安全阀的基本工艺计算.docx
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安全阀的基本工艺计算
安全阀工艺计算
1各种事故工况下泄放量计算
1.1阀门误关闭
1.1.1出口阀门关闭，入口阀门未关闭时，泄放量为被关闭管道最大正常流量。
1.1.2管道两端切断阀关闭时，泄放量为被关闭液体膨胀量。
此类安全阀入口普通不不不大于DN25。
但对于大口径、长距离管道和物料为液化气管道，液体膨胀量按式（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热量计算，计算公式见式（1.1）。
1.1.4布满液体容器，进出口阀门所有关闭时，泄放量按正常工作输入热量计算。
按式（1.1）计算液体膨胀工况泄放量：
V=B·H／（Gl·Cp）（1.1）
式中：
V——体积泄放流量，m3／h；
B——体积膨胀系数，l／℃；
H——正常工作条件下最大传热量，kJ／h；
Gl——液相密度，kg／m3；
CP--定压比热，kJ／（kg℃）。
1.2循环水故障
1.2.1以循环水为冷媒塔顶冷凝器，当循环水发生故障（断水）时，塔顶设立安全阀泄放量为正常工作工况下进入冷凝器最大蒸汽量。
1.2.2以循环水为冷媒其他换热器，当循环水发生故障（断水）时，应仔细分析影响范畴，拟定泄放量。
1.3电力故障
1.3.1停止供电时，用电机驱动塔顶回流泵、塔侧线回流泵将停止转动，塔顶设立安全阀泄放量为该事故工况下进入塔顶冷凝器蒸汽量。
1.3.2塔顶冷凝器为不装百叶空冷器时，在停电状况下，塔顶设立安全阀泄放量为正常工作工况下，进入冷凝器最大蒸汽量15%。
1.3.3停止供电时，要仔细分析停电影响范畴，如泵、压缩机、风机、阀门驱
动机构等，以拟定足够泄放量。
1.4不凝气积累
1.4.1若塔顶冷凝器中有较多无法排放不凝气，则塔顶设立安全阀泄放量与1.2规定相似。
1.4.2其他积累不凝气场合，要分析其影响范畴，以拟定泄放量。
1.5控制阀故障
1.5.1安装在设备出口控制阀，发生故障时若处在全闭位置，则所设安全阀泄放量为流经此控制阀最大正常流量。
1.5.2安装在设备入口控制阀，发生故障时若处在全开位置时：
（1）对于气相管道，如果满足低压侧设计压力不大于高压侧设计压力2／3，则安全阀泄放量应按式（1.5）计算：
W=3171.3（CVl—CV2）Ph（Gg／T）1/2（1.5）
式中
W——质量泄放流量，k8／h；
CVl——控制阀Cv值，
CV2——控制阀最小流量下Cv值；
Ph——高压侧工作压力，MPa，
Gg---气相密度，kg／m3；
T——泄放温度，K。
如果高压侧物料有也许向低压侧传热，则必要考虑传热影响。
（2）对于液相管道，安全阀泄放量为控制阀最大通过量与正常流量之差，并且要预计高压侧物料有无闪蒸。
1.6过度热量输入
换热器热媒侧控制阀失灵全开、切断阀误开，设备加热夹套、加热盘管切断阀误开等工况下，以过度热量输入而引起气体蒸发量或液体膨胀量来计。
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，致使容器内压力迅速上升。
1.7.2由于此事故工况下泄放量无法拟定并且压力升高十分迅速，因此，安装安全阀是不适当，应设立爆破片。
1.7.3这种工况保护办法是保证避免发生此类事故。
1.8换热器管破裂
1.8.1如果换热器低压侧设计压力不大于高压侧设计压力2／3时，则应作为事故工况考虑。
1.8.2依照1.8.1条件，安全阀泄放量按式（1.8）计算出成果和高压侧正常流量比较，取两者较小值。
1.8.3换热器管破裂时泄放量
W=5.6·d2·（Gl×ΔP）1/2（1.8）
式中
W——质量泄放流量，kg／h；
d——管内径，mm；
Gl——液相密度，kg／m3；
ΔP——高压侧（管程）与低压侧（壳程）压差，MPa。
本公式合用于高压流体为液相。
1.9化学反映失控
1.9.1对于放热化学反映，如果温度、压力和流量等自动控制失灵／使化学反映失控，形成“飞温”，这时产生大量热量，使物料急剧大量蒸发，形成超压。
此类事故工况，安装安全阀无论在反映时间，还是在泄放速率方面均不能满足规定，应设立爆破片。
1.9.2如果专利所有者能提供精确化学反映动力学关联式，推算出事故工况下泄放量，则可以在专利所有者和建设方批准下设立安全阀。
