李 瑋 王 鋒

（上海華誼工程有限公司，上海 200235）

安全閥是安裝在壓力容器或管道上，在緊急情況或異常工況下開啟，防止內(nèi)部壓力超過設(shè)計(jì)規(guī)定的安全值，保護(hù)壓力容器或管道等受壓設(shè)備發(fā)生爆炸事故的裝置。大多數(shù)化工裝置系統(tǒng)操作壓力較高，而且化工物料多是可燃易爆介質(zhì)，如果安全閥設(shè)計(jì)考慮不周，超壓泄放時(shí)易引起火災(zāi)、爆炸等事故。因此，從系統(tǒng)安全的角度出發(fā)，安全閥的合理計(jì)算與設(shè)計(jì)對(duì)化工裝置來說是非常重要的。

1 安全閥尺寸確定方法的比較

1.1 不同的確定方法

通常情況下，大部分設(shè)計(jì)人員在確定安全閥尺寸先是確定安全閥最大泄放量，再根據(jù)此最大泄放量來計(jì)算安全閥的喉徑大小。但也有的做法是計(jì)算所有可能工況的安全閥尺寸，選擇最大的喉徑面積作為安全閥的最終尺寸?，F(xiàn)就這兩種做法加以討論。

一般來講，最大泄放量對(duì)應(yīng)最大的尺寸。但有的工況可能不是最大的泄放量，但是要求最大的尺寸。

例如：某設(shè)備頂部安全閥，火災(zāi)工況時(shí)的泄放量小于閥門誤關(guān)閉時(shí)的泄放量，但由于火災(zāi)時(shí)，火災(zāi)影響范圍內(nèi)的同一泄放干線上安全閥會(huì)同時(shí)泄放，此時(shí)瞬時(shí)流量較高，會(huì)產(chǎn)生較高的安全閥背壓；但閥門誤關(guān)閉時(shí)的泄放只考慮單獨(dú)泄放，產(chǎn)生的背壓就比火災(zāi)工況時(shí)低很多。

圖1 為彈簧式安全閥背壓修正系數(shù)圖[1]。

而安全閥泄放面積計(jì)算公式[2]：

式中：a — 最小泄放面積，mm2；

圖1 彈簧式安全閥背壓修正系數(shù)

W — 質(zhì)量泄放流量，kg/h；

C0— 流量系數(shù)；

X — 氣體特性系數(shù)；

P — 泄放壓力，MPa；

Kb— 背壓修正系數(shù)；

T — 泄放溫度，T；

Z — 氣體壓縮因子；

M — 分子量；

Kf— 亞臨界流動(dòng)系數(shù)；

Pb— 背壓，MPa；

Kp— 超壓系數(shù)；

Kw— 背壓校正系數(shù)；

Kv— 粘度修正系數(shù)；

Gt— 液相密度，kg/m3

1.2 確定方法的建議

結(jié)論：因此筆者認(rèn)為，計(jì)算所有可能工況的安全閥尺寸，再選擇最大的喉徑面積作為安全閥最終尺寸的計(jì)算方法，是比較合理的計(jì)算安全閥的做法。

2 安全閥入口管道壓降的確定

在石油化工裝置安全閥工程設(shè)計(jì)中，安全閥進(jìn)口管道設(shè)計(jì)的正確與否對(duì)安全閥能否在設(shè)定的壓力與排量下工作影響極大，設(shè)計(jì)不合理會(huì)造成安全閥頻跳等問題。因此，要使安全閥真正起到保護(hù)設(shè)備與管道的作用，一定要重視安全閥的進(jìn)口管道設(shè)計(jì)。

安全閥排放時(shí)，如果入口管路的壓力降太大，將會(huì)引起安全閥反復(fù)迅速啟閉，產(chǎn)生顫振，降低安全閥的排放能力，并會(huì)損壞安全閥及其聯(lián)接的管道，所以必須對(duì)這部分壓力加以限制。

2.1 壓降限制的規(guī)定

在國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中均限制了安全閥入口管道的壓力降，為設(shè)計(jì)人員在計(jì)算中提供了依據(jù)，但由于各標(biāo)準(zhǔn)中的具體要求也有差別，筆者就其中的差別予以討論：

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12241—2005《安全閥一般要求》10.3.1 規(guī)定：在進(jìn)口支管中或被保護(hù)設(shè)備與安全閥之間的壓力降應(yīng)不超過整定壓力的3%或最大允許啟閉壓差的1/3（以在實(shí)際排放時(shí)的較小者為準(zhǔn)）[1]。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20570—95《化工裝置工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)定》12.0.1的規(guī)定是：入口管路直徑不小于安全閥的入口直徑，入口管道的壓力降不大于安全閥設(shè)定壓力(表壓)的3%[2]。

