，应优先考虑选用。

(2) 杠杆式：用杠杆和重锤来平衡阀瓣的压力。重锤式安全阀靠移动重锤的位置或改变重锤的重量来调整压力。它的优点在于结构简单，缺点是比较笨重回座力低。这种结构的安全阀只能用于固定的设备上。

(3)脉冲式安全阀：脉冲式安全阀由主阀和辅阀组成，主阀和辅阀连在一起，通过辅阀的脉冲作用带动主阀动作。

1.4 按管道出口背压平衡

(1) 背压平衡安全阀：安全阀中设置波纹管、活塞、膜片之类平衡背压作用的原件。附加背压不是固定值，且其变化量较大的工况优先选用。

(2) 常规安全阀：不带有平衡背压作用的原件，适用于背压为大气压、背压为固定值或者背压相对于开启变化量不大的场合。

1.5 按安全阀体的动作特性

(1) 比例作用式安全阀：这类安全阀的开启高度随压力的升高而逐渐变化，又称泄放阀。液体介质优先选用。

(2) 两段作用式安全阀：这类安全阀的开启过程分为两个阶段，第一阶段，阀瓣随压力的升高而比例开启；第二阶段，在第一阶段的基础上，压力几乎不变的情况下急速开启到规定的高度，又称突开动作式安全阀。气体介质、安全泄放量较大的工况优先选用。

2 安全阀的选型

(1)排放气体或蒸汽时，选用全启式安全阀。

(2)排放液体时，选用全启式或微启式安全阀。

(3)排放水蒸汽或空气时，可选用带扳手的安全阀。

(4)对于设定压力大于3MPa，温度超过235℃的气体用安全阀，则选用带散热片的安全阀，以防止泄放介质直接冲蚀弹簧。

(5)排放介质允许泄漏到大气的，选用开式阀帽安全阀；不允许泄漏的，选用闭式阀帽安全阀。

(6)排放剧毒、有腐蚀性、极度危害的介质，选用波纹管式安全阀。

(7)高背压的场合，选用背压平衡式或导阀控制式安全阀。

(8)在某些重要的场合，有时要安装互为备用的两个安全阀。

3 安全阀的安装

(1) 在设备或管道上的安全阀应垂直向上安装(如果打算将安全阀安装于非垂直向上的位置，则应得到制造厂的同意，并注意使指示介质流向的箭头指向正确的方向。)。

(2) 安全阀不应安装在长的水平管道的死端，因死端容易积聚固体物和液体，造成安全阀的入口堵塞，宜安装在流体流态较稳定的管段部位，同时该管道的最小截面积不小于安全阀进口截面积。

(3) 安全阀一般应安装在易于检修和调节之处，周围要有足够的工作空间，便于维护。

(4)安全阀尽可能靠近被保护设备或管道安装。由于工艺的特殊要求，不能靠近布置时，则从被保护的设备或管道到安全阀入口的管道总压降不应超过安全阀定压值的3%(或者提供管路图，重新核定安全阀的整定压力)。

(5)安全阀的进口支管应短而直，同时不应设置在某一支管(或管口)的正对面，以免影响安全阀的正常开启(压力波动或异物堵塞)。

4 安全阀配管的一般要求

(1) 安全阀入口和出口管道的配管应具有必要的柔性，同时也需要尽量的畅通(以维持介质排放时，所消耗的压降在系统接受的范围内)。

(2) 当安全阀进出口管道上设有切断阀，并选用了闸阀时，应铅封(保持常开的状态)，阀杆应水平安装，不可朝上，以免阀杆和阀板连接的销钉腐蚀或松动时，滑板下滑。

(3) 安全阀入口和出口管道的配管不宜出现袋形管，尤其气体安全阀的入口管不应有下凹的袋形管。

(4)对安装安全阀的管道应给予足够的支撑，以保证振动不会传递到安全阀，也避免安全阀受外力影响，产生过大的应力，而导致阀门变形和泄漏。

5 安全阀入口管道的设计

(1) 安全阀一般应尽量靠近被保护的设备或管道安装，入口配管尽量短，安全阀要垂直安装，自被保护的设备接口管或管道到安全阀入口法兰间按通过安全阀的最大流量计算的压力损失(入口压力损失、管道阻力和切断阀阻力之和)不应超过安全阀设定压力(表压)的3%，并由工艺系统专业复算该管道的管径；若超过3%，可增大入口管径或把管道和设备连接处做成大半径的煨弯来减少压力降。