1.10外部火灾
1.10.1本规定合用于盛有液体容器暴露在外部火灾之中。
1.10.2容器湿润面积（A）
容器内液面之下面积统称为湿润面积。
外部火焰传入热量通过湿润面积使容器内物料气化。
不同型式设备湿润面积计算如下：
（1）卧立式容器：
距地面7.5m或距能形成大面积火焰平台之上7.5m高度范畴内容器外表面积与最高正常液位如下外表面积比较，取两者中较小值。
a.对于椭圆形封头设备所有外表面积为：
Ae=πD0（L+0.3D0）（1.10—1）
Ae——外表面积，m2；
Do——设备直径，m；
L——设备总长（涉及封头），m。
b.气体压缩机出口缓冲罐普通最多盛一半液体，湿润表面为容器总表面积50%。
c.分馏塔湿润表面为塔底正常最高液位和7.5m高度内塔盘上液体某些表面积之和。
（2）球型容器：
球型容器湿润面积，应取半球表面积或距地面7.5m高度下表面积两者中较大值。
（3）湿润面积涉及火灾影响范畴内管道外表面积。
1.10.3容器外壁校正系数（F）
容器壁外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
对传热影响。
（1）依照劳动部颁发《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＝1.0
b.容器在地面下用砂土覆盖：
F＝0.3
c.容器顶部设有不不大于10l／（m2·min）水喷淋装置：
F=0.6
d．容器在地面上有完好保温，见式（1.10—4）。
（2）依照美国石油学会原则API—520：
a．容器在地面上无保温：
F＝1.0
b．容器有水喷淋设施：
F＝1.0
c．容器在地面上有良好保温时，按式（1.10—2）计算：
（1.10—2）
式中:
λ——保温材料导热系数，kJ／（m·h·℃）；
do——保温材料厚度，m；
t——泄放温度，℃。
d．容器在地面之下和有砂土覆盖地上容器，（F）值按式（1.10—2）计算，将其中保温材料导热系数和厚度换成土壤或砂土相应数值。
此外，保冷材料普通不耐烧，因而，保冷容器外壁校正系数（F）为1.0。
1.10.4安全泄放量
（1）依照劳动部颁发《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
（1.10—3）
式中：
W－泄放量，kg／h：
Hl－泄放条件下汽化热，kJ／kg：
A－润湿面积，m2；
F－容器外壁校正系数，取1.10.3
（1）中取值
b.有保温层
（1.10—4）
式中：
t－泄放温度，℃：
λ－保温材料导热系数；
d0－保温材料厚度，m。
（2）依照美国石油学会原则API－520中规定：
对于有足够消防保护办法和
有能及时排走地面上泄漏物料办法时，容器泄放量为：
（1.10—5）
否则，采用式（1.10—6）计算：
（1.10—5）
式中符号同式（1.10—3），F取1.10.3
（2）中取值。
2最小泄放面积计算
2.1计算最小泄放面积为物料流经安全阀时通过最小截面积。
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依照劳动部颁发《压力容器安全技术监察规程））（1991年1月113施行）中规定：
（1）对于气体、蒸汽在临界条件下最小泄放面积为：
（2.2—1）
式中:
a——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（C0）由制造厂提供。
若没有制造厂数据时，对于全启式安全阀C0=0.6～0.7；对于带调节圈微启式安全阀:
C0=0.4～0.5；对于不带调节圈微启式安全阀：
C0=0.25～0.35。
气体特性系数（X）见附表1。
气体压缩因子（Z）查附图2。
（2）依照计算最小泄放面积（a），计算安全阀喉径（d1）或阀座口径（D）
a．对于全启式安全阀
（2.2—2）
b.对于平面密封型微启式安全阀
（2.2—3）
c．对于锥面密封型微启式安全阀
（2.2—4）
式中:
d——安全阀喉径，mm
h——安全阀启动高度，mm
D——安全阀阀座口径，mm
—密封面半锥角，度。
2.3依照美国石油学会原则API—520中规定如下：
2.3.1临界条件判断
