化工装置安全阀设计

陈顺杭

（中国天辰工程有限公司，天津300400）

化工装置大多涉及易燃、易爆的危险物料，具有潜在的爆炸危险性，从化工设计源头上进行本质安全设计，对于提高装置安全性具有十分重要的作用。安全阀设计是本质安全设计的重要部分，安全阀设置选型是否合理，关系到化工装置的本质安全，因此，笔者根据多年的化工设计经验，对于化工装置安全阀设计的基本要点、难点进行简单总结，供化工设计相关人员参考。

1　安全阀设计中的主要名词术语

（1）安全阀的定压。安全阀入口的静压达到该值时，安全阀立即动作。

（2）最大允许工作压力。系指在设计温度下，容器顶部所允许承受的最大压力。此压力值依据设备计算中的正常厚度、金属腐蚀裕度、负载和压力等确定。

（3）积聚。系指在安全阀排放过程中，超过容器最大允许工作压力的压力，用压力单位或最大允许工作压力或设计压力的百分数表示。

（4）超压。超过安全阀设定压力的压力，用压力单位或用设计压力的百分数表示。当压力容器最大允许工作压力与安全阀的设定压力相等时，则超压与积聚值相同。

（5）最大允许积聚压力。系指安全阀最大允许工作压力与最大积聚之和。

（6）背压。是由于排放系统有压力而存在于安全阀出口处的压力，背压是可以固定的，也可以是变化的。背压是附加背压和积聚背压之和。

（7）附加背压。当安全阀未启动时，由于其他阀排放而存在于安全阀出口的静压，它可能是固定的，也可能是变化的。

（8）积聚背压。当安全阀打开后，由于排放使主管中增加的压力。

（9）回座压力。设定压力与安全阀关闭压力之差，以设定压力的百分数或压力单位表示。

（10）操作压力。容器正常操作时的压力。压力容器的设计通常有一最大允许工作压力。它为操作压力提供合适的余量，以阻止安全阀不合需要的打开。

（11）泄放条件。表示安全阀超压时的进口压力和温度。泄放压力等于安全阀的设定压力加超压，泄放温度为泄放条件下的流体温度，它可能高于操作温度，也可能低于操作温度。

2　安全阀的种类

2.1　按开启高度

（1）微启式安全阀

h表示开启高度，d0表示喷嘴直径。

排放不可压缩流体（如水和油等液体）时，应选用微启式安全阀。

（2）全启动式安全阀

排放可压缩流体（如蒸汽和其他气体）时，应选用全启式安全阀。

2.2　按作用原理

（1）先导式安全阀

由主阀和导阀组成，主阀依靠从导阀排出介质来驱动或控制的安全阀。

（2）直接载荷式安全阀

直接依靠介质压力产生的作用力来克服作用在阀瓣上的机械载荷（如弹簧、重锤或杠杆）使阀门开启的安全阀。

（3）带动力辅助装置式安全阀

该安全阀借助一个动力辅助装置，可以在压力低于正常的开启压力下开启。

（4）带补充载荷式安全阀

在进口压力达到开启压力前始终保持有一个增强密封的附加力，该附加力可由外来的能源提供，而在阀门达到开启压力时应可靠地释放的安全阀。

2.3　按阀瓣加载方式

（1）重锤式或杠杆重锤式安全阀

利用重锤直接加载或利用重锤通过杠杆加载的安全阀。

（2）弹簧式安全阀

利用压缩弹簧加载的安全阀。（3）气室式安全阀

利用压缩空气加载的安全阀。

3　安全阀泄放量计算要点

安全阀设计中，泄放量的计算是关键的一环，泄放量确定准确与否，直接影响到安全阀最小泄放面积的准确性，最终影响安全阀选型的准确性。泄放量计算的核心要点在于区分不同的事故工况，然后再准确计算泄放量。

事故工况主要有阀门误关闭、循环水故障、电力故障、不凝气的积累、控制阀故障、过度热量输入、易挥发物料进入高温系统、换热器管破裂、化学反应失控、外部火灾。通常在实际安全阀泄放量计算中，经常存在多种可能事故工况，这时需要分别计算各种可能事故工况下的泄放量，然后取其中最大者核算安全阀最小泄放面积。

根据安全阀与容器有关的压力关系，火灾用的安全阀最大泄放压力为121%，大于非火灾用安全阀的最大泄放压力，因此外部火灾工况的泄放量计算很重要。

3.1　湿润面积

而对于外部火灾工况泄放量计算中，首先要计算湿润面积。容器内液面之下的面积统称为湿润面积。外部火焰传入的热量通过湿润面积使容器内的物料气化。不同型式设备的湿润面积计算如下：

⑴卧立式容器

距地面7.5m或距能形成大面积火焰的平台之上7.5 m高度范围内的容器外表面积与最高正常液位以下的外表面积比较，取两者中较小值。

①对于椭圆形封头的设备全部外表面积为:

Ae——外表面积，m2；D0——设备直径，m；L——设备总长（包括封头），m。

②气体压缩机出口的缓冲罐一般最多盛一半液体，湿润表面为容器总表面积的50%。

③分馏塔的湿润表面为塔底正常最高液位和7.5m高度内塔盘上液体部分的表面积之和。

⑵球型容器

球型容器的湿润面积，应取半球表面积或距地面7.5 m高度下表面积二者中的较大值。

湿润面积包括火灾影响范围内的管道外表面积。

3.2　容器外壁校正系数

容器壁外的设施可以阻碍火焰热量传至容器，用容器外壁校正系数(F)反映其对传热的影响。

⑴根据劳动部颁发的《压力容器安全技术监察规程》(1991年1月1日施行)中规定：

①容器在地面上无保温:F=1.0

②容器在地面下用砂土覆盖:F=O.3

③容器顶部设有大于10L/(m2·min)水喷淋装置:F=O.6

④容器在地面上有完好保温,按式（4）计算。

⑵根据美国石油学会标准API-520:

①容器在地面上无保温：F=1.0

②容器有水喷淋设施:F=1.0

③容器在地面上有良好保温时，按式(2)计算:

λ——保温材料的导热系数，kJ/(m·h·℃)；d0——保温材料厚度，m；t——泄放温度，℃。

④容器在地面之下和有砂土覆盖的地上容器，(F)值按式(2)计算，将其中的保温材料的导热系数和厚度换成土壤或砂土相应的数值。另外，保冷材料一般不耐烧，因此，保冷容器的外壁校正系数(F)为1.0。

3.3　安全泄放量

⑴根据劳动部颁发的《压力容器安全技术监察规程》(1991年1月1日施行)中规定:

a.无保温层

W——质量泄放量，kg/h；Hl——泄放条件下气化热，kJ/kg；A——湿润面积，m2；F——容器外壁校正系数，取3.2(1)值。

b.有保温层

⑵根据美国石油学会标准API-520中规定:对于有足够的消防保护措施和有能及时排走地面上泄漏的物料措施时，容器的泄放量为:

否则采用式（6）计算：

式中符号同式（3），F取3.2（2）值。

在实际设计中，要注意采用《压力容器安全技术监察规程》和API-520是不同的规范，应采用同一个规范来计算泄放量。

4　安全阀的配管

安全阀的配管的合理性是保障安全阀设置有效性的重要环节，如果安全阀进出口的配管不合理，会影响到安全阀保护设备的有效性。

⑴安全阀的进、出口管径应根据安全阀的最大排放量计算，安全阀应尽量靠近被保护的设备或管线，并使安全阀的入口管线尽量短，以减少阻力降。

⑵根据装置出口点的压力界区条件，计算支管和总管的管径。

⑶安全阀入口管线一般不设切断阀，如果必须设置，则切断阀应是铅封在开启状态，而且不影响安全阀的操作，安全阀入口管道的管径应不小于安全阀的入口直径，例如安全阀入口管道的管径可设置成比安全阀的入口直径大一级。

⑷安全阀出口管道一般不设置切断阀，如果必须设置，切断阀应是铅封在开启状态，且安全阀出口管道的管径不小于安全阀的出口直径。

⑸安全阀旁通切断阀应是铅封在关闭状态，切断阀应是全通径的闸阀或旋塞阀，其直径和管道相同，闸阀的阀杆应水平安装或向下安装。

⑹烃类物料的安全阀出口管道设计温度的确定。因烃类物料在经过安全阀减压后会发生闪蒸并迅速冷却，故应计算安全阀出口物料闪蒸后的温度，以确定安全阀出口管道的设计温度。

5　安全阀与爆破片的联合设置

在一些特殊的工况下，为了防止安全阀被堵塞，安全阀需要和爆破片联合设置，通常在安全阀入口管道加设爆破片。比如PVC（聚氯乙烯）生产装置中，单体储槽的安全阀入口管道通常加设爆破片。

6　安全阀设计与压力容器设计的衔接问题

由于项目前期阶段，计算出来的安全阀进出口直径往往不是最终的，最终的设备开口应该是根据安全阀厂家订货返回的安全阀入口直径确定，而且压力容器的管口改动起来比较麻烦，如果前期阶段就把压力容器的安全阀口定死，如果后期安全阀最终订货后的入口直径比压力容器的安全阀开口大，就会使设备专业陷入被动；因此前期阶段，压力的安全阀口最好是暂定的，等安全阀订货返回后，最终确定压力容器的安全阀口大小（不小于安全阀入口直径），更新设备条件。

7　结语

总之，安全阀对于提高化工装置的本质性安全有重要作用，在安全阀设计过程中，要充分掌握安全阀工作原理以及安全阀类型，认真分析装置存在的各种可能事故工况，根据各种不同事故工况和介质性质，准确计算并选用合适的安全阀，并合理配管，保障设备或管道的安全。

参考文献：

[1]中国石化集团上海工程有限公司.化工工艺设计手册[M].北京:化学工业出版社，2003.

[2]谢安国.安全阀管路设计[J].化工设计,2017,27(3).

[3]HG/T20570.2-1995.安全阀的设置和选用[S].