安全阀选型规定.docx

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安全阀选型规定

1.概述

1.1安全阀的功能

安全阀是靠入口介质静压驱动，在出现工况不正常或事故时开启，排出一定数量介质，以防止被保护设备或系统内的压力超过预定的安全值。

当压力恢复接近正常后，安全阀自行关闭，阻止介质继续流出。

1.2安全阀分类可按以下三种方法分类:

1.2.1按国家标准《安全阀的一般要求，GB12241-89》分类

A、直接荷载式

一种直接用机械载荷加重锤、弹簧等克服阀瓣下介质压力所产生作用力的安全阀；

B、带动力辅助装置式

系一专用安全阀类型，在阀杆处加一个动力辅助装置，如果需要，可在低于正常开启压力下开启，不适用于炼厂；

C、带补充载荷式

该安全阀系一专用类型，在阀杆处加一向下外力，在达到开启压力前，始终保持有一增强密封的附加力，不适用于炼厂；

D、先导式

先导式是由一个导阀排出的介质来控制主阀开启的安全阀，有活塞式和隔膜式两种基本类型。

活塞式由装浮动活塞的主阀和一个导阀构成，活塞的顶部有效面积大于底部有效面积。

当主阀关闭时，底部承受系统的压力，其顶部有一气室，通过导管与入口系统相通，顶部同样受系统的压力。

由于顶部面积较底部大，因而主阀被紧紧地压在阀座上。

系统压力升高到定压时，导阀开启，将顶部气室介质排出，压力降低，当主阀底部压力能克服顶部压力时，主阀开启，工艺介质流过主阀排至泄压系统或大气。

系统压力降低到接近正常操作压力时，导阀关闭，气室压力上升，从而关闭主阀。

膈膜式与活塞式的机能相似，只是活塞用柔性隔膜和阀盘组成的整体所取代。

在定压下，隔膜顶部放空，主阀开启，压力恢复到接近正常状态时，隔膜重新充压，主阀关闭。

先导式安全阀可用于各种工况，但由于其价格过高，一般宜用于背压超过30%定

压和腐蚀性介质或易堵塞阀孔的介质等工况。

1.2.2按阀片开启高分类

A、全启式

h≥1/4do

h—开启高度，cm;