如果背压满足式（2.3—1），则为临界流动，否则为亚临界流动。
（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气体或蒸气在临界流动条件下最小泄放面积
（2.3—2）
式中
a——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一背压修正系数；
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，若没有制造厂数据，则取Co＝0.975。
系数（X）
式（2.3—3）计算或查附表1。
（2.3-3）
背压修正系数（Kb）仅用于波纹管背压平衡式安全阀（查附图1）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）查附图2所示。
某些物料绝热指数（k）见附表2，若没有k数据，则X＝315。
2.3.3气体或蒸气在亚临界条件下最小泄放面积
（1）式（2.3—4）合用于导阀式安全阀和弹簧设定期考虑了静背压影响弹簧式安全阀，在亚临界流动条件下最小泄放面积计算；
（2.3—4）
亚临界流动系数（Kf）查附图3。
流量系数（Co）值由制造厂提供，若没有制造厂数据时，Co＝0.975，其他符号同前。
（2）简便计算弹簧式安全阀在亚临界流动条件下最小泄放面积时，可先按临界流动条件下式（2.3—2）计算，再将计算成果除以按图附图4查得背压修正系数（Kb），即为亚临界条件下最小泄放面积。
（3）背压平衡式安全阀在亚临界流动时最小泄放面积按式（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
（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。
过热蒸汽过热系数（Ksh）查附表3，对于饱和蒸汽，Ksh＝1.0。
Napier系数（KN）按下述规定选用：
P≤10.44MPa时，KN＝1.0
10.44Mpa＜P≤22.17MPa时，KN＝
别的符号意义同前。
2.3.5液体
（2.3—6）
超压系数（Kp）查附图5所示。
背压修正系数（Kw），对弹簧式安全阀Kw=1.0；对于波纹管背压平衡式安全阀，Kw查附图6。
粘度修正系数（KV）查附图7。
流量系数（Co）对于按美国机械工程师协会ASME第Ⅷ某些第1分篇或国标GBl50—89设计容器上安装安全阀，Co＝0.65，
其他（如管道上）安装安全阀，Co＝0.62。
计算泄放压力（P）时所用超压，对于按ASME第Ⅷ某些第1分篇或国标GBl50—89设计容器，超压为10％，其他（如管道上）安装安全阀，超压为25％。
别的符号同前。
2.3.6两相流体
（1）气—液平衡态两相流体，流经阀体时某些液体要产生闪蒸，闪蒸现象会减少阀门质量流通能力。
泄放量计算办法如下：
a．拟定闪蒸量：
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闪蒸量，取小者。
b．用闪蒸气量和泄放时混合物中气量之和，依照背压状况及安全阀型式等，按照式（2.3—2）或（2.3—4）计算气相所需最小泄放面积。
c．依照式（2.3—6）计算液相所需最小泄放面积。
d．将b和c项计算成果相加，即为所需最小泄放面积。
（2）背压对安全阀上述计算过程有很大作用，因而：
a.应仔细计算泄放管道中两相流体压力降，
b．管道压力降产生，会使某些液体继续气化，
c．来自冷冻（如液化气排放）物料排放系统，在排放管道中有时会产生液滴和低温；
d．对于气相处在临界条件下泄放时，计算液相泄放量时背压取临界压力（Pcf）（见式2.3—1）。
3储存气体容器安全阀
3.1无湿润表面容器在外部火灾状况下，容器将在短时间内由于金属材料软
化而发生破坏。
设立安全阀将不能独立保护此类容器不受损坏，仅能在短时间内（金属软化之前）起作用。
因而要采用其他办法如外保温、水喷淋或自动／手动泄压系统（安装控制阀）。
3.2无湿润表面容器在外部火灾状况下泄放量
（3.2-1）
暴露面积（A1）为距地面或能形成大面积火焰平台上方7.5m如下容器外表面。
金属壁温（Tw）：
对于碳钢为593℃（866K）
泄放温度（T）依照抱负气体状态方程计算。
9．0．3最小泄放面积
（3.3-1）
泄放阀因子（
