某氨贮液器安全阀计算和选型分析

张义万* 陆 斌

（泰安市质量技术检验检测研究院）

0 引言

液氨具有较高的临界温度，在常温下极易液化，所以常被用作制冷剂，广泛应用于冷冻行业。在氨制冷系统中，贮液器是重要的承压设备，其目的是暂存液氨并稳定其在制冷系统中的流量。根据GB/T 7778—2017《制冷剂编号方法和安全性分类》标准中有关制冷剂安全性的分类规定，液氨为B2L 类，即具有高慢性毒性与弱可燃性。当氨气泄漏在环境中时，遇到极端火灾工况，会引发爆炸。在氨贮液器中设置安全阀能有有效防止设备超压泄漏，保证制冷系统安全运行。

1 安全阀的分类

安全阀的作用是当设备超压时，安全阀中的阀瓣在介质压力作用下上移，超压的流体从间隙中逸出，容器内压力逐渐降低，一定时间后，在加载机构的作用下，阀瓣重新回落，设备恢复正常运行，根据设备不同的使用环境，需选用相应的安全阀类型，安全阀分类如下。

（1）按加载方式分类可分为重锤杠杆式安全阀和弹簧式安全阀[1]。重锤通过杠杆或直接作用于阀瓣上，其加载载荷有限，并不适用于振动工况，目前已被逐渐淘汰。

弹簧式安全阀是以弹簧力作为加载载荷，作用在阀瓣上，由于弹簧结构简单，对振动不敏感，所以目前在压力容器中应用最为广泛。

（2）按阀瓣开启高度分类可分为微启式和全启式。安全阀开启高度为大于1/40 喉径小于1/20 喉径。全启式安全阀开启高度为大于1/4 喉径。

此外，按照气体排放方式不同，安全阀还可分为全封闭式与开放式；按作用原理不同，则可分为直接作用式与非直接作用式。

2 安全阀结构及原理简介

安全阀是压力容器中重要的超压泄放附件，现以应用最广泛的弹簧直接作用微启式安全阀为例，简要介绍安全阀结构及原理，其结构如图1 所示。

图1 微启式弹簧安全阀

当设备正常运行时，安全阀阀瓣7 与阀座9 处于接触状态，介质无法逸出，当介质由于某种原因导致设备承受压力过高时，介质作用在阀瓣上的载荷大于弹簧作用在阀瓣上的载荷，此时阀瓣与阀座脱离，介质逸出，并可听到外逸声。介质作用在阀瓣上的力继续增大达到安全阀起跳压力，安全阀阀瓣达到最大起跳间隙，在一定压力范围内，阀瓣保持稳定，介质不断逸出，设备内压力持续降低。一定时间后，弹簧载荷超过容器内介质压力，阀瓣缓慢下移至初始位置，安全阀泄压结束[2]。

3 安全阀选型

安全阀的选择需考虑以下6 个方面。

（1）压力容器中存储的介质性质

当介质有毒性或可燃易爆时应选择封闭式安全阀，当介质为空气、热水等无毒性，不污染环境的非易燃易爆介质时可以采用对空排放的开放式安全阀。

（2）容器中介质相态

当介质为液态时，优先选用微启式安全阀，若介质为气相，例如氮气，则全启式安全阀是首先应考虑选用的类型。

（3）根据泄放介质温度和有无背压选择

当介质泄放时温度能达到或高于300 ℃时，应选择带散热器的安全阀，当安全阀泄放出口处存在背压时，应优先考虑选择带有波纹管结构的安全阀[3]。

（4）根据介质化学性质选择

当介质具有较强腐蚀性时，安全阀内部阀瓣与阀座应选用耐腐蚀材质。

（5）根据容器设计压力及设计温度选择

根据容器设计压力和设计温度，应选择相应安全阀公称压力代号。

（6）安全阀与相邻管件连接方式

安全阀与相邻管件通常采用法兰连接[4]。

本文结合实际工况，并参考标准JB/T 308—2004《阀门 型号编制方法》，首先确定选用弹簧直接作用式安全阀，代号A；又由于本文研究对象氨贮液器的介质为液氨，具有毒性和爆炸性，因此可选用法兰连接，代号4；结构形式选择全启封闭式，代号2；根据其设计参数，设计温度为50℃，设计压力为2.15 MPa，阀座密封面选用硬质合金，阀体选用碳素钢，材质代号分别为Y 与C；考虑到压力需有一定余量，公称压力代号选取25，综上所述，选用安全阀型号为A42Y-25C。

4 氨贮液器安全泄放量

按照TSG 21—2016《固定式压力容器安全技术监察规程》要求，常温储存液化气体的工作压力（无保冷措施时）为50 ℃饱和蒸气压，因此液氨工作压力为2.03 MPa（绝对压力），设计压力取1.06 倍工作压力，为2.15 MPa，详细氨贮液器技术参数如表1所示。

表1 氨贮液器技术参数

根据GB 150—2011《压力容器》中有关压力容器安全泄放量的规定，不同工况下同一设备安全泄放量不同，在非火灾情况下安全泄放量比火灾工况下安全泄放量低30%左右。如前所述，在火灾环境中液氨有可燃且易爆的性质，所以对此氨贮液器安全泄放量取最大值，即火灾工况下的安全泄放量。

氨贮液器无保温，其安全泄放量Ws可按下式计算：

Ar——容器的受热面积，对于半球形封头Ar=3.14D0L，椭圆形封头的卧式容器Ar=3.14D0（L+0.3D0），立式容器Ar=3.14D0h1（D0为容器外直径，L为容器总长，h1为容器最高液位），该设备为椭圆形封头，故Ar=3.14D0（L+0.3D0）；

q——在起跳压力下的液氨的汽化潜热 ，查压力容器介质手册得到氨气化潜热q=251.37 K/kg。

经过计算可得，Ws=2 150.75 kg/h。

5 安全阀最小安全泄放面积

在计算最小泄放面积前，需要进行临界条件的判定[5]，即：

根据计算分析，得出氨贮液器安全阀全部选型参数，最终提供给生产厂家，再采购符合要求的安全阀型号。

6 安全阀安装注意事项

（1）安全阀应竖直安装，并且安装在氨贮液器上部，能够防止液氨气化超压给设备造成破坏。

（2）与氨贮液器之间管道应短且直，并且管道内径应大于安全阀进口处内径。

（3）因为液氨具有毒性，且可燃易爆，安全阀出口应接介质回收装置，不能对空排放。

（4）为了方便安全阀检验与更换，在制定可靠预案前提下，安全阀与贮液器之间应安装截止阀。

7 结论

安全阀是承压设备中重要的安全附件，对于保护设备正常工作，具有重要意义，尤其是在介质是易燃易爆或有毒的情况下，做好安全阀选型工作尤为重要。本文以氨贮液器上的安全阀选为例，参照有关标准，综合考虑液氨的介质属性，进行了安全阀设计选型工作型为例。