do—喷嘴直径，cm。

全启式安全阀泄放量大，在相同的泄放面积条件下，全启式的泄放量为微启式泄放量的许多倍。

由于全启式与微启式的性能不同，按全启式方法计算出的泄放面积不可用相同的微启式泄放面积代用。

全启式安全阀一般用于排放介质为气体的条件下，当到达开启压力时瞬时全启。

B、微启式

1/4do>h≥1/40do

微启式安全阀一般用于排放介质为液体的条件下，当到达开启压力时，开始开启，并随压力的升高而继续开大。

介质为气体时，一般选用全启式。

介质为液体时，可以选用微启式，也可选用全启式。

介质为液体选用全启式安全阀时，它的动作性能则变为微启式，其喷嘴内径应按微启式计算（见式4-1-3B）。

1.2.3按结构不同分类

A、封闭和不封闭弹簧式

易燃易爆和有毒介质应选用封闭式，蒸汽、空气和惰性气体可选用不封闭式；

B、带扳手和不带扳手

扳手的作用主要是检查阀瓣的灵活程度，有时也可用作紧急泄压；

C、带散热片和不带散热片

介质温度大于300℃时应选用带散热片式；

D、平衡式和非平衡式

普通型安全阀一般为非平衡式，其弹簧校正压力受背压影响，即弹簧压力应校正为定压Ps减去背压P2之值。

平衡式有两种基本类型——活塞式和波纹管式，国内生产波纹管式。

波纹管能防止背压变化所产生的不平衡力，因而弹簧力所平衡的压力值即为定压值。

波纹管还能将导向套、弹簧和其它顶部工作部件与通过的介质隔开。

1.2.4按平衡内压的方式分为弹簧式、杠杆式和先导式。

1.3安全阀结构

安全阀的典型结构见下面图1-3-1～7

图1-3-1弹簧封闭全启式

图1-3-2弹簧封闭带扳手全启式

图1-3-3弹簧封闭微启式

图1-3-4弹簧封闭带扳手微启式

图1-3-5波纹管式

图1-3-6先导式（I）

图1-3-7先导式（II）

图1-3-1弹簧封闭全启式安全阀图1-3-2弹簧封闭带扳手全启式安全阀

1-保护罩；2-调整螺杆；3-阀杆；4-弹簧注：

各部件名称同图1-3-1

5-阀盖；6-导向套；7、阀瓣；8-反冲盘；

9-调节阀；10-阀体；11-阀座

图1-3-3弹簧封闭微启式安全阀图1-3-4弹簧封闭带扳手微启式安全阀

1-保护罩；2-调整螺杆；3-阀杆；4-弹簧注：

图中各部件名称同图1-3-3

5-阀盖；6-导向套；7、阀瓣；8-衬套；

9-调节阀；10-阀体

图1-3-5波纹管安全阀图1-3-6先导式安全阀（I）

图1-3-7先导式安全阀（II）

1.4操作参数

1.4.1最高操作压力P（表）设备运行期间可能达到的最高压力，一般应按不同工艺过程确定。

1.4.2设备设计压力PD（表）在一般条件下，设备的设计压力应按下列要求确定：

当P≤1.8MPa（表）时，PD=P+0.18

当1.8

当4

当P>8MPa（表）时，PD=1.05P

1.4.3安全阀定压Ps（表）系安全阀开启压力，定压Ps必需等于或稍小于设备的设计压力PD（表）。

1.4.4积聚压力Pa（表）安全阀排放介质过程中，允许压力增加超过设备的设计压力的数值，可按表1-4-1选取

表1-4-1定压和积聚压极限

单阀

多阀

项目

定压，%*

积大积聚压，%*

定压，%*

最大积聚压，%*

非着火：

第一阀

100

10

100

16

另一个或多个阀

-

-

105

16

着火：

第一个阀

100

20

100

20

另一个或多个阀

-

-

105

20

辅助阀

-

-

110

20

*对设计压力的百分数。

1.4.5容许过压Ph（表）容许压力增加超过定压的数值，如果定压等于设计压力，则过压等于积聚压。

如果定压小于设计压力，过压为积聚压力+设计压力与定压的差值，即：

Ph=Pa+PD-Ps

1.4.6最高泄放压力Pm（绝）安全阀达到最大泄放能力时的压力，即定压加上容过压+0.1。

当定压等于设计压力时

Pm=Ps+Pa+0.1=PD+Pa+0.1

当定压小于设计压力时

Pm=Ps+Ph+0.1=PD+Pa+0.1

式中Ps、Pa、Ph—定压、积聚压力、过压，MPa（表）

Pm—最高泄放压力，MPa（绝）

1.4.7背压P2（安全阀出口压力）

背压是由于排放系统有压力而存在于安全阀出口的压力，它是迭加背压和积聚背压的总和，积聚背压是在安全阀开启后，由于介质流动所增加的压力，迭加背压是在安全阀开启后存在于其出口的静压，它是由其它原因在排放系统中产生的压力。

