O魯秉幟（中薪油武漢化工工程技術(shù)有限公司 湖北 430223）

壓力容器設(shè)計(jì)中安全閥選型的計(jì)算分析

O魯秉幟
（中薪油武漢化工工程技術(shù)有限公司 湖北 430223）

安全閥在壓力容器的設(shè)計(jì)和適用過(guò)程中發(fā)揮著很重要的作用，合理的設(shè)計(jì)選型能有效保障設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行，更能保障人、物的安全。本文主要是從壓力容器設(shè)計(jì)中的安全閥的選型計(jì)算出發(fā)，對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討。

壓力容器；安全閥；截面積

Key wrods：pressure vessel；safety valve；sectional area

安全閥是防止壓力容器內(nèi)出現(xiàn)異常情況或因設(shè)備原因?qū)е碌膲毫^(guò)高發(fā)生爆炸而配備的安全配件，其自動(dòng)泄壓保護(hù)裝置是在進(jìn)口的靜壓力作用下開(kāi)啟。這類安全泄放裝置是防止容器超壓和維持其正常運(yùn)行的重要附件之一。為保障安全閥的準(zhǔn)確、安全使用，本文主要是從計(jì)算的角度出發(fā)，對(duì)壓力容器安全閥的選擇進(jìn)行相關(guān)探討。

1.安全閥的選用

安全閥的型式通常采用直接載荷彈簧式安全閥。若采用非直接載荷式安全閥，則必須做到即使副閥失靈時(shí)，主閥仍能在規(guī)定的開(kāi)啟壓力下，自行開(kāi)啟并排出其額定泄放量。安全閥的選用應(yīng)綜合考慮壓力容器的操作條件、介質(zhì)特性、載荷特點(diǎn)、容器的安全泄放量、防超壓動(dòng)作的要求（動(dòng)作特點(diǎn)、靈敏性、可靠性、密閉性）、生產(chǎn)運(yùn)行特點(diǎn)、安全技術(shù)要求，以及維修更換等因素綜合決定。

在安全閥選型的過(guò)程中需要注意以下幾個(gè)方面：對(duì)于油、水等不可壓縮的液體，安全閥盡量選用微啟式；對(duì)于如蒸汽之類的可壓縮流體，安全閥盡量選用全啟式；如果容器沒(méi)有震動(dòng)，溫度較高且壓力不高，安全閥可選用杠桿式；普通高、中、低壓容器的安全閥可選彈簧式；如果介質(zhì)為易燃易爆或是有毒物，安全閥則需采用封閉式，為保證不出現(xiàn)爆炸、燃燒以及中毒等事件，需合理處置排放導(dǎo)管，引入安全地點(diǎn)或是回收容器；對(duì)于壓縮空氣和蒸汽之類的介質(zhì)，安全閥可采用半封閉式或敞開(kāi)式；如果中低壓容器壁厚不大但排放量較大，或是高壓容器，安全閥優(yōu)先選用全啟式；如果壓力容器要求較平穩(wěn)的壓力和較小的安全泄放量，安全閥可選用微啟式；壓力容器的介質(zhì)具有腐蝕性或較大粘性則應(yīng)選用爆破片。

2.計(jì)算過(guò)程分析

在安全閥的計(jì)算和選型時(shí)，首先確定防止設(shè)備超壓所需的最大泄放量，其次根據(jù)最大泄放量計(jì)算安全閥的噴嘴面積或閥座喉徑，最后就可根據(jù)計(jì)算結(jié)果查表求出安全閥的公稱通徑。此過(guò)程的計(jì)算難點(diǎn)在于其中所需的各種參數(shù)的確定相當(dāng)?shù)姆彪s。

(1)計(jì)算壓力容器的安全泄放量

當(dāng)壓力容器內(nèi)的介質(zhì)為水蒸氣或是壓縮氣體情況下的安全泄放量計(jì)算：對(duì)于蒸汽罐、汽包和壓縮機(jī)儲(chǔ)氣罐之類的壓力容器，其安全泄放量值為蒸汽發(fā)生器和壓縮機(jī)的最大產(chǎn)氣量；對(duì)于儲(chǔ)氣罐內(nèi)為水蒸氣或壓縮氣體時(shí)，其安全排放量Ws為下式①所示：

Ws＝2．83×10-3ρvd2kg/h ①

其中ρ：泄放壓力下入口側(cè)氣體密度，kg/m3；v：壓力容器進(jìn)口管內(nèi)氣體的流速，m/s；d：壓力容器進(jìn)料管的內(nèi)直徑，mm；根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，如果飽和水蒸氣的壓力值低于1MPa時(shí)，v的取值在15m/s到19m/s之間，壓力值在1MPa到4MPa之間時(shí)，v的取值在20m/s到40m/s之間。對(duì)于空氣儲(chǔ)罐，壓力值低于1MPa時(shí)，v的取值在7m/s到9m/s之間，壓力值在1MPa到2MPa之間時(shí)，v的取值在10m/s到15m/s之間。對(duì)于過(guò)熱蒸汽，v的取值在30m/s到60m/s之間。

