安全阀的工艺设计计算

安全阀的工艺计算1 各种事故工况下泄放量的计算1.1 阀门误关闭1.1.1出口阀门关闭，入口阀门未关闭时，泄放量为被关闭的管道最大正常流量。1.1.2管道两端的切断阀关闭时，泄放量为被关闭液体的膨胀量。此类安全阀的入口一般不大于DN25。但对于大口径、长距离管道和物料为液化气的管道，液体膨胀量按式（1.1-1）计算。1.1.3换热器冷侧进出口阀门关闭时，泄放量按正常工作输入的热量计算，计算公式见式（1.1-1）1.1.4充满液体的容器，进出口阀门全部关闭时，泄放量按正常工作输入的热量计算。按式（1.1-1）计算液体膨胀工况的泄放量：V=BH/(GlCp)式中：V-体积泄放量流量，m3/h；B体积膨胀系统，l/；H正常工作条件下了大传热量，KJ/h；Gl液相密度，kg/m3；Cp定压比热，KJ/()。1.2 循环水故障1.2.1以循环水为冷媒的塔顶冷凝器，当循环发生故障（断水）时，塔顶设置的安全阀泄放量为正常工作工况下进入冷凝器的最大蒸汽量。1.2.2以循环水为冷媒的其它换热器，当循环水发生故障（断水）时，应仔细分析影响的范围，确定泄放量。1.3 电力故障1.3.1停止供电时，用电机驱动的塔顶回流泵、塔侧线回流泵将停止转动，塔顶设置的安全阀的泄放量为该事故工况进入塔顶器的蒸汽量。1.3.2塔顶冷凝器为不装百叶的空冷器时，在停电情况下，塔顶设置的安全阀的泄放量为正常工作工况下，进入冷凝器的最大蒸汽量的75%。1.3.3停止供电时，要仔细分析停电的影响范围，如泵、压缩机、风机、阀门的驱动机构等，以确定足够的泄放量。1.4 不凝气的积累1.4.1若塔顶冷凝器中有较多无法排放的不凝气，则塔顶设置的安全阀的泄放量与1.2规定。1.4.2其它积累不凝气的场合，要分析其影响范围，以确定泄放量。1.5 调节阀故障1.5.1安装在设备出口的调节阀，发生故障时若处于全闭位置，则所设安全阀的泄放量为流经此调节阀的最大正常流量。1.5.2安装在设备入口的调节阀，发生故障时若处于全开位置时：1）对于气相管道，如果满足低压侧的设计压力小于高压侧的设计压力的2/3，则安全阀的泄放量应按式（1.5-1）计算：W=3.171.3（Cv1-Cv2）Ph(Gg/T)1/2式中：W质量泄放量流量，kg/h；Cv1调节阀的Cv值；Cv2调节阀最小流量下的Cv值；Ph高压侧工作压力，MPa；Gg气相密度，kg/m3；T-泄放温度，K。如果高压侧物料有可能向低压侧传热，则必须考虑传热的影响。2）对于液相管道，安全阀的泄放量为调节阀最大通过量与正常流量之差，并且要估计高压侧物料有无闪蒸。1.6 过度热量输入 换热器热媒侧的调节阀失灵全开、切断阀误开，设备的加热夹套、加热盘管的切断阀误开等工况下，以过度热量的输入而引起的气体蒸发量或液体的膨胀量来计。1.7 易挥发物料进入高温系统1.7.1轻烃误入热油以及水误入热油等工况下，由于产生大量蒸汽，致使容器内的压力迅速上升。1.7.2由于此事故工况下的泄放量无法确定而且压力升高十分迅速，所以，安装安全阀是不合适的，应设置爆破片。1.8 换热器管破裂1.8.1如果换热器低压侧的设计压力小于高压侧的设计压力的2/3时，则应作为事故工况考虑。1.8.2根据1.8.1的条件，安全阀的泄放量按式（1.8-1）计算出的结果和高压侧正常流量比较，取二者的较小值。1.8.3热热器管破裂时的泄放量W=5.6d2(GlP)1/2式中：W质量泄放流量，kg/h；d管内径，mm；Gl液相密度，kg/m3；P高压侧（管程）与低压侧（壳程）的压差，MPa。本公式适用于高压流体为液相。1.9 化学反应失控1.9.1对于放热的化学反应，如果温度、压力和流量等自动控制失灵，使化学反应失控，形成“飞温”，这时产生大量的热量，使物料急剧大量蒸发，形成超压。这类事故工况，安装安全阀无论在反应时间，还是在泄放速率方面均不能满足要求，应设置爆破片。1.9.2如果专利所有者能提供准确的化学反应动力学关联式，推算出事故工况下的泄放量，则可以在专利所有者和建设方的同意下设置安全阀。1.10 外部火灾1.10.1本规定适用于盛有液体的容器暴露在外部火灾之中。1.10.2容器的湿润面积（A） 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：1）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7.5m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。