API 521 安全阀计算规定.docx
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API521安全阀计算规定
安全阀计算规定
中国石化集团公司上海医药工业设计院
2001年10月12日
1.应用范围
1.1本规定仅适用于化工生产装置中压力大于0.2MPa的压力容器上防超压用安全阀的设置和计算，不包括压力大于100MPa的超高压系统。
适用于化工生产装置中上述范围内的压力容器和管道所用安全阀；不适用于其它行业的压力容器上用的安全阀，如各类槽车、各类气瓶、锅炉系统、非金属材料容器，以及核工业、电力工业等。
1.2计算方法引自《工艺设计手册》（Q/SPIDI3PR04-3-1998），使用本规定时，一般情况应根据本规定进行安全阀计算，复杂工况仍按《工艺设计手册》有关章节进行计算。
1.3本规定提供了超压原因分析，使用本规定必须详细阅读该章节。
2.计算规定的一般说明
2.1安全阀适用于清洁、无颗粒、低粘度流体，凡必须安装泄压装置而又不适合安全阀的场所，应安装爆破片或安全阀与爆破片串联使用。
2.2在工艺包设计阶段（PDP），应根据工艺装置的操作规范，按照本规定（见5.0章节），对本规定所列的每个工况进行分析，根据PDP的物流表，确定每个工况的排放量，填入安全阀数据表一。
2.3在基础设计阶段（BDP）和详细设计阶段（DDP），按照泄放量的计算书规定（见6.0章节），在安全阀数据表一的基础上，形成安全阀数据表二（数据汇总表）和安全阀数据表三。
安全阀数据表三作为条件提交有关专业。
3.0术语定义
3．1积聚（accumulation）：
在安全阀泄放过程中，超过容器的最大允许工作压力的压力，用压力单位或百分数表示。
最大允许积聚由应用的操作规范和火灾事故制定。
3．2背压（backpressure）：
是由于泄放系统有压力而存在于安全阀出口处的压力，背压有固定的和变化的两种形式。
背压是附加背压和积聚背压之和。
3．3附加背压（superimposedbackpressure）：
当安全阀启动时，存在于安全阀出口的静压，它是由于其它阀排放而造成的压力，它有两种形式，固定的和变化的。
3．4积聚背压（built-upbackpressure）：
泄压阀打开后由于流动使泄放主管中增加的压力。
3．5最大允许积聚压力（maximumallowableaccumulatedpressure）：
是最大允许工作压力与最大允许积聚之和。
3．6最大允许工作压力（maximumallowableworkingpressure）：
系指在设计温度下，容器顶部所允许承受的最大压力。
这压力基于设备计算中的正常厚度、金属腐蚀裕度、负载和压力。
最大允许工作压力是设定安全阀压力保护设备的基础。
3．7超压（overpressure）：
超过安全阀设定压力的压力，用压力单
位或百分数表示。
它与容器设定的最大允许工作压力时的积聚一样，假设安全阀人口没有管路损失。
3．8安全阀的设定压力（setpressure）：
安全阀人口出的静压达到该值时，安全阀将动作。
3．9操作压力（operationpressure）：
容器通常操作时的压力。
压力容器的设计通常有一最大允许工作压力，它为操作压力提供合适的余量，以阻止安全阀不合需要的打开。
3．10泄放条件（relievingconditions）：
用于表示安全阀超压时的进口压力和温度。
泄放压力等于安全阀的设定压力加超压，泄放温度为泄放条件下的流体温度，它可能高于操作温度，也可能低于操作温度。
3．11回座压差（blowdown）：
设定压力与安全阀关闭压力之差，用设定压力的百分数或用压力单位表示。
4．超压的原因
超压是系统中某一部分物料或能量不平衡，或物料和能量同时不平衡引起的。
因此，分析超压的原因和数量是工艺过程中物料和能量平衡的特殊和复杂工况的综合研究。
安全阀的设置要保证一个工艺系统或工艺系统中的任何一个工况的压力不能超过最大允许累积压力。
