陳順杭

（中國(guó)天辰工程有限公司，天津300400）

化工裝置大多涉及易燃、易爆的危險(xiǎn)物料，具有潛在的爆炸危險(xiǎn)性，從化工設(shè)計(jì)源頭上進(jìn)行本質(zhì)安全設(shè)計(jì)，對(duì)于提高裝置安全性具有十分重要的作用。安全閥設(shè)計(jì)是本質(zhì)安全設(shè)計(jì)的重要部分，安全閥設(shè)置選型是否合理，關(guān)系到化工裝置的本質(zhì)安全，因此，筆者根據(jù)多年的化工設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于化工裝置安全閥設(shè)計(jì)的基本要點(diǎn)、難點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單總結(jié)，供化工設(shè)計(jì)相關(guān)人員參考。

1　安全閥設(shè)計(jì)中的主要名詞術(shù)語(yǔ)

（1）安全閥的定壓。安全閥入口的靜壓達(dá)到該值時(shí)，安全閥立即動(dòng)作。

（2）最大允許工作壓力。系指在設(shè)計(jì)溫度下，容器頂部所允許承受的最大壓力。此壓力值依據(jù)設(shè)備計(jì)算中的正常厚度、金屬腐蝕裕度、負(fù)載和壓力等確定。

（3）積聚。系指在安全閥排放過(guò)程中，超過(guò)容器最大允許工作壓力的壓力，用壓力單位或最大允許工作壓力或設(shè)計(jì)壓力的百分?jǐn)?shù)表示。

（4）超壓。超過(guò)安全閥設(shè)定壓力的壓力，用壓力單位或用設(shè)計(jì)壓力的百分?jǐn)?shù)表示。當(dāng)壓力容器最大允許工作壓力與安全閥的設(shè)定壓力相等時(shí)，則超壓與積聚值相同。

（5）最大允許積聚壓力。系指安全閥最大允許工作壓力與最大積聚之和。

（6）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，背壓是可以固定的，也可以是變化的。背壓是附加背壓和積聚背壓之和。

（7）附加背壓。當(dāng)安全閥未啟動(dòng)時(shí)，由于其他閥排放而存在于安全閥出口的靜壓，它可能是固定的，也可能是變化的。

（8）積聚背壓。當(dāng)安全閥打開(kāi)后，由于排放使主管中增加的壓力。

（9）回座壓力。設(shè)定壓力與安全閥關(guān)閉壓力之差，以設(shè)定壓力的百分?jǐn)?shù)或壓力單位表示。

（10）操作壓力。容器正常操作時(shí)的壓力。壓力容器的設(shè)計(jì)通常有一最大允許工作壓力。它為操作壓力提供合適的余量，以阻止安全閥不合需要的打開(kāi)。

（11）泄放條件。表示安全閥超壓時(shí)的進(jìn)口壓力和溫度。泄放壓力等于安全閥的設(shè)定壓力加超壓，泄放溫度為泄放條件下的流體溫度，它可能高于操作溫度，也可能低于操作溫度。

2　安全閥的種類(lèi)

2.1　按開(kāi)啟高度

（1）微啟式安全閥

h表示開(kāi)啟高度，d0表示噴嘴直徑。

排放不可壓縮流體（如水和油等液體）時(shí)，應(yīng)選用微啟式安全閥。

（2）全啟動(dòng)式安全閥

排放可壓縮流體（如蒸汽和其他氣體）時(shí)，應(yīng)選用全啟式安全閥。

2.2　按作用原理

（1）先導(dǎo)式安全閥

由主閥和導(dǎo)閥組成，主閥依靠從導(dǎo)閥排出介質(zhì)來(lái)驅(qū)動(dòng)或控制的安全閥。

（2）直接載荷式安全閥

直接依靠介質(zhì)壓力產(chǎn)生的作用力來(lái)克服作用在閥瓣上的機(jī)械載荷（如彈簧、重錘或杠桿）使閥門(mén)開(kāi)啟的安全閥。

（3）帶動(dòng)力輔助裝置式安全閥

該安全閥借助一個(gè)動(dòng)力輔助裝置，可以在壓力低于正常的開(kāi)啟壓力下開(kāi)啟。

（4）帶補(bǔ)充載荷式安全閥

在進(jìn)口壓力達(dá)到開(kāi)啟壓力前始終保持有一個(gè)增強(qiáng)密封的附加力，該附加力可由外來(lái)的能源提供，而在閥門(mén)達(dá)到開(kāi)啟壓力時(shí)應(yīng)可靠地釋放的安全閥。