a)对于椭圆形封头的设备全部外表面积为：Ae=Do(L+0.3Do)Ae外表面积，m2；Do设备直径，m；L设备总长（包括封头），m。b)气体压缩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%。C）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。2）球型容器：球型容器的湿润面积，应取半球表面积或距地面7.5m高度下表面积二者中的较大值。3）湿润面积包括火灾影响范围内的管道外表面积。1.10.3容器外壁校正系数（F）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。1）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）容器在地面上无保温：F=1.0b）容器在地面下用砂土覆盖：F=0.3c）容器顶部设有大于10l/（m2min）水喷淋装置：F=0.6d)容器在地面上有完好保温，见式（1.10-4）。2）根据美国石油学会标准API-520：a）容器在地面上无保温：F=1.0b）容器有水喷淋设施：F=1.0c）容器在地面上有良好保温时，按式（1.10-2）计算：F=4.2式中：保温材料的导热系数，kJ/(mh)；do保温材料厚度，mt泄放温度，。d）容器在地面之下和有砂土覆盖的地上容器，(F)值按式（1.10-2）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。1.10.4安全泄放量1）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=式中：W质量泄放量，kg/h； Hl泄放条件下的汽化热。kJ/kg； A润湿面积，m2； F容器外壁校正系数，取1.10.3（1）中的取值。b）有保温层W=式中：t泄放温度，；保温材料的导热系数，kJ/(mh)；do保温材料的厚度，m。1） 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：W=否则，采用式（1.10-6）计算：W=式中符号同式（1.10-3），F取1.10.3（2）中的取值。2 最小泄放面积的计算2.1 计算的最小泄放面积为物料流经安全阀时通过的最小截面积。对于全启式安全阀为喉径截面积，对于微启式安全阀为环隙面积。2.2 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：2.2.1对于气体、蒸汽在临界条件下的最小泄放面积为：=13.16式中：最小泄放面积，mm2；W质量泄放流量，kg/h；X气体特性系数；P泄放压力，MPa；Z气体压缩因子；T泄放温度，K；M分子量。流量系数（Co）由制造厂提供。若没有制造厂的数据时，对于全启式安全阀：Co=0.60.7；对于带调节圈的微启式安全阀：Co=0.40.5；对于不带调节圈的微启式安全阀：Co=0.250.35。气体特性系数（X）见附录1。气体压缩因子（Z）查附录6。2.2.2根据计算的最小泄放面积（），计算安全阀喉径（d1）或阀座口径（D）1）对于全启式安全阀= (2.2-2)2）对于平面密封型微启式安全阀= (2.2-3)3)对于锥面密封型微启式安全阀=Dhsin (2.2-4)式中：d全安阀喉径，mm； h安全阀开启高度，mm; D安全阀的阀座口径，mm； 密封面的半锥角，度。2.3 根据美国石油学会标准API-520中的规定如下：2.3.1临界条件的判断 如果背压满足式（2.3-1），则为临界流动，否则为亚临界流动。PbPcf=P （2.3-1）式中：Pb背压，MPa；Pcf临界流动压力，MPa；P泄放压力，MPa；k绝热指数。2.3.2气体或蒸汽在临界流动条件下的最小泄放面积 = (2.3-2)式中：最小泄放面积，mm2；W质量泄放流量，kg/h;Co流量系数；X气体特性系数；P泄放压力，MPa；Kb背压修正系数；T泄放温度，K；Z气体压缩因子；M分子量。流量系数（Co）由制造厂提供，若没有制造厂的数据，则取Co=0.975。系数(X)式（2.3-3）计算或查附录1。X=520 (2.3-3)背压修正系数（Kb）仅用于波纹管背压平衡式安全阀（查附录5）临界流动条件下，对于弹簧式安全阀Kb=1.0。 气体压缩因子（Z）查附录6所示。 部分物料的绝热指数（k）见附录2，若没有k的数据，则X=315。