）按式（3.3－2）计算，
最小值为0.01。
如果
没有足够数据进行计算，则
取0.045。
（3.3—2）
上式中流量系数（Co）由制造厂提供。
若没有制造厂数据时，Co取0.975。
气体特性系数（X）查附表1。
上述各式其他符号同前。
4安全阀出口反力计算和反力数据表
4.1安全阀出口反力计算
物料泄放时，流体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；进而以力矩形式通过安全阀入口管道传至设备接管。
这个力和力矩与否对安全阀进出口管道和设备接管、法兰产生不良影响（如容器与否要补强等），需要进行详细计算后拟定。
作用力大小与物料泄放至大气还是泄放至密闭系统有很大关系。
4.1.1气相物料泄放至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、一种90o长半径弯头、一段垂直立管排入大气，如图4.1所示，作用力（f）按式（4.1—1）计算：
（4.1—1）
式中：
f——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）；
注：
管线支撑应尽量接近放空管中心线
图4.1－1出口反力示意图
k——绝热指数。
别的符号意义同前。
4.1.2气相物料泄放至密闭系统泄放至密闭系统稳态流动，在排出管中普通不会产生大作用力和力矩，仅计算管径突然扩大位置作用力。
如果需要计算泄放至密闭系统作用力，则应采用复杂非稳态分析办法，可从专门资料中查阅。
4.2液相物料泄放反力液体泄放时在安全阀出口中心线处水平反力（f）按式（4.2—2）计算：
（4.2—2）
式中:
f——泄放反力，N，
P——泄放压力，MPa；
a2——安全阀喉径面积，mm2。
4.3出口管道由于泄放时作用力、振动和自身自重、热胀冷缩等因素，应设支架支撑。
附表1：
气体特性系数表
k
X
k
X
k
X
k
X
1.01
1.02
1.03
1.04
1.05
1.06
1.07
1.08
1.09
1.10
1.1l
1.12
1.13
1.14
1.15
1.16
1.17
1.18
1.19
1.20
1.2l
1.22
1.23
1.24
1.25
1.26
1.27
1.28
1.29
1.30
317
318
319
320
321
322
323
325
326
327
328
329
330
33l
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
1.31
1.32
1.33
1.34
1.35
1.36
1.37
1.38
1.39
1.40
1.41
1.42
1.43
1.44
1.45
1.46
1.47
1.48
1.49
1.50
1.51
1.52
1.53
1.54
1.55
1.56
1.57
1.58
1.59
1.60
348
349
350
351
352
353
353
354
355
356
357
358
359
360
360
361
362
363
364
365
365
366
367
368
369
369
370
371
372
373
1.61
1.62
1.63
1.64
1.65
1.66
1.67
1.68
1.69
1.70
1.71
1.72
1.73
1.74
1.75
1.76
1.77
1.78
1.79
1.80
1.8l
1.82
1.83
1.84
1.85
1.86
1.87
1.88
1.89
1.90
373
374
375
376
376
377
378
379
379
380
38l
382
382
383
384
384
385
386
386
387
388
389
389
390
39l
39l
392
393
393
394
1.9l
1.92
1.93
1.94
1.95
1.96
1.97
1.98
1.99
2.00
395
395
396
397
397
398
398
399
400
400
附表2：
某些物料物性表
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
丙酮
乙炔
空气
氨
氩
苯
1，3一丁二烯
丁烷
异丁烷
二氧化碳
二硫化碳
一氧化碳
