管道安全阀计算选型技术探讨

（中国医药集团联合工程有限公司上海分公司，上海 200235）

安全阀广泛使用于化工，生物医药，粉尘处理工业，冶矿，纺织等领域，具有泄放压力、保护设备、保障人民生命和国家财产的作用。本文采用了两种不同的方法，阐述了氧气管道系统管道安全阀泄放面积的求取过程，并对两种计算方法进行对比。

1 GB/T 150—2011《压力容器》中关于泄放面积计算的说明

为了能更清楚地说明计算过程，现将计算公式做如下说明。对于管道上设置的安全阀，单个泄放装置泄放面积的计算分为以下三种情况[1]

1.1 对于气体

1.2 对于饱和蒸汽

饱和蒸汽中蒸汽含量应不小于98%，过热度不大于11℃，

当Pf≤10 MPa 时，

当10 MPa＜Pf≤22 MPa 时，

1.3 对于液体

式中A——安全阀的最小泄放面积，mm2；

k——气体绝热指数；

C——气体特性系数，可从表1查得，或取

K——安全阀的泄放系数，与安全阀结构有关，通常由安全阀制造厂提供；无参考数据时，全启式安全阀可按K=0.6～0.7；

M——气体的摩尔质量，kg/kmol；氧气的摩尔质量为32 kg/kmol；

Po——泄放装置出口侧压力（绝压），MPa；

Pf——泄放装置的泄放压力（绝压），按表2计算，包括设计压力和超压限度两部分，MPa；

ΔP——泄放装置泄放时内、外侧的压力差，MPa；

R——通用气体常数，J/（kmol·K），R=8314；

Re——雷诺数，

Tf——泄放装置泄放温度，K；

W——泄放装置泄放量，kg/h；

Ws——容器的安全泄放量，kg/h；

Z——气体的压缩系数，见图1，对于空气Z=1.0；

ζ——液体动力黏度校正系数，当液体的黏度不大于20℃水的黏度时，取ζ=1.0；

μ——液体动力黏度，Pa·s；

ρ——泄放条件（设定温度与设定压力）下的介质密度，kg/m3。

表1 气体特性系数C[1]Tab.1 Gas characteristic coefficient C

表2 安全阀的压力规定[2]Tab.2 Pressure regulation of safety valve

2 《动力管道设计手册》中关于泄放面积计算的说明

2.1 当介质为气体并且≤0.55

油气（相当于正庚烷气）按公式计算

空气按公式计算

饱和蒸汽按公式计算

过热蒸汽按公式计算

氢、氧气系统按公式计算

式中A——安全阀喉部面积，cm2；

qm——安全阀额定排量，kg/h；

P1——安全阀排放压力，MPa，按表2计算；

P2——安全阀出口压力，MPa，如放空，P2=0.1 MPa；

M——气体的摩尔质量，kg/kmol；

T——进口处介质热力学温度，K；

Z——进口处压缩系数，可取0.8～1.0；

Kt——工作温度校正系数，可取0.8～1.0，温度低时取高值，温度高时取低值；

φ——过热蒸汽校正系数，可取0.8～0.88[2]。

2.2 当介质为气体且＞0.55

2.3 当介质为水，且安全阀出口背压为放空

按公式计算安全阀喉部面积

计算求得喉部面积后，可按表3选取安全阀的公称通径。

表3 安全阀公称通径与喉部直径关系[2]Tab.3 Relationship between nominal diameter and throat diameter of safety valve

3 氧气管道系统安全阀泄放面积计算举例说明

下面通过计算，对比两种计算方法。

工况说明：在氧气压缩机排气管道上设封闭式全启安全阀，回收超压排放氧气至进气压力为0.1 MPa 的进气管，安全阀处氧气压力1.5 MPa、气体温度为35℃，排放氧气量为60。（注：在0℃，0.101 325 MPa 下，氧气的密度为1.428 9 kg/m3。）

计算安全阀的口径，就要考虑危险工况时，超压保护的各种危险工况。如果存在多个危险工况，那么就必须要对这些工况进行分析计算，根据超压所产生的压力和介质泄放量来计算，最后选择流通面积最大值。

3.1 按照GB/T 150—2011《压力容器》计算泄放面积

排放气体或蒸汽时，选用全启式安全阀[3]。首先，判断是临界条件，还是亚临界条件；氧气是双原子分子，所以计算得气体绝热指数或者查表4，同样可以得到k=1.4；故计算得到

因为安全阀处氧气压力1.5 MPa，大于1.0 MPa；所以从表2中，选用公式Pf≥1.15P计算泄放压力Pf；进而求得

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表4 部分气体的性质[1]Tab.4 Properties of some gases

或者查表1同样可得C=356；

故容器的安全泄放量

其中，K为安全阀的泄放系数，与安全阀结构有关，通常由安全阀制造厂提供；无参考数据时，全启式安全阀可按K=0.6～0.7；对于带调节圈的微启式安全阀可按K=0.4～0.5；对于不带调节圈的微启式安全阀可按K=0.25～0.35[3]。