對(duì)于換熱設(shè)備之類，蒸汽產(chǎn)生情況下的安全泄放量如下：

Ws＝H/q kg/h ②

其中，H:輸入熱量，KJ/h；q：在泄放壓力下液化氣體的汽化潛熱，kJ/kg。對(duì)于q值，通常情況下，甲烷為569．4，乙烷為489．9，丙烷為426．36，正丁烷為386，異丁烷為367．6，戊烷為357．5。

壓力容器內(nèi)介質(zhì)為液化氣體的情況下，其安全泄放量的計(jì)算如下：液化氣體為易燃或是非易燃但工作在可能發(fā)生火災(zāi)的環(huán)境下的情況時(shí)，壓力容器在沒(méi)有絕熱材料保溫層的情況下，其安全泄放量如下：

Ws＝2．55×105FAr0．82／q kg/h ③

其中，F(xiàn)：容器外壁校正系數(shù)；Ar：壓力容器的受熱面積，m2；對(duì)于容器外壁校正系數(shù)F，如果壓力容器無(wú)保溫且放置與地表，取F=1．0，當(dāng)具備良好的保溫條件時(shí)則通過(guò)對(duì)應(yīng)的具有保溫的液化氣體壓力容器的安全泄放量計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算；如果壓力容器放置于地下，覆蓋采用沙土?xí)r的F=0．3；壓力容器采取噴淋裝置且超過(guò)10L(m2．min)的情況下F=0．6。對(duì)于壓力容器的受熱面積Ar，是指低于頁(yè)面的容器的面積，在外部火焰的作用下，介質(zhì)受到受熱面積傳導(dǎo)進(jìn)入的熱量而發(fā)生物料氣化。壓力容器為臥式半球體時(shí)Ar=πD0L，封頭為橢圓形時(shí)Ar=πD0（L+0．3D0）。對(duì)于立式壓力容器，其受熱面積Ar=πD0L’，容器為球形時(shí)的面積為半球的表面積，Ar=πD02/2，或是7．5m以下的外表面積，取兩者之間的大值。對(duì)于氣體壓縮機(jī)，在其緩沖罐中會(huì)有約二分之一的液體，受熱面積為容器表面的一半，上述各式中，D0為壓力容器的外直徑，L，L’分別壓力容器的總長(zhǎng)和最高液位。

對(duì)于壓力容器內(nèi)的介質(zhì)為液化氣體，且具有較好保溫層的情況下，其安全泄放量為：

Ws＝2．61（650-t）λ×Ar0．82/δq kg/h ④

t：泄放壓力下介質(zhì)的飽和溫度，℃；λ：常溫下絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/(m·h·℃)；δ：保溫層厚度，m；

如果壓力容器內(nèi)的介質(zhì)為非易燃液化氣體，其工作的環(huán)境不存在火災(zāi)危險(xiǎn)時(shí)，其安全泄放量的確定首先是確定是否具有保溫層，然后根據(jù)上述公式③④來(lái)進(jìn)行計(jì)算，最后選定的值必須大于計(jì)算值的30%。如果壓力容器會(huì)因?yàn)槠浣橘|(zhì)氣體的化學(xué)反應(yīng)而增大的情況，先確定反應(yīng)的時(shí)間和反應(yīng)產(chǎn)生的最大氣量，以此來(lái)對(duì)安全泄放量進(jìn)行計(jì)算。

(2)取安全閥排放能力為安全泄放量，在此條件下求最小排氣截面積A

k：氣體絕熱系數(shù)；K：排放系數(shù)；M：氣體摩爾質(zhì)量，kg/kmol；Z：氣體在操作溫度壓力下的壓縮系數(shù)；T：泄放裝置進(jìn)口側(cè)的氣體溫度，K；Po：安全閥的出口側(cè)壓力（絕壓），MPa；Pd：安全閥的排放壓力（絕壓），pd＝1．1ps＋0．1，MPa；C：氣體或水蒸氣的特性系數(shù)。

對(duì)于氣體絕熱系數(shù)k為CP/CY比值，可以通過(guò)常用氣體性質(zhì)表對(duì)該值進(jìn)行查詢，或是進(jìn)行粗略的估算，單原子氣體為1．67，雙原子氣體為1．40，多原子氣體為1．33。安全閥的最小排氣截面積A，安全閥的開(kāi)啟高度為h，最小流通直徑為d1，閥座口徑為D，錐形密封面的半錐角度為φ，在開(kāi)啟式中，h大于或等于d1/4時(shí)的A值為A=πD12/4，在微啟式中，h小于d1/20，平面性密封面的A值為A=πDh，密封面為錐面時(shí)的A值為A=πd1hsinφ。排放系數(shù)K由其結(jié)構(gòu)決定，可通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)來(lái)進(jìn)行數(shù)值確定，在GB150中取廠家提供泄系數(shù)的0．9倍。在沒(méi)有參考數(shù)據(jù)的情況下，對(duì)于全啟式K值在0．6到0．7之間，微啟式帶調(diào)節(jié)圈的K值在0．4到0．5之間，微啟式不帶調(diào)節(jié)圈時(shí)的K值為0．25到0．35。壓縮系數(shù)Z值因氣體不同而不同，通常情況下空氣為1．0，丙烷為0．75，戊烷為0．82，通過(guò)軟件進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)對(duì)結(jié)果自動(dòng)生成。