《石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)》第4 卷5.5.10 規(guī)定：從被保護(hù)設(shè)備到安全閥入口流體的壓力降應(yīng)低于安全閥定壓的3%。流量應(yīng)按照安全閥排放時(shí)通過安全閥的最大流量計(jì)算[3]。”

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美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 520-Ⅱ中規(guī)定：當(dāng)壓力泄放閥安裝在與容器直接相聯(lián)的管線上時(shí)，從被保護(hù)容器到壓力泄放閥之間不可回收的總壓力損失不能超過閥門設(shè)定壓力的3%（如圖2所示）；當(dāng)壓力泄放閥安裝在工藝管線上時(shí)，正常工況無流量的閥前入口管線上的壓損與工藝管線上由閥門泄放而引起的額外壓損兩部分之和不應(yīng)超過閥門定壓的3%[4]。

圖2 壓力泄放閥與容器直接相聯(lián)管線的安裝結(jié)構(gòu)

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)全部規(guī)定的是壓力降，沒明確是哪一部分壓降，一般理解為全部壓力降；而API 則明確規(guī)定的是不可回收的壓力損失。

2.2 管道壓降分析

要理解哪種標(biāo)準(zhǔn)更加合理，先分析一下管道壓降都包括哪些內(nèi)容。

管道壓力降包括：管道摩擦壓降、管道速度壓降、管道靜壓降。

管道摩擦壓降由兩部分組成：一部分是流體在管道內(nèi)流動(dòng)，由流體與管壁摩擦而引起的阻力降；另一部分是流體通過孔板、管件的變徑及接管口產(chǎn)生的局部壓降。摩擦壓降屬于不可回收的壓力損失。

管道速度壓降由于管道始端與終端流體流速不等而產(chǎn)生的壓力降。管道速度壓降是可回收的壓力損失。

由于管道進(jìn)出口標(biāo)高不同而產(chǎn)生的壓力降稱為管道靜壓力降。

分析：在安全閥開啟——關(guān)閉——再開啟的過程中，決定安全閥開啟或關(guān)閉的閥前壓力是靜壓力，所以只要是在安全閥開啟后能夠?qū)е麻y前靜壓力下降的那部分壓力損失就應(yīng)歸于3%的限制之內(nèi)，顯然管道摩擦壓降（不可回收的壓力損失）會(huì)導(dǎo)致閥前靜壓力的下降，影響安全閥的啟閉頻率。

而關(guān)于靜壓降是否計(jì)入3%，API 沒有作更多解釋。如果泄放介質(zhì)在入口管道中的靜壓降維持不變，比如介質(zhì)是氣體或者是完全充滿容器和管道的液體，而且液體在安全閥關(guān)閉后不會(huì)發(fā)生倒流，那么這部分閥前管道中的靜壓降對(duì)安全閥的啟閉過程就沒有影響，可以不計(jì)入3%的限制之內(nèi)。但是如果安全閥每次關(guān)閉后閥前管道的靜壓降會(huì)減少或消失，下次開啟后又會(huì)重新建立，比如在啟閉循環(huán)中有充分倒流時(shí)間的兩相流體，那么這部分靜壓降就會(huì)影響到安全閥的啟閉，應(yīng)該被計(jì)入3%之內(nèi)。

2.3 入口管道壓降計(jì)算的建議

國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的是壓力降，沒明確是哪一部分壓降，一般理解為全部壓力降，這種做法過于保守，計(jì)算出的入口管徑會(huì)偏大。所以筆者認(rèn)為，設(shè)計(jì)人員在計(jì)算安全閥入口管道壓降的時(shí)候，可按照API標(biāo)準(zhǔn)只考慮可回收部分的壓力損失，即管道摩擦壓降，同時(shí)，還應(yīng)該仔細(xì)分析工況以確定靜壓降是否要計(jì)入3%。另外需要提醒的是，如果閥前液體靜壓降過大，設(shè)計(jì)人員還需進(jìn)一步考慮是否有必要降低安全閥定壓以保護(hù)系統(tǒng)不至于超壓。若安全閥入口管道的總壓力降超過安全閥整定壓力的3%，可增大入口管徑以降低壓力降，以滿足技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的要求。