1.4.8回座压力

它是安全阀的定压与关闭压力的差值，以定压的百分数或压力单位表示。

回座压力必须小于定压并大于操作压力。

1.4.9安全阀的压力等级关系（即容器设计压力，安全阀容许积聚压、定压、过压）见图1-4-1。

图1-4-1安全阀的压力等级关系

注：

1、与ASME锅炉压力容器规程和《压力容器安全技术监察规程，1990》

基本一致；

2、所示压力条件是安装在容器的安全阀条件；

3、操作压力可高于或低于90%；

4、回座和压差应参照ASME规程有关章节。

1.4.10确定单阀、多阀泄放压力示例见表1-4-2。

表1-4-2确定单阀、多阀泄放压力示例（操作事故）

项目

数值

单阀

多阀

容器设计压力，MPa（表）（多阀的第一个阀）

10

10

最大积聚压,MPa（表）

1

1.6

阀定压,MPa（表）

9

10

容许过压,MPa

2

1.6

泄放压力,MPa（绝）

11.1

11.7

容器设计压力，MPa（多阀的第一个阀）

10

10

最大积聚压,MPa

1

1.6

阀定压,MPa

10

10.5

容许过压,MPa

1

1.1

泄放压力,MPa

11.1

11.7

1.4.11温度按工艺操作温度考虑。

2安全阀设置原则

2.1属于下列情况之一的容器和设备必须设置安全阀（或爆破片）。

2.1.1在生产过程中，由于火灾、物料的化学反应、动力故障或操作故障等原因，可能导致容器或设备的内压超过设计压力；

2.1.2顶部操作压力大于0.07MPa的压力容器；

2.1.3顶部操作压力大于0.03MPa的蒸馏塔、蒸发塔和汽提塔（汽提塔顶部蒸汽通入另一蒸馏塔者除外）；

2.1.4往复式压缩机各段出口或电动往复丞、齿轮泵、螺杆泵等容积式泵的出口（本身已有安全阀者除外）；

2.1.5凡与鼓风机、离心式压缩机、离心泵或蒸汽往复泵出口连接的设备不能承受其最高压力时，上述机泵的出口阀后；

2.1.6可燃的气体或液体受热膨胀可能超过设计压力的设备；

2.1.7由几个容器组成的一个压力系统但中间设有隔断阀时，应视为几个独立的容器，每个容器均应按上述要求设置安全阀。

2.1.8减压阀后，且减压阀后的设备或管道不能承受减压阀前的压力时。

2.2属于下列情况之一的容器或设备不需设置安全阀。

2.2.1加热炉炉管；

2.2.2离心泵出口（连接的设备不能承受其最高出口压力者除外）；

2.2.3对于设计压力不低于压力来源，且不因介质化学反应或受热而使其压力超高的容器；

2.2.4由几个容器组成的一个压力系统且中间不设隔断阀时，可只按一个压力系统考虑，如在前端设置安全阀，后面的容器可不设安全阀。

2.3有可能被介质堵塞或腐蚀的安全阀，应在其入口前设爆破片或在其出入口管道上采取吹扫、加热或保温等防堵措施。

2.4有突然超压或发生瞬时分解爆炸危险介质的反应设备，如安全阀不能满足要求时，应设置爆破片或爆破片和导管。

2.5因介质爆聚、分解造成超温超压可能引起爆炸的反应设备，应设报警信号和泄压排放设施，以及自动或手动遥控的紧急切断进料的设施。

3泄放量的确定

在计算安全阀时，应先确定工艺所要求的泄放量。

导致设备超压的原因：

一是操作故障，二是火灾。

确定安全阀的泄放量时，应根据工艺过程的具体情况并按可能发生危险情况中的最大一种考虑，但不应机械地将各种不利情况考虑在同一时间发生。

3.1操作故障时的泄放量

在一般情况下，可参考表3-1-1所列基准确定，此表取自APIRP520（第五版，1990）。

如果掌握同类装置的最大实际泄放量，则可按该值确定泄放量。

表3-1-1几种选定条件泄放量基准

序号

条件

液体泄放

气体泄放

1

容器出口关闭

最大液体进入量

进入的蒸气和水蒸汽总量，加泄放条件下产生的蒸气量

2

冷凝器供水中断

--

在泄放条件下，冷凝器的总凝汽量

3

塔顶回流中断

--

进入的蒸气和水蒸汽总量，加泄放条件下产生的蒸气量，减侧线回流冷凝的蒸气量

4

侧线回流中断

--

进入和离开该侧线部位的蒸气差值

5

吸收塔贫油中断

--

通常不用

6

不凝气积聚

--

在塔中与序号2的结果相同，在其它容器内，与序号1的结果相同

7

高挥发性物质进入：

水进入热油中

轻质烃进入热油中

--

对于塔，通常难以预见

对于换热器，采用两倍于一根管子截面积破裂导致挥发性物质进入时所产生的蒸气量

8

储罐或缓冲罐溢出

最大液体进入量

--

9

自动控制故障

必须逐个对各种情况做分析

10

不正常的热量或

蒸汽输入

--

估计最大蒸气产生量，包括过热产生的不凝气

11

换热器管子破裂

--

从两倍于一根管子的截面积进入蒸气或水蒸汽，与序号7的结果相同

12

内部爆炸

--

用常规泄压装置不能控制，但应避免对外界影响

13

化学反应

--

按正常和失控两种条件估计的蒸气产量

续上表

序号

条件

液体泄放

气体泄放

14

液体水力膨胀

见3.3

15

外部明火

见3.5

16

动力中断（水蒸汽、电源、或其它）

要研究装置以确定动力中断的影响，按可能发生的最坏情况确定泄放量

分馏塔

--

所有泵都有可能停运，回流液和冷却水中断

反应器

--

要考虑搅拌或搅动；急冷和抑制；液流中断；按反应失控产生的蒸汽量考虑

空冷器

--

风扇失灵，按正常和事故负荷之差确定泄放量

缓冲罐

进入的最大液体量

--

表3-1-1与中石化总公司标准《炼油装置工艺设计技术规定SHJ1076-86》表7.1.2基本相同。

3.2换热器管破裂时，安全阀泄放量可按式3-2-1～式3-2-2计算。

介质为气相时

Gv=246.3×104×

（△P·ρv）0.5（3-2-1）

介质为液相时

GL=16.8×104×

（△P/ργ）0.5（3-2-2）

式中：

Gv—气体泄放量，kg/h;

GL—液体泄放量，m3/h;

di—换热器管内径，m;

△P—高低压侧压力差，MPa;