對(duì)于液體：

ΔP：閥門前后壓力降，Mpa

對(duì)于蒸汽含量超過(guò)98%，最大過(guò)熱度為10℃的飽和蒸汽，當(dāng)Pd＝1．03ps＋0．1≤10MPa時(shí)；

公稱通徑與流道直徑之間的關(guān)系可通過(guò)相關(guān)參考進(jìn)行查詢，在得到其對(duì)應(yīng)的關(guān)系之后獲得安全閥喉部界面A值，選擇喉部截面積時(shí)不小于此數(shù)值即可，再?gòu)墓街羞M(jìn)行公稱通徑的換算。

根據(jù)安全閥最小排氣截面積A值也可通過(guò)計(jì)算獲得閥座喉徑，在知道喉徑的情況下可從表中對(duì)公稱通徑進(jìn)行對(duì)應(yīng)查詢。h大于或等于d1/4時(shí)的閥座喉徑值為d1=，在微啟式中，h大于或等于d1/20，平面性密封面的閥座口徑D值為A/πh，密封面為錐面時(shí)的閥座喉徑值為d1=A/πhsinφ。

3.相關(guān)計(jì)算的解釋

在安全閥和容器內(nèi)，各種壓力從小到大依次是容器的工作壓力、安全閥的整定壓力、容器的設(shè)計(jì)壓力、安全閥的排放壓力以及容器的實(shí)驗(yàn)壓力。壓力容器介質(zhì)為液化石油氣時(shí)的安全閥計(jì)算，鑒于介質(zhì)的組成成分較為復(fù)雜且不明確，對(duì)于喉部截面積的計(jì)算很難獲得精準(zhǔn)數(shù)值，只能參考相關(guān)近似值進(jìn)行計(jì)算，壓縮系數(shù)約為0．7，絕熱系數(shù)約為1．15，摩爾質(zhì)量約為50kg/kmol，20℃時(shí)的液相密度在500kg/m3到550kg/m3之間，溫度在50℃到70℃之間的汽化潛熱為250kJ/kg到340kJ/kg，安全閥的排放溫度在323K到343K之間從保障安全的角度出發(fā)，從上述數(shù)值進(jìn)行選定時(shí)要充分考慮余量。

當(dāng)介質(zhì)為溫度超過(guò)235℃，壓力超過(guò)3．0MPa的氣體時(shí)，安全閥盡量選用帶有散熱片的類型，避免泄放會(huì)對(duì)彈簧造成沖蝕。介質(zhì)為惰性氣體或是水蒸氣時(shí)可直接泄露排放到大氣，但是對(duì)于有毒有害、易燃易爆的介質(zhì)則不能直接排放，需要采用閉式閥帽安全閥。

[1]陳學(xué)東,崔軍,章小滸,關(guān)衛(wèi)和,壽比南,謝鐵軍.我國(guó)壓力容器設(shè)計(jì),制造和維護(hù)十年回顧與展望[J].壓力容器,2012,12.

[2]王志文,惠虎,關(guān)凱書(shū),章驍程.對(duì)中國(guó)壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展展望[J].壓力容器,2013,03.

[3]郭崇志,朱壽林.安全閥超壓泄放瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬研究[J].流體機(jī)械,2012,02:30-35+14.

[4]梁寒雨.安全閥開(kāi)啟過(guò)程閥口流場(chǎng)的CFD數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[D].華南理工大學(xué),2010.

[5]李智斌.基于改進(jìn)FMECA方法的彈簧全啟式安全閥可靠性分析[D].浙江工業(yè)大學(xué),2012.

[6]焦黎棟.大流量安全閥動(dòng)態(tài)特性仿真與流場(chǎng)數(shù)值模擬[D].太原理工大學(xué),2010.

Calculation Analysis of Safety Valve Type Selection in Pressure Vessel Design

Lu Bingzhi
(Wuhan Chemical Engineering Technology Co., Ltd, Hubei, 430223)

Safety valve plays an very important role in the design and application process of pressure vessel, so a reasonable design type selection can effectively guarantee the smooth running of equipment and gurantee the safety of persons and equipment. This article discusses the related issues mainly from the aspect of safety valve selection calculation in pressure vessel design.

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魯秉幟（1984～），男，中薪油武漢化工工程技術(shù)有限公司，研究方向：壓力容器的設(shè)計(jì)計(jì)算類。