3 安全閥背壓的確定

安全閥的背壓，是由于排放系統(tǒng)有壓力而存在于安全閥出口處的壓力，背壓可以是固定的，也可以是變化的。背壓是附加背壓和積聚背壓之和。附加背壓（也叫靜背壓），當(dāng)安全閥未啟動(dòng)時(shí)，由于其它閥排放而存在于安全閥出口的靜壓；積聚背壓（也叫動(dòng)背壓），當(dāng)安全閥打開后，由于排放使主管中增加的壓力。安全閥起跳后的總背壓是附加背壓和積聚背壓之和。

當(dāng)安全閥實(shí)際承受的背壓大于其所允許的最高承受背壓時(shí)，則安全閥就不能達(dá)到規(guī)定的開啟高度，甚至不能開啟，影響安全閥的泄放，導(dǎo)致設(shè)備損壞或者更嚴(yán)重的事故，因此，安全閥背壓的確定要引起設(shè)計(jì)人員的足夠重視。

3.1 背壓的確定方法

3.1.1 泄放管網(wǎng)的確定

要確定安全閥出口背壓，首先要根據(jù)全廠設(shè)備平面布置，設(shè)計(jì)全廠泄放管網(wǎng)的具體分布，確定泄放管網(wǎng)每根管線的尺寸。根據(jù)API2521，對(duì)單個(gè)設(shè)備事故泄放、主電源事故泄放和局部區(qū)域火災(zāi)等主要工況進(jìn)行分析。前兩種工況較易分析，對(duì)于局部火災(zāi)工況，API521 規(guī)定在缺乏其它控制因素的條件下，局部區(qū)域火災(zāi)的火情通常被認(rèn)為限制在230 m2～ 460 m2的廠區(qū)面積范圍之內(nèi)[5]。因此，設(shè)計(jì)人員要根據(jù)全廠設(shè)備平面布置，選擇最大火災(zāi)形成區(qū)域來進(jìn)行泄放量計(jì)算。設(shè)計(jì)人員通過對(duì)前面各種工況的分析，從而確定管線尺寸。

3.1.2 出口背壓的確定

在全廠泄放管網(wǎng)分布和管線尺寸基本確定后，可通過計(jì)算求出安全閥出口背壓。具體過程是先根據(jù)廠商資料確定火炬頭即泄放管網(wǎng)最終端的壓力，再由安全閥的設(shè)計(jì)泄放量反算出火炬頭至安全閥出口的壓降，最后將火炬頭的壓力加上管線壓降即為安全閥的背壓。

以上是計(jì)算安全閥出口背壓的方法，但是計(jì)算出的背壓是否合理，需要參照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)背壓的限制予以衡量。

3.2 背壓的限制

3.2.1 各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)背壓的限制

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)都對(duì)安全閥背壓有一定的限制：

API520 中規(guī)定：通用式安全閥，如允許超壓為10%，則其積聚背壓不應(yīng)超過設(shè)定壓力的10%；如果允許超壓大于10%，則其最大積聚背壓也可大于10%，但不能超過允許超壓。如背壓超過以上限制，則應(yīng)選用平衡式或先導(dǎo)式的安全閥[4]。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12241—2005《安全閥一般要求》規(guī)定：對(duì)安全閥出口側(cè)存在的可能影響整定壓力和/或排量的背壓力(排放背壓力和／或附加背壓力)應(yīng)予以考慮[1]。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20570—95《化工裝置工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)定》規(guī)定對(duì)于彈簧式安全閥，彈簧設(shè)定時(shí)不考慮靜背壓的影響，出口管道的動(dòng)背壓與靜背壓之和要不大于設(shè)定壓力(表壓)的10%[2]。

《石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)》規(guī)定：通用式安全閥在非火災(zāi)工況使用時(shí)，動(dòng)背壓的值不可超過定壓的10%；在火災(zāi)工況下使用時(shí)，動(dòng)背壓不可超過定壓的20%[3]。

以上標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定各不相同，GB/T 12241—2005 中雖然有規(guī)定，但是沒有具體限制，只說予以考慮；HG/T 20570—95 要求考慮總背壓不大于設(shè)定壓力的10%；《石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)》與API的規(guī)定基本一致，都對(duì)積聚背壓（即動(dòng)背壓）予以限制，并對(duì)不同工況有不可超過定壓10%和20%的限制。

3.2.2 附加背壓的分析

到底應(yīng)該考慮總背壓還是只考慮積聚背壓的限制，要先對(duì)附加背壓予以研究，來判斷附加背壓到底是否需要被考慮進(jìn)來。

附加背壓，可采取調(diào)整冷態(tài)試驗(yàn)壓力來修正。也就是說，安全閥廠家在做選型時(shí)，通過降低彈簧力的設(shè)定值，降低的量等于附加背壓值，以此來抵消附加背壓的影響。

