安全阀工艺计算及选型

杨 扬

中国中轻国际工程有限公司，北京，100026

1 概述

安全阀作为化工行业中极为重要的保护性阀门，被广泛应用在各种压力容器和管道系统上，其主要用途为防止超压引起的安全事故的发生，以保证化工装置生产的安全运行。在工业发展的初中期，设计者对安全阀的功能及用途缺乏较深的理解，在设计过程一般凭经验进行选型，往往对其的可靠性、适用性缺乏参数依据，存在一定的安全隐患，为此，本文对安全阀的计算和选型进行简要分析。安全阀计算和选型应建立在设计者充分了解安全阀工作原理以及可靠的工艺技术参数的基础上，按照相关标准和规范进行计算，否则会导致选型不合理。若安全阀选型出现问题，会达不到安全泄放的效果，甚至造成安全事故。如果公称尺寸选择偏大，不仅投资增大，还会造成安全阀“频跳”，“频跳”现象容易造成安全阀密封面的机械损伤，从而引发泄露事故[1]。如果公称尺寸选择偏小，安全阀的实际泄放能力小于事故工况下安全阀的最大泄放量，导致压力得不到及时泄放，设备或管道的压力持续上升而造成损坏，同样对相应工艺系统起不到保护作用。因此，对安全阀进行正确的计算及合理的选型，对化工装置的正常安全运行的重要性不言而喻[2]。

2 安全阀的计算

安全阀的计算选型步骤见图1。首先要分析可能发生的事故工况，核算出可能产生的最大泄放量，根据最大泄放量计算出最小泄放面积；然后依据泄放面积来确定安全阀喉径或阀座口径的大小，对照阀门样本，向上圆整选型；最后按照初步选择的安全阀的额定流量重新计算管道压力降，校核所选管径是否合适，确定安全阀选型是否合理。

图1 安全阀计算与选型过程

2.1 非火灾工况下安全阀泄放量的计算[3]

（1）出口阀门关闭，入口阀门未关闭时，泄放量为被关闭的管道最大正常流量。

（2）管道两端的切断阀关闭时，泄放量为被关闭液体的膨胀量。此类安全阀的入口一般不大于DN25。但对于大口径、长距离管道和物料为液化气的管道，液体膨胀量按式2-1计算。

（3）换热器冷侧以及充满液体的容器进出口阀门关闭时，泄放量为被关闭液体的膨胀量，按式2-1计算。

（4）对以循环冷却水为冷却介质的塔顶冷凝器和冷凝液通过电机动力的回流泵工况时，当循环水中断、电力故障或两者同时发生时，塔顶安全阀所需的最大泄放量为正常工况下进入冷凝器的最大介质蒸汽量。

（5）对压缩机贮气罐等容器安全阀所需最大泄放量，取该压缩机可能的最大产气量。

（6）换热器热媒侧的控制阀失灵全开、切断阀误开，设备的加热夹套、加热盘管的切断阀误开等工况下，以过度热量的输入而引起的气体蒸发量或液体膨胀量来计。

（7）对于换热管破裂工况，如果换热器低压侧的设计压力小于高压侧的设计压力的2/3时，则应考虑为事故工况。安全阀的泄放量为按式2-2（本公式适用于高压流体为液相）计算出的结果和高压侧正常流量比较，取二者的较小值。

2.2 火灾工况下安全阀泄放量的确定[3]

（1）对于未进行保温的压力设备所需最大排放量按式2-3进行计算。

（2）对于有保温层的压力设备所需最大排放量按式2-4进行计算。

2.3 安全阀最小泄放面积的计算[3]

（1）对于气体、蒸汽在临界条件下的最小泄放面积按式2-5进行计算，临界条件按式2-6判断，若满足式2-6，则为临界流动，否则为亚临界流动。

（2）当使用弹簧式安全阀计算气体、蒸汽在亚临界条件下的最小泄放面积时，可先按式2-5进行计算，再将计算结果除以背压修正系数，即为亚临界条件下的的最小泄放面积。

（3）对于液体安全阀最小泄放面积可按式2-7计算。

2.4 安全阀喉径（d1）及阀座口径（D）的计算[3]

（1）对于全启式安全阀，安全阀喉径（d1）按公式2-8计算。

（2）对于平面密封型微启式安全阀，阀座口径（D）按公式2-9计算。

（3）对于锥面密封型微启式安全阀，阀座口径（D）按公式2-10计算。

通过上述步骤最终计算出安全阀喷嘴喉径或阀座口径，再根据阀门样本，向上圆整选型，选取合适的安全阀型号和大小，最后按照选择的安全阀的额定流量重新计算管道压力降，校核所选管径是否合适，确定安全阀选型是否合理。

3 安全阀计算选型实例

例子：在国内某项目余热回收单元中，过热水进入汽水分离器（21V1）中闪蒸产生0.8 MPa（G）水蒸汽，已知设备设计压力为1.0 MPa（G），为防止设备超压，在汽水分离器顶部设置安全阀，流程图见图2。

图2 某项目热回收单元局部流程图

为降低发生超压事故的风险，考虑在汽水分离顶部设双安全阀，两个安全阀的进口和出口切断采用机械连锁装置，确保在维检期间设备能正常作。根据HG/T 20570.2-95，安全阀的设定压力器阀工要求不大于汽水分离器的设计压力，非火灾工况用主安全阀的最大泄放压力为1.1倍的汽水分离器的设计压力，因此，取安全阀的设定压力为1.0 MPa（G），泄放压力为1.1 MPa（G）。由于排放介质为水蒸汽，无毒无害，允许泄露至大气，因此静背压为0（G），且出口管道很短，动背压也可取0，即总背压为0（G），不必考虑背压影响。综上，安全阀初步选用弹簧带扳手全启式安全阀。

（1）泄放量计算

通过分析，该设备可能发生的事故工况为出口切断阀关闭导致的常规超压，泄放量为被关闭的管道最大正常流量，即管线21101的最大正常流量。计算公式如下：

计算得，安全泄放量为：

（2）最小泄放面积计算

首先，可通过下面公式判断本工况是否在临界流动下，若满足公式，则为临界流动，若不满足，则为亚临界流动。判断公式如下：

通过计算，可判断该工况属于临界流动条件。

根据蒸汽在临界条件下的最小泄放面积公式，

（3）最小喉径计算

对于全启式安全阀，喉径计算公式如下：

（4）安全阀选型

根据计算结果，从阀门样本中进行选型，选型结果见表1。

表1 安全阀选型

经建设单位反馈实际使用情况，该安全阀可满足安全生产需求，亦验证了该安全阀计算、选型的合理性。

4 结论

综上可知，设计人员进行安全阀计算时，要求工艺操作工况的相关参数合理无误，并且熟练掌握安全阀计算与选型方法，再经过安全阀厂商反馈的安全阀计算书的校验，最终才能确保安全阀选型合理，确保化工生产装置的安全稳定进行。上述部分为本人在工程设计工作中的一些经验总结，不尽完全，仅供设计参考。