2.3　按閥瓣加載方式

（1）重錘式或杠桿重錘式安全閥

利用重錘直接加載或利用重錘通過(guò)杠桿加載的安全閥。

（2）彈簧式安全閥

利用壓縮彈簧加載的安全閥。（3）氣室式安全閥

利用壓縮空氣加載的安全閥。

3　安全閥泄放量計(jì)算要點(diǎn)

安全閥設(shè)計(jì)中，泄放量的計(jì)算是關(guān)鍵的一環(huán)，泄放量確定準(zhǔn)確與否，直接影響到安全閥最小泄放面積的準(zhǔn)確性，最終影響安全閥選型的準(zhǔn)確性。泄放量計(jì)算的核心要點(diǎn)在于區(qū)分不同的事故工況，然后再準(zhǔn)確計(jì)算泄放量。

事故工況主要有閥門(mén)誤關(guān)閉、循環(huán)水故障、電力故障、不凝氣的積累、控制閥故障、過(guò)度熱量輸入、易揮發(fā)物料進(jìn)入高溫系統(tǒng)、換熱器管破裂、化學(xué)反應(yīng)失控、外部火災(zāi)。通常在實(shí)際安全閥泄放量計(jì)算中，經(jīng)常存在多種可能事故工況，這時(shí)需要分別計(jì)算各種可能事故工況下的泄放量，然后取其中最大者核算安全閥最小泄放面積。

根據(jù)安全閥與容器有關(guān)的壓力關(guān)系，火災(zāi)用的安全閥最大泄放壓力為121%，大于非火災(zāi)用安全閥的最大泄放壓力，因此外部火災(zāi)工況的泄放量計(jì)算很重要。

3.1　濕潤(rùn)面積

而對(duì)于外部火災(zāi)工況泄放量計(jì)算中，首先要計(jì)算濕潤(rùn)面積。容器內(nèi)液面之下的面積統(tǒng)稱(chēng)為濕潤(rùn)面積。外部火焰?zhèn)魅氲臒崃客ㄟ^(guò)濕潤(rùn)面積使容器內(nèi)的物料氣化。不同型式設(shè)備的濕潤(rùn)面積計(jì)算如下：

⑴臥立式容器

距地面7.5m或距能形成大面積火焰的平臺(tái)之上7.5 m高度范圍內(nèi)的容器外表面積與最高正常液位以下的外表面積比較，取兩者中較小值。

①對(duì)于橢圓形封頭的設(shè)備全部外表面積為:

Ae——外表面積，m2；D0——設(shè)備直徑，m；L——設(shè)備總長(zhǎng)（包括封頭），m。

②氣體壓縮機(jī)出口的緩沖罐一般最多盛一半液體，濕潤(rùn)表面為容器總表面積的50%。

③分餾塔的濕潤(rùn)表面為塔底正常最高液位和7.5m高度內(nèi)塔盤(pán)上液體部分的表面積之和。

⑵球型容器

球型容器的濕潤(rùn)面積，應(yīng)取半球表面積或距地面7.5 m高度下表面積二者中的較大值。

濕潤(rùn)面積包括火災(zāi)影響范圍內(nèi)的管道外表面積。

3.2　容器外壁校正系數(shù)

容器壁外的設(shè)施可以阻礙火焰熱量傳至容器，用容器外壁校正系數(shù)(F)反映其對(duì)傳熱的影響。

⑴根據(jù)勞動(dòng)部頒發(fā)的《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(1991年1月1日施行)中規(guī)定：

①容器在地面上無(wú)保溫:F=1.0

②容器在地面下用砂土覆蓋:F=O.3

③容器頂部設(shè)有大于10L/(m2·min)水噴淋裝置:F=O.6

④容器在地面上有完好保溫,按式（4）計(jì)算。

⑵根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API-520:

①容器在地面上無(wú)保溫：F=1.0

②容器有水噴淋設(shè)施:F=1.0

③容器在地面上有良好保溫時(shí)，按式(2)計(jì)算:

λ——保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/(m·h·℃)；d0——保溫材料厚度，m；t——泄放溫度，℃。

④容器在地面之下和有砂土覆蓋的地上容器，(F)值按式(2)計(jì)算，將其中的保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)和厚度換成土壤或砂土相應(yīng)的數(shù)值。另外，保冷材料一般不耐燒，因此，保冷容器的外壁校正系數(shù)(F)為1.0。