压缩因子Z的求解过程：

式中Td——泄放介质的温度，K；

Tc——介质的临界温度，K；

Pc——介质的临界压力，MPa。

根据求得的对比温度Tr、对比压力Pr，查图1得压缩因子Z=1.08

图1 气体压缩系数[1]Fig.1 Gas compressibility factor

又因为A==0.785 d2=476mm2，故得安全阀喉径d=24.62 mm。

查表3，对于全启式安全阀，喉部直径取25 mm，安全阀公称直径取40 mm。

3.2 按照《动力管道设计手册》计算泄放面积

根据《动力管道设计手册》中，对于氧气管道安全阀泄放面积计算的说明，介质为气体并且时，氧气系统中，

又因为A==0.785d2=402mm2，故求得安全阀喉径d=22.63 mm。

查表3，对于全启式安全阀，喉部直径取25 mm，安全阀公称直径取40 mm。

4 初步定径和最终定径

安全阀计算选型过程，分为初步定径和最终定径。

4.1 初步定径

对比两种安全阀喉径的计算结果，方法一采用HG/T 20570.2-95《安全阀的设置和选用》、GB/T 150—2011《压力容器》中的方法计算安全阀喉径面积为476 mm2，安全阀喉径d=24.62 mm；方法二采用《动力管道设计手册》中的方法计算安全阀喉径面积为402 mm2，安全阀喉径d=22.63 mm。采用两种方法均能得到，全启式安全阀喉部直径取25 mm，安全阀公称直径取40 mm 的结果。

方法一计算过程繁琐，需要通过计算对比温度Tr、对比压力Pr，查图求得压缩因子Z；并且需要安全阀制造厂提供安全阀泄放系数K，无参考数据时，全启式安全阀可按K=0.6～0.7；在没有安全阀制造厂提供准确泄放系数K的情况下，计算得出的安全阀喉部面积及喉径将会存在微小的偏差。方法二计算过程简便，能快速计算出氧气系统安全阀喉部面积及喉径。

同样地，对于油气（相当于正庚烷气）、空气、饱和蒸汽、过热蒸汽、氢气、水（安全阀出口背压为放空时），在《动力管道设计手册》中均有对应的公式，可以方便简捷的计算出安全阀的喉径面积。

4.2 最终定径

当采用GB/T 150—2011《压力容器》中的计算公式A=计算安全阀喉径时，需要用到泄放系数K，而不同品牌供应商安全阀的泄放系数K 不同；因此，在安全阀招标前，只能初步估算安全阀喉径。最终的喉径及喉部面积，需要根据供应商提供的安全阀真实泄放系数K 计算。安全阀厂商按照喉径的不同，将安全阀划分为不同等级的产品。根据计算得到的最小喉径，并参考安全阀厂商的产品列表，选择一个略微大于最小喉径的安全阀作为最终定径。安全阀的进口管道直径要大于等于安全阀的进口直径，并且安全阀的出口管道直径也要大于等于安全阀的出口直径，安全阀的出口管道接向安全地点[5]。

5 安全阀结构型式选择所考虑的工况因素

5.1 背压

安全阀的背压分为静背压和动背压。静背压是指安全阀未起跳时阀出口处的压力；动背压是指安全阀起跳后，由于流体的流动引起的摩擦压力降值[3]。对于背压较小的工况，可以选用弹簧式安全阀；对于0.1＜≤0.3的工况，可以选择背压平衡式安全阀，设定压力由弹簧控制，用活塞或波纹管减少背压对其动作性能的影响；对于 0.3＜≤0.8的工况，可以选用导阀式安全阀，其设定压力由导阀控制，其动作性能基本上不受背压的影响。本文工况中，氧气管道系统背压为0.1 MPa，≤0.1，所以可以选用弹簧式安全阀。

5.2 工作压力与整定压力（开启压力）的压差

安全阀的正常工作压力与整定压力之间要有足够的压差，否则，当工艺系统开停车等压力波动的情况下，系统压力会超过正常工作压力值，如果正常工作压力与安全阀整定压力之间的压差裕度不够，将会造成安全阀泄漏开启。对于不同类型的安全阀，由于内部结构存在差异，所以密封性不同；先导式安全阀的密封性优于弹簧式安全阀。在表2中，规定出了工作压力和开启压力之间压差，对于工作压力小于等于1.0 MPa 的工况，工作压力与开启压力之间的压差为0.05 MPa；对于工作压力大于1.0 MPa 的工况，工作压力与开启压力之间的压差为0.05 倍的工作压力。本文工况中，氧气管道系统压力为1.5 MPa，所以安全阀的开启压力定为1.575 MPa。

6 结束语

对于不同的介质状态，定径计算所需要的参数不同。除了必需的工艺参数，包括整定压力、允许超过压力、总背压、所需排放量外，对于液态物质，还需要确定密度、黏度等参数；对于过热蒸汽，还需要确定排放温度等参数。以上介绍的安全阀计算所采用的公式，基本原理均相同，需要根据具体工况，选取计算公式及方法求取安全阀喉径及喉部面积。