氯
环己烷
癸烷
乙烷
乙醇
氯乙烷
乙烯
氟利昂11
氟利昂12
氟利昂22
氟利昂114
氦
己烷
氯化氢
氢
硫化氢
煤油
甲烷
甲醇
丁烷
氯甲烷
天然气
硝酸
一氧化氮
氮
二氧化氮
壬烷
辛烷
氧
戊烷
丙烷
丙烯
水蒸汽
苯乙烯
二氧化硫
硫酸
甲苯
60.05
－
26.04
28.97
17.03
39，94
78.1l
54.09
58.土2
58.12
44.01
76.13
28.00
70.90
84.16
142.28
30.07
46.07
64.52
28.05
137.37
120.92
86.48
170.93
4.00
86.17
36.50
2.016
34.07
－
16.04
32.04
72.15
50.49
19
－
30.00
28.00
44.00
128.25
114.22
32.00
72.15
44.09
42.08
18.02
104.14
64.06
－
92.土3
2.071
－
0.898
1
0.587
1.381
2.89
1.922
2.007
2.007
工.53
2.628
0.967
2.45
2.905
4.91
1.05
1.59
2.22
0.997
4.742
4.174
2.985
5.90
0.138
2.97
1.27
0.070
1.19
－
0.555
1.11
2.49
1.742
0.656
－
L036
0.967
1.519
4.43
3.94
1.10
2.49
1.55
1.476
0.622
3.60
2.26
－
3.18
1.049
0.791
－
－
0.817
1.65
0.879
0.621
0.579
0.557
1.101
1.263
0.814
1.56
0.779
0.734
0.546
0.789
0.903
0.566
1.494
1.486
1.419
1.538
－
0.659
－
0.0709
－
0.815
0.415
0.792
0.625
0，952
－
1.502
1.269
1.026
1.226
0.718
0.707
1.426
0.631
0.585
0.609
1.00
0.906
1.434
1.834
0.866
5.78
4.72
6.24
3.76
11.28
4.9
4，92
4.33
3.8
3.65
7.39
7.9
3.5
7.7l
4.05
－
4.88
6.38
5.27
5.07
4.37
4.115
4.94
3.26
0.229
3.03
8.26
1.29
9.0
－
4.64
7.95
3.33
6，68
－
－
6.48
3.4
7，26
2.49
5.08
3.37
4.25
4.61
22.13
7.88
－
4.21
594.8
508.7
309
132
405.5
151
562
425
425.2
408.1
304
546
134
417
553
619
305.5
516
460
282.4
469
385
369
419
5.3
507.9
324
33.3
273.6
－
191.1
513
461
416
－
－
180
125.8
309.7
595.7
569.4
154.8
469.8
370
364.6
647
647
430
－
594
1.15
－
1.26
1.40
1.33
1.67
1.12
1.12
1.094
1.094
1.30
1.21
1.40
1.36
1.09
1.03
1.22
1.13
1.19
1.26
1.14
1.14
1.18
1.09
1.66
1.06
1.4l
1.41
1.32
－
1.31
1.20
1.08
1，20
1.27
－
1.40
1.40
1.30
1.04
1.05
1.40
1.07
1.13
1.15
1.324
1.07
1.29
－
1.09
附表3水蒸汽过热系数（Ksh）
温度
定压
饱和
温度
200
220
240
260
280
300
320
340
360
380
400
420
440
460
480
0.5MPa
1.0MPa
1.5MPa
1.005
0.978
0.977
0，996
0.981
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