ρv—气体密度，kg/m3；

ργ—液体相对密度。

3.3液体膨胀

充满液体的容器或长管道由于液体膨胀而要求的泄放量，可按式3-3-1计算：

（3-3-1）

式中：

Q—传入热量，W；

Cp—液体比热，KJ/kg·℃；

ω—液体每升高1℃体积膨胀系数，见表3-3-1；

其它符号意义同前。

表3-3-1各种烃液体和水在15.6℃下的膨胀系数ω

液体名称

膨胀系数ω

°API

ρ

3～34.9

1.052～0.8504

0.00072

35～50.9

0.8498～0.7758

0.0009

51～63.9

0.7753～0.7242

0.00108

64～78.9

0.7238～0.6725

0.00126

79～88.9

0.6722～0.6420

0.00144

89～93.9

0.6417～0.6279

0.00153

94～100

0.6275～0.6112

0.00162

水

0.00018

3.4气体储罐等压力容器的安全泄放量，按式3-4-1计算：

Gv=2.83×10-3ρv·V·

（3-4-1）

式中：

Gv—安全泄放量，kg/h;

ρv—泄放条件下气体密度，kg/m3；

di—容器进口管内径，mm;

V—容器进口管内流速，m/s。

3.5火灾条件下容器的安全泄放量

由于容器内液体润湿的表面积，在受到火焰辐射时全产生蒸气。

为了确定蒸气产生量，先要确定受火焰源辐射影响的润湿表面积，一般系指等于或低于火焰源7.5m的那部分容器表面积。

而火焰源是指地面火源，但也可能是受到大量火点的任何标高位置，应根据具体情况确定。

容器的安全泄放量可按式3-5-1～3-5-3计算。

3.5.1介质为易燃液化气体或装在有可能发生火灾的环境下工作时的非易燃液化气体：

A、对无绝热材料保温层的压力容器

（3-5-1）

式中Gv—安全泄放量，kg/h;

F—系数，容器设在地面下用砂土覆盖时，取F=0.3；容器在地面上时，取F=1；

容器设置在大于10L/m2min喷淋设施下时，取F=0.6。

A—容器的受热面积（m2），按下列公式计算（Do外径，m;L长度m;

L’容器内最高液位,m）;

对半球形封头的卧式容器A=π·Do·L；

对椭圆形封头的卧式容器A=π·Do（L+0.3Do）;

对立式容器A=π·Do·L’；

对球形容器A=1/2π·

或从地平面起到7.5m高度以下所包括的外表面积，

取二者中较大的值；

Hv—在泄放压力下液体的蒸发潜热，kJ/kg。

（低于93kJ/kg不能用）。

如果在没有灭火设备的场合，式3-5-1应改为3-5-2：

（3-5-2）

B、对有完善的绝热材料保温层的液化气体压力容器

（3-5-3）

式中：

Gv—容器的安全泄放量，kg/h;

t—泄放压力的饱和温度，℃；

λ—常温下绝热材料的导热系数，W/m·k;

δ—保温层厚度，m;

其他符号同前。

3.5.2介质为非易燃液化气体的容器，而且装在无火灾危险的环境下，安全泄放量可根据其有无保温层分别选用不低于按公式3-5-1～3-5-3计算值的30%。

4.喷嘴面积计算

4.1介质为气体

气体通过安全阀喷嘴时，其速度和比容随下游压力的减少而增大，一直增大到极限速度为止，此极限速度即为该气体的声速，相当于极限速度的相应流率，称为临界流率。

声速下的喷嘴喉管压力Pcf与入口压力（即最高泄放压力）Pm之绝压比称为临界压力比，Pcf称为临界流动压力。

气体的临界压力比可用理想气体关系的公式计算

（4-1-1）

式中：

K—气体的绝热指数（Cp/Cv）;

Pcf—临界流动压力，MPa（绝）；

Pm—进口处压力（即最高泄放压力），MPa（绝），

即安全阀定压+容许过压+大气压。

一般烃类气体Pcf/Pm值大都在0.5～0.6之间，其与K值的关系见下表4-1-1。

表4-1-1K值与Pcf/Pm值关系表

K

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

Pcf/Pm

0.585

0.564

0.546

0.528

0.512

0.497

0.482

0.469

如果喉管下游压力P2（即安全阀出口压力）高于临界流动压力，此时的流动状态为亚临界流动。

4.1.1临界流动状态下喷嘴面积计算，可按式4-1-2计算

（4-1-2）

对全启式

（4-1-3）

对微启式

（4-1-3B）

式中：

Ao—喷嘴面积，cm2;

h—安全阀开启高度，cm;