(2) 管道上安装的安全阀应放在流体压力比较稳定、且距波动源有一定距离的地方。

(3) 如果使用排放气体或蒸汽用的全启式安全阀，应垂直安装在气相空间；如果使用排放液体用的微启式安全阀，则垂直安装在液相区。

(4) 一般采用1.5DN的标准弯头进行配管。

(5)安全阀入口管道至少要有5%的坡度，坡向被保护的系统(以避免入口排除不畅)。

(6)安全阀应进行排出口反推力计算。进口出口管应设可靠的管架固定，避免损坏被保护设备和管道，损毁其它构筑物。

6 安全阀出口管道设计

安全阀出口管道的设计应考虑背压对阀特性的影响，不得超过安全阀定压的一定值，对于弹簧式安全阀，普通型背压不超过安全阀定压的10%，波纹管型其背压一般不宜超过安全阀定压的50%。

6.1 排入大气的安全阀出口管道

(1) 直接排入大气：如果是气相介质，一般出口朝上，并在低点处设置泪孔；如果是液相介质(包括气液两相)，则要把出口管向下引入安全地点；安全阀的出口介质允许向大气排放时，放空管口不得朝向邻近设备、平台、梯子、电缆、有人通过的地区等；放空管口的高度应高出以安全阀为中心，半径为7.5m的范围内的最高操作平台2.5m；而对有腐蚀性、易燃或有毒的介质，排放口要高出15m半径范围内的操作平台、设备操作面3.5m以上。

(2)排放烃类气体：安全阀出口管道应设置灭火用的蒸汽管或氮气管，并在地面或楼面上控制，重组分气体的安全阀出口管道接火炬管道。

(3)排放管排入大气：排放管端部切成平口，使排出物直接向上高速排出，远离平台等有人之处，减少对周围环境的影响。这种方法应用代替了管口切成45度斜口的方式，在弯头的最低处开一个Ф6～Ф10mm泪孔，以免雨、雪或冷凝液积聚在排出管处，必要时接上小管道将凝液排放到安全的地方。

(4) 在设计中排入大气的安全阀出口典型配管如下：

液相介质安全阀出口管配管方式见图1。

图1 液相介质安全阀配管

此类配管特点是管道出口向下。根据介质特性，应引入专门收集的收集池(如腐蚀)，或引入地沟等安全处(如热水)，或可作就地排放(如常温水)。

带排液管的安全阀出口管(气相介质)配管方式见图2。

图2 带排液管的安全阀配管

此类配管出口直接向上，顶端平齐，出口阻力较小，尤其适用于排出介质中带有液相(或冷凝液)的介质。出口管高度、排液管去向应满足GB 50160的要求。

直接水平式安全阀出口管配管见图3。

图3 直接水平式安全阀配管

此类配管简单，管路阻力小。但泄压的反推力直接作用在安全阀上，对进口管的支管根部产生较大的弯矩容易产生焊缝破坏和法兰面泄漏。只适用于泄放压力低、常温、泄放量不大、对放空高度无要求的管道。应注意的泄放方向避开操作空间。