3.3　安全泄放量

⑴根據(jù)勞動(dòng)部頒發(fā)的《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(1991年1月1日施行)中規(guī)定:

a.無(wú)保溫層

W——質(zhì)量泄放量，kg/h；Hl——泄放條件下氣化熱，kJ/kg；A——濕潤(rùn)面積，m2；F——容器外壁校正系數(shù)，取3.2(1)值。

b.有保溫層

⑵根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API-520中規(guī)定:對(duì)于有足夠的消防保護(hù)措施和有能及時(shí)排走地面上泄漏的物料措施時(shí)，容器的泄放量為:

否則采用式（6）計(jì)算：

式中符號(hào)同式（3），F(xiàn)取3.2（2）值。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，要注意采用《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和API-520是不同的規(guī)范，應(yīng)采用同一個(gè)規(guī)范來(lái)計(jì)算泄放量。

4　安全閥的配管

安全閥的配管的合理性是保障安全閥設(shè)置有效性的重要環(huán)節(jié)，如果安全閥進(jìn)出口的配管不合理，會(huì)影響到安全閥保護(hù)設(shè)備的有效性。

⑴安全閥的進(jìn)、出口管徑應(yīng)根據(jù)安全閥的最大排放量計(jì)算，安全閥應(yīng)盡量靠近被保護(hù)的設(shè)備或管線(xiàn)，并使安全閥的入口管線(xiàn)盡量短，以減少阻力降。

⑵根據(jù)裝置出口點(diǎn)的壓力界區(qū)條件，計(jì)算支管和總管的管徑。

⑶安全閥入口管線(xiàn)一般不設(shè)切斷閥，如果必須設(shè)置，則切斷閥應(yīng)是鉛封在開(kāi)啟狀態(tài)，而且不影響安全閥的操作，安全閥入口管道的管徑應(yīng)不小于安全閥的入口直徑，例如安全閥入口管道的管徑可設(shè)置成比安全閥的入口直徑大一級(jí)。

⑷安全閥出口管道一般不設(shè)置切斷閥，如果必須設(shè)置，切斷閥應(yīng)是鉛封在開(kāi)啟狀態(tài)，且安全閥出口管道的管徑不小于安全閥的出口直徑。

⑸安全閥旁通切斷閥應(yīng)是鉛封在關(guān)閉狀態(tài)，切斷閥應(yīng)是全通徑的閘閥或旋塞閥，其直徑和管道相同，閘閥的閥桿應(yīng)水平安裝或向下安裝。

⑹烴類(lèi)物料的安全閥出口管道設(shè)計(jì)溫度的確定。因烴類(lèi)物料在經(jīng)過(guò)安全閥減壓后會(huì)發(fā)生閃蒸并迅速冷卻，故應(yīng)計(jì)算安全閥出口物料閃蒸后的溫度，以確定安全閥出口管道的設(shè)計(jì)溫度。

5　安全閥與爆破片的聯(lián)合設(shè)置

在一些特殊的工況下，為了防止安全閥被堵塞，安全閥需要和爆破片聯(lián)合設(shè)置，通常在安全閥入口管道加設(shè)爆破片。比如PVC（聚氯乙烯）生產(chǎn)裝置中，單體儲(chǔ)槽的安全閥入口管道通常加設(shè)爆破片。

6　安全閥設(shè)計(jì)與壓力容器設(shè)計(jì)的銜接問(wèn)題

由于項(xiàng)目前期階段，計(jì)算出來(lái)的安全閥進(jìn)出口直徑往往不是最終的，最終的設(shè)備開(kāi)口應(yīng)該是根據(jù)安全閥廠家訂貨返回的安全閥入口直徑確定，而且壓力容器的管口改動(dòng)起來(lái)比較麻煩，如果前期階段就把壓力容器的安全閥口定死，如果后期安全閥最終訂貨后的入口直徑比壓力容器的安全閥開(kāi)口大，就會(huì)使設(shè)備專(zhuān)業(yè)陷入被動(dòng)；因此前期階段，壓力的安全閥口最好是暫定的，等安全閥訂貨返回后，最終確定壓力容器的安全閥口大?。ú恍∮诎踩y入口直徑），更新設(shè)備條件。

7　結(jié)語(yǔ)

總之，安全閥對(duì)于提高化工裝置的本質(zhì)性安全有重要作用，在安全閥設(shè)計(jì)過(guò)程中，要充分掌握安全閥工作原理以及安全閥類(lèi)型，認(rèn)真分析裝置存在的各種可能事故工況，根據(jù)各種不同事故工況和介質(zhì)性質(zhì)，準(zhǔn)確計(jì)算并選用合適的安全閥，并合理配管，保障設(shè)備或管道的安全。

參考文獻(xiàn)：

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