φ—锥形密封面的半锥角度，°;

do—喷嘴内径，cm;

Gv—气体最大泄放量，kg/h；

Pm—最高泄放压力，MPa（绝）；

T1—进口处气体温度，K；

M—气体分子量；

Z—在Pm压力下气体的压缩系数；

KF—流量系数，应由制造厂提供，参见附录二。

C—气体特性系数，仅与气体的绝热指数K有关，可用下式计算

（4-1-4）

也可用表4-1-2查得；

Kb—背压校正系数，对普通型安全阀，随着P2值增大，安全阀的理论泄放量

将随之减少。

但当P2

的P2值要求小于0.1Ps，在此条件下，Kb值可取为1。

当P2值大于

0.1Ps时，一般应选用波纹管（平衡型）安全阀，当P2值大于0.3Ps可

选用先导式安全阀。

波纹管安全阀的Kb值见表4-1-3。

表4-1-2不同K值与C值关系

K

C

K

C

K

C

K

C

1.01

317*

1.24

341

1.48

363

1.72

382

1.02

318

1.26

343

1.50

365

1.74

383

1.04

320

1.28

345

1,52

366

1.76

384

1.06

322

1.30

347

1.54

368

1.78

386

1.08

324

1.32

349

1.56

369

1.80

387

1.10

327

1.34

351

1.58

371

1.85

391

1.12

329

1.36

353

1.60

372

1.88

393

1.14

331

1.38

354

1.62

374

2.00

400

1.16

333

1.40

356

1.64

376

1.18

335

1.42

358

1.66

377

1.20

337

1.44

360

1.68

379

1.22

339

1.46

361

1.70

380

*内插值因在K接近于1时，C变为不定的无穷数。

表4-1-3波纹管安全阀Kb值

P2/Ps（表压）

0.31

0.34

0.37

0.40

0.43

0.46

0.49

过压10%，Kb

1.0

0.99

0.98

0.97

0.96

0.945

0.93

过压20%，Kb

1.0

0.96

0.90

0.86

0.81

0.76

0.70

表4-1-3是国外制造商提供的平均值（见APIRP520-90），背压低于0.34MPa（表）时，不应选用上表数值，而应由制造厂按背压条件提供Kb值。

4.1.2亚临界流动状态下喷嘴面积计算为了简化计算，仍然采用式4-1-2计算，对普通型安全阀，Kb校正系数需改用表4-1-4值；对波纹管安全阀，Kb值应由制造厂提供。

其它符号意义和取值与临界流动状态相同。

表4-1-4亚临界流动状态下普通型安全阀Kb值

绝对背压%*

50

60

70

75

80

85

Kb值

绝热系数K=1.1

1.0

1.0

0.96

0.92

0.88

0.79

K=1.3

1.0

1.0

0.94

0.90

0.84

0.76

K=1.5

1.0

0.98

0.90

0.86

0.80

0.72

K=1.7

1.0

0.94

0.87

0.82

0.77

0.69

*绝对背压%为P2/Pm%（以绝压计）

例题1≌已知下列泄放要求:

GV=24318kg/h,烃蒸气平均分子量M=65,K=1.1,

T1=348K（75℃）,PS=0.51MPa（表）,即设备的设计压力,

P2（背压）=0（表）。

计算出下列数据，容许积聚压为10%（由于定压即为设备压力，积聚压等于过压），最高泄放压力Pm=0.51×1.1+0.1=0.661MPa（绝）,Z=0.84,临界压力比=0.59（查表4-1-1）,临界流动压力Pcf=0.661×0.59≈0.39MPa（绝）=0.29MPa（表）。

因背压P2=0，小于Pcf，处于临界流状态，因此可用式4-1-2计算喷嘴面积

KF采用0.975,Kb=1，C=326（查表4-1-2）。

例题2把例1中的迭加背压改为0.37MPa（表），其它数据与例1相同，选用普通型安全阀。

因迭加背压等于0.37MPa（表），大于临界流动压力0.29MPa（表），气体处于亚临界状态。

容许积聚背压0.1×0.51=0.051MPa

总背压P2=0.37+0.051=0.421MPa（表）=0.521MPa（绝）

P2/Pm=0.521/0.661=79%,从表4-1-4查得Kb=0.88

4.2介质为水蒸汽（压力小于10MPa）按4-2-1计算

式中GV--水蒸汽最大泄放量，kg/h；

AO--喷嘴面积，cm2；

Pm--最高泄放压力，MPa（绝）；

Kφ--蒸汽过热度校正系数，见表4-2-1；

KF--由制造厂提供。

表4-2-1蒸汽过热度校正系数

蒸汽压力，MP