带泪孔垂直直排式安全阀出口管配管见图4。

图4 带泪孔垂直直排式安全阀配管

配管出口直接向上，顶端平齐，管路阻力较小。多数用于气相管道排放，泪孔的目的是排放从出口管进来的雨水等。

三通式安全阀出口管配管见图5。

图5 三通式安全阀配管

此类配管出口反力互相抵消，可减小对结构的附加荷载，又可防止雨雪、沙尘进入管道。需考虑变向增加管道阻力和两个出口对操作面安全的影响。

变向水平式安全阀出口管配管见图6。

图6 变向水平式安全阀配管

此类配管与垂直直排式相比，虽管系阻力增大，但整体柔性相应改善，能有效吸收作用在管道上的反推力，能防水、防尘。广泛应用于泄放压力低，泄放量较小的管道。

套筒式安全阀出口管配管见图7。

图7 套筒式安全阀配管

套筒式配管适用于高温、高压，尤其是蒸汽安全阀出口。由于安全阀周围环境的限制，需要把释放气体引出到室外、户外、屋顶等安全地方。避免因气体闪蒸造成不安全因素，而采用此类配管，需注意：① 套筒需单独支撑，不能作用在出口管上；② 套筒与出口管，以及受液盘之间有足够的空间，释放热涨；③ 套筒的尺寸要大于出口管；④ 套筒的材料可以灵活选择，以节约成本。

6.2 排入封闭系统的安全阀管道设计

(1)安全阀出口管排入封闭系统总管时，应坡向泄压总管及分离罐。出口管与主管应顺主管流向方向，从主管上方或侧面45°插入，以免总管内的凝液倒流入支管中，并可减少安全阀的背压。

(2)对可能有液化烃类排入的泄压管道，因介质汽化而导致低温的管道，应考虑采用低温钢，并保温和伴热。

(3)对于有可能用蒸汽吹扫的泄压管道，应考虑到蒸汽吹扫产生的热膨胀。

(4)湿气体泄压系统排放管内不应有袋形积液处，安全阀的安装高度应高于泄压系统，若受实际情况限制，安全阀出口只能低于泄压总管或排除管需要抬高接入总管时，应在低处易于接近处设置手动放液阀，以免袋形管段积液。在寒冷地区，“袋形”管段需要蒸汽伴热防冻，蒸汽伴热管也可使“袋形”管内的凝液汽化，避免积液。即使采用伴热管，必须加手动放液阀，如果手动放液阀不易接近，可设双阀。排液管的下方容易接近处再设置一个操作阀，此阀保持常开状态。密封回收排放方式见图8。

图8 密封回收排放安全阀配管

7 安全阀管道的支架设置

为了保证安全阀在开启和闭合的状态下都能正常的运行，安全阀的进出管的管架设置需谨慎。

(1)出口管的管架主要需考虑泄放状态下的反推力和在温度变化下的管道柔性。

(2)出口管的管架同时为了保证安全阀本身不受太大的外部载荷(以免安全阀法兰面泄漏)，在安全阀的进出口管系中，除了在管系的设计时考虑自然补偿外，还需考虑在靠近安全阀的位置设置限位架或导向架。

8 结语

在设计过程中，充分掌握安全阀的工作原理，了解正常工况下的工艺条件、要求，考虑安全阀周边的空间条件，分析当地的气象条件对安全阀的潜在影响，再设置一定的二次保护措施。根据实际情况，选择安全阀及配管，从而获得安全阀管路的优化设计。为了运行的安全性，用户应定期对安全阀和管路进行校验和检查，以防止锈蚀、灰尘等长期积聚，形成通道变窄，甚至堵塞。

1 GB 50316-2000(2008)，工业金属管道设计规范[S].

2 GB 50160-2008,石油化工企业设计防火规范[S].

3 化工工业部化工工艺配管设计技术中心站.化工管路手册[M]. 北京:化学工业出版社,1988.

4 GB/T 12241-2005,安全阀 一般要求[S].

5 HG/T 20570.2-1995,安全阀的设置和选用[S].

6 TSG ZF001-2006,安全阀安全技术监察规程[S].

*谢安国：高级工程师。1998年毕业于南京工业大学化工机械专业。从事石油化工装置的管道布置设计、专业管理及项目管理工作。 联系电话：(028)65531857，E-mail:xieanguo@chengda.com。

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