2.3.3气体或蒸气在亚临界条件下的最小泄放面积1）式（2.3-4）适用于导阀式安全阀和弹簧设定时考虑了静背压的影响的弹簧式安全阀，在亚临界流动条件下的最小泄放面积的计算：=1.810-2 (2.3-4)亚临界流动系数（Kf）查附录7。流量系数（Co）值由制造厂提供，若没有制造厂数据时，Co=0.975，其它符合同前。2）简便计算弹簧式安全阀在亚临界流动条件下的最小泄放面积时，可先按临界流动条件下的式（2.3-2）计算，再将计算结果除以按附录8查得的背压修正系数（Kb），即为亚临界条件下的最小泄放面积。3）背压平衡式安全阀在亚临界流动时的最小泄放面积按式（2.3-2）计算，但背压修正系数（Kb）应由制造厂提供。2.3.4水蒸汽=0.19 (2.3-5)流量系数（Co）值由制造厂提供。若无制造厂数据时，Co=0.975。水蒸汽过热系数（Ksh）查附录3，对于饱和蒸汽，Ksh=1.0。Napier系数（KN）按下述要求选取：P10.44MPa时，KN=1.010.44MPaP22.17MPa时，KN=其余符号意义同前。2.3.5液体=0.19 (2.3-6)超压修正系数（KP）查附录9所示。背压修正系数（KW）,对弹簧式安全阀=1.0；对于波纹管背压平衡式安全阀，KW查附录10。粘度修正系数（KV）查附录11。流量系数（Co）对于按美国机械工程师协会ASME第部分第1分篇或国标GB150-89设计的容器上安装的安全阀，Co=0.65，其它（如管道上）安装的安全阀，Co=0.62。计算泄放压力（P）时所用的超压，对于按ASME第部分第1分篇或国标GB150-89设计的容器，超压为10%，其它（如管道上）安装的安全阀，超压为25%。其余符号同前。2.3.6两相流体1）气-液平衡态的两相流体，流经阀体时部分液体要产生闪蒸，闪蒸现象会降低阀门的质量流通能力。泄放量的计算方法如下： a）确定闪蒸量：分别计算液相自泄放压力经绝热过程至临界压力下和至背压下的闪蒸里量，取小者。 b）用闪蒸的气量和泄放时混合物中的气量之和，根据背压情况及安全阀的型式等，按照式（2.3-2）或（2.3-4）计算气相所需的最小泄放面积。 c）根据式（2.3-6）计算液相所需的最小泄放面积。 d）将b）和c）项的计算结果相加，即为所需的最小泄放面积。2）背压对安全阀的上述计算过程有很大的作用，因此： a）应仔细计算泄放管道中两相流体的压力降； b）管道压力降的产生，会使部分液体继续气化； c）来自冷冻（如液化气的排放）的物料排放系统，在排放管道中有时会产生液滴和低温； d）对于气相处于临界条件下泄放时，计算液相泄放量时背压到临界压力（Pcf）(见式2.3-1)3 储存气体容器的安全阀3.1 无湿润表面的容器在外部火灾情况下，容器将在短时间内由于金属材料的软化而发生破坏。设置安全阀将不能独立保护这类容器不受损坏，仅能短时间内（金属软化之前）起作用。因此要采取其它的办法如外保温、水喷淋或自动/手动泄压系统（安装控制阀）。3.2 无湿润表面的容器在外部火灾情况下的泄放量W=8.764 (3.2-1) 暴露面积（A1）为距地面或形成大面积火焰的平台上方7.5m以下的容器外表面。 金属壁温（TW）：对于碳钢为593（866K）。 泄放温度（T）根据理想气体状态方程计算。3.3 最小泄放面积=576.7 (3.3-1) 泄放阀因子（F）按式（3.3-2）计算，F的最小值为0.01。如果F没有足够的数据进行计算，则F取0.045。F= (3.3-2) 上式中流量系数（Co）由制造厂提供。若没有制造厂的数据时，Co取0.975。气体特性系数（X）查附录1。 上述各式的其它符号同前。2 安全阀出口反力的计算4.1 安全阀出口反力的计算 物料泄放时，流体的流动会对排放管道产生一作用力，并通过排出管道传至安全阀，进而以力矩的形式通过安全阀入口管道传至设备接管。这个力和力矩是否对安全阀的进出口管道和设备的接管、法兰产生不良影响（如容器是否要补强等），需要进行详细的计算后确定。 作用力的大小与物料泄放至大气还是泄放到密闭系统有很大关系。4.1.1气相物料泄放大气 对于可压缩流体（气体或蒸汽）临界稳态流动，且物料流经安全阀后经一段水平管、一个90长半径弯头、一段垂直立管排入大气，如图4.1-1所示，作用力（f）按式（4.1-1）计算：= 1.0210-6W (4.1-1)式中：泄放反力，N；Ao泄放管出口截面积，mm2；P2泄放管出口静压力，MPa（表）；k绝热指数。其余符号意义同前。4.1.2气相物料泄放至密闭系统 泄放至密闭系统的稳态流动，在排出管中一般不会产生大的作用力和力矩，仅计算管径突然扩大位置的作用力。