3.2.3 建議

從背壓影響安全閥操作性能的機(jī)理上看，API與《石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)》的規(guī)定是合理的。在具體工程設(shè)計(jì)時(shí)，只需限制通用式安全閥的積聚背壓不要超過其允許超壓即可，這樣既方便設(shè)計(jì)計(jì)算，又符合各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。否則，如果考慮總背壓的話，會(huì)使得安全閥出口管道管徑偏大，這樣不夠經(jīng)濟(jì)合理。

4 安全閥出口反力的計(jì)算

安全閥閥瓣開啟泄放時(shí)，管道內(nèi)流體的快速流動(dòng)會(huì)對(duì)排放管道產(chǎn)生一定的作用力，并通過排出管道傳至安全閥，并以力矩的形式通過管道作用在安全閥的設(shè)備接口。因此，需要對(duì)這種力和力矩進(jìn)行計(jì)算，以保證安全閥進(jìn)出口管道及設(shè)備接口、法蘭的安全。

通常工藝系統(tǒng)專業(yè)設(shè)計(jì)人員需要在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段計(jì)算安全閥反力，供管道機(jī)械專業(yè)設(shè)計(jì)管架時(shí)用。

4.1 反力計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T20570-95 中的反力計(jì)算公式為[2]：

式中：f — 泄放反力，N；

A0— 泄放管出口截面積，mm2；

P2— 泄放管出口靜壓力，MPa（表）；

k — 絕熱指數(shù)。而在API520 中，安全閥反力計(jì)算公式為[4]：

式中：F — 向大氣排放點(diǎn)的反作用力，N；

W — 氣體或蒸汽的流率，kg/s；

k — 比熱比（Cp/Cv）；

Cp— 定壓比熱；

Cv— 定容比熱；

T — 進(jìn)口溫度，0R；

M — 流體介質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量；

A — 排放點(diǎn)的出口面積，m2；

p — 排放點(diǎn)的靜壓，psig。

在計(jì)算安全閥反力時(shí)，設(shè)計(jì)人員到底應(yīng)該用哪個(gè)公式來計(jì)算呢，現(xiàn)通過一個(gè)實(shí)例計(jì)算，對(duì)兩個(gè)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

4.2 反力計(jì)算實(shí)例

某安全閥，各項(xiàng)參數(shù)如表1。

表1 安全閥參數(shù)

按照HG/T20570-95 中的反力計(jì)算公式[2]：

按照API520 中的反力計(jì)算公式[4]：

兩個(gè)公式計(jì)算結(jié)果差別比較大。HG/T20570-95的計(jì)算結(jié)果幾乎是API520的三倍。

為驗(yàn)證哪一個(gè)公式的計(jì)算結(jié)果更為準(zhǔn)確，筆者再用管道應(yīng)力分析軟件CAESAR Ⅱ中的安全閥泄放反力計(jì)算單元來進(jìn)行驗(yàn)證。

CAESAR Ⅱ計(jì)算結(jié)果如表2所示。

計(jì)算結(jié)果中，F(xiàn)1 是指出口彎頭受的力，F(xiàn)2 是介質(zhì)連續(xù)泄放時(shí)管道受的力，而F3 是安全閥泄放時(shí)對(duì)出口管道瞬間產(chǎn)生的力，也就是我們所指的安全閥出口反力，表中F3=6 546N。

表2 CAESAR Ⅱ計(jì)算結(jié)果

4.3 反力計(jì)算建議

按以上分析我們可以推斷出，通過管道應(yīng)力軟件計(jì)算出的結(jié)果6 546N 與API520 中公式計(jì)算出的4 487N 更為接近，而HG/T20570-95 中反力計(jì)算公式過于保守，計(jì)算出來的反力過大，會(huì)導(dǎo)致管道材料專業(yè)和設(shè)備專業(yè)選材的浪費(fèi)，不夠經(jīng)濟(jì)，因此，API520的計(jì)算結(jié)果是比較可信的，可以作為工藝設(shè)計(jì)人員計(jì)算反力的標(biāo)準(zhǔn)。

[1]國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12241-2005 安全閥一般要求[S].

[2]行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20570—95 化工裝置工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)定[S].

[3]中國石油化工股份有限公司.石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)(第4 卷)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[4]American PetroleumInstitute.API recommended practice 520,5th Edition,2003.

[5]American Petroleum lrmlitute.API Recommended Practice 521,4th Edition,March 1997.