如果需要计算泄放至密闭系统的作用力，则应采用复杂的非稳态分析方法，可从专门资料中查阅。4.1.3液相物料的泄放反力 液体泄放时在安全阀出口中心线处的水平反力（f）按式（4.1-2）计算：=0.694P (4.1-2)式中： 泄放反力，N； P泄放压力，MPa； -安全阀喉径面积，mm2(喉径代号与喉径截面关系，见附录4)。4.2 出口管道由于泄放时的作用力、振动和自重、热胀冷缩等原因，应设支架支撑。5 附录 附录1 气体特性系数表 附录2 部分物料的物性表 附录3 水蒸汽过热系数（Ksh） 附录4 喉径代号与喉径截面积关系表 附录5 波纹管背压平衡式安全阀的背压修正系数（Kb）图 附录6 气体压缩因子（Z）值图 附录7 亚临界流动系数（Z）值图 附录8 弹簧式安全阀背压修正系数（Kb）图 附录9 液体超压修正系数（Kp）图 附录10 波纹管背压平衡式安全阀超压25%时的背压修正系数（KW）（液体用）图 附录11 液体粘度修正系数（KV）图附录1气体特性系数表 PS301(T01)kXkXkXkX1.013171.313481.613731.913951.023181.323491.623741.923951.033191.333501.633751.933961.043201.343511.643761.943971.053211.353521.653761.953971.063221.363531.663771.963981.073231.373531.673781.973981.083251.383541.683791.983991.093261.393551.693791.994001.103271.403561.703802.004001.113281.413571.713811.123291.423581.723821.133301.433591.733821.143311.443601.743831.153321.453601.753841.163331.463611.763841.173341.473621.773851.183351.483631.783861.193361.493641.793861.203371.503651.803871.213381.513651.813881.223391.523661.823891.233401.533671.833891.243411.543681.843901.253421.553691.853911.263431.563691.863911.273441.573701.873921.283451.583711.883931.293461.593721.893931.303471.603731.90394附录2部分物料的物性表表PS301(T02)物料分子量比 重临界压力MPa临界温度K 绝热指数气相液相醋酸60.052.0711.0495.78594.81.15丙酮#NAME?-0.7914.72508.7-乙炔26.040.898-6.243091.26空气28.971-3.761321.4氨17.030.5870.81711.28405.51.33氩39.941.3811.654.91511.67苯78.112.890.8794.925621.121,3-丁二烯54.091.9220.6214.334251.12丁烷58.122.0070.5793.8425.21.094异丁烷58.122.0070.5573.65408.11.094二氧化碳44.011.531.1017.393041.30二硫化碳76.132.6281.2637.95461.21一氧化碳280.9670.8143.51341.40氯70.92.451.567.714171.36环己烷84.162.9050.7794.055531.09癸烷142.284.910.734-6191.03乙烷30.071.050.5464.88305.51.22乙醇46.071.590.7896.385161.13氯乙烷64.522.220.9035.274601.19乙烯28.050.9970.5665.07282.41.26氟得昂11137.374.7421.4944.374691.14氟得昂12120.924.1741.4864.1153851.14氟得昂2286.482.9851.4194.943691.18氟得昂114170.935.91.5383.264191.09物料分子量比 重临界压力MPa临界温度K绝热指数气相液相氦4.000.14-0.235.301.66己烷86.172.970.663.03507.901.06氯化氢36.501.27-8.263241.41氢2.020.0700.07091.2933.31.41硫化氢34.071.19-9.0273.61.32煤油-0.815-甲烷16.040.560.4154.64191.11.31甲醇32.041.110.7927.955131.20丁烷72.152.490.633.334611.08氯甲烷50.491.740.956.684161.20天然气19.000.66-1.27硝酸-1.50-一氧化氮30.001.0361.2696.481801.40氮28.000.961.0263.40125.81.40二氧化氮441.5191.2267.26309.71.30壬烷128.254.430.718-595.71.04辛烷114.223.940.7072.49569.41.05氧32.001.101.4265.08154.81.40戊烷72.152.490.6313.37469.81.07丙烷44.091.550.5854.253701.13丙烯42.081.550.5854.253701.13水蒸汽18.020.6221.0022.136471.324苯乙烯104.143.600.906-6471.07二氧化硫64.062.261.4347.884301.29硫酸-1.834-甲苯92.133.180.8664.215941.09 附录3 水蒸汽过热系数（Ksh）PS301(T03)温度设定 （）压力（MPa）饱和温度2002202402602803003203403603804004204404604800.51.0050.9960.9720.9510.9310.9130.8960.8790.8640.8490.8350.8221.00.9780.9810.9830.9600.9380.9190.9010.8840.8680.8530.8380.8251.50.9770.9760.9700.9720.9470.9250.9060.8880.8720.8560.8410.8282.00.9720.9670.9640.9550.9320.9120.8930.8760.8600.8450.8300.8170.8040.7920.7802.50.9690.9610.9610.9370.9180.8980.8800.8630.8480.8330.8190.8060.7930.7823.00.9670.9620.9570.9490.9240.9030.8850.8670.8510.8360.8220.8080.7950.7834.00.9650.9580.9540.9340.9150.8940.8750.8570.8410.8260.8130.7990.7875.00.9660.9550.9530.9270.9040.8840.8840.8480.8320.8170.8030.7906.00.9680.9620.9580.9410.9110.8910.8910.8540.8380.8220.8080.7847.00.9710.9670.9540.9240.9010.9010.8610.8440.8270.8120.7988.00.9750.9560.9370.9120.9120.8680.8500.8330.8170.8029.00.9800.9620.9570.9260.9260.8760.8560.8380.8220.80710.00.9860.9710.9610.9360.9360.8830.8630.8440.8270.811附录4喉径代号与喉径截面积关系表喉径代号喉径截面积mm2in2D710.110E1260.196F1980.307G3240.503H5060.785J8301.287K11851.838L18402.853M23223.60N28004.34P41166.38Q719211.05R1033216.0T1677426.0 PS301(T04)注：此表系根据API-526标准，表明安全阀的标准喉径截面积与喉径代号的关系。附录5波纹管背压平衡式安全阀的背压修正系数（Kb）图(用于气体或蒸汽) Kb=（有背压时的泄放量）/（无背压时的泄放量）注：背压修正系数Kb应由制造厂提供。若没有制造厂的数据时，可参考本图。本曲线适用于设定压力大于0.34MPa（表）的临界流动，在适用范围之外的，应选用制造厂提供的Kb值。附表6气体压缩因子（Z）值图附录7亚临界流动系数（K）图