系统压力包括压力容器、换热器及其他设备和管道，它的设计基于（a）正常操作温度下的正常操作压力，（b）任何一个机械负荷的影响，就会引起与操作负荷的不同，（c）安全阀的设定压力。
工艺系统设计必须定义最小泄放，以阻止任何一台设备超过它的最大允许累积压力。
4．1超压来源
由于能量输入导致液体或气体泄放，因此产生了泄放装置。
两个最通常的能量来源，一是能量输入通过气化或热膨胀间接导致压力升高；二是直接较高压力的进入。
由于以上一个或二个因素都可能引起超压。
安全阀泄放量是最大的泄放量，这最大泄放量可泄放以保护设备因任何一个单独的原因而引起的超压。
两个毫无关联的故障同时发生的概率很小，所以通常不必考虑。
4．2压力、温度和组成的影响
因为温度和压力会影响液体和气体的流量和组成，所以确定每个泄放量时要考虑温度和压力。
当液体加热时就变成了气体。
因为密闭容器压力的增加及热量的进入，改变了平衡，产生了气体。
在大多数情况下，容器内是由不同沸点、不同组份组成的混合物。
沸点低的组份首先蒸发，随着热量的不断进入，较重的组份也开始蒸发，最后，只要进入热量足够多，最重的组份也蒸发了。
在泄压过程中，要研究不同时间的气体泄放量和摩尔质量，以确定气体的最大泄放量和组成。
泄放压力有时会超过系统组成的临界压力（或亚临界压力）。
在这种情况下，就要参考压缩系数与密度－温度－热焓之间的相互关系。
如果超压是由多余物料流入引起的，多余的物料就要在进、出焓相等条件下计算出的温度下泄放。
系统中没有其他的进出物料，如果超压就是由外部额外热量引起的。
这外部输入的热焓等于容器中还在或已蒸发物料之和。
通过计算或作图累计泄放量与时间的关系，瞬间的最大泄放量就可得到。
这最大量泄放量通常在临界温度附近。
5．
单个安全阀泄放量确定
在这一章节列出了不同的超压原因，它是泄放量确定的基础，。
以下章节详细说明了需要超压保护的一些通常事故。
5.1操作人员的影响
决定最大泄放工况还要考虑操作人员的反应和对一连串错误行动的理解。
通常可接收的反应时间在10～30分钟之间，这取决于装置的复杂程度。
这反应的有效性还取决于工艺动力学。
5.2关闭出口阀
当设备或系统所有的出口阀关闭时，为了保护设备或防止系统超压，泄放装置的能力要大于等于超压源。
如果不是所有的出口阀门关闭，没有关闭的出口阀泄放量也要适当地考虑。
超压源来自泵、压缩机、高压供应总管、可挥发性气体。
这种情况发生在换热器中，关闭出口阀会引起热膨胀，或者产生气体。
泄放量是设定压力加上超压时的泄放量，而不是正常操作条件下的泄放量。
当这一区别没有考虑到时，泄放量常会大大减少。
在确定泄放量时，还要考虑到超压管线与泄放管线之间的摩擦损失。
5.3冷却或回流发生故障
5.3.1总则
需要的泄放量取决于系统泄放压力下的热量和物料平衡。
在精馏系统，泄放量计算取决于有无回流。
冷媒停止时，剩余的冷量通常不考虑，因为这部分冷量发生作用的时间是非常有限的，并且取决于配管的实际布置。
如果工艺配管系统超常规的大，并且不保温，就要考虑热损失。
因为详细的热量平衡和物料平衡计算有困难，在5.3.2~5.3.9中，列出通常可接收的确定泄放量的简单原则。
5.3.2全凝
泄放量就是进入冷凝器的总的气体量，计算的温度对应设定压力加上超压和进入的热量减泄放的热量时的新的气相组成，在正常液位的顶部积聚的脉冲量通常限于10分钟之内。
如果冷媒发生故障超过这个时间，回流也没有，顶部的组分、温度和气相量会有很大的变化。
5.3.3部分冷凝
泄放量是泄放条件下，进出气体量之差。
进入的气体量应该按5.3.2基准计算，如果回流的组成或回流量改变，进入冷凝器的气体量就应该由新的条件决定。
5.3.4风扇发生故障
因为自然对流的作用，既使风扇发生故障，如果泄放条件没有明显不同，通常还有正常能力20％～30％的冷凝量，泄放量分别是全凝或部分冷凝这两种工况的70％～80％。
然而，实际冷凝量通常取决于空冷器的设计性能，如果风扇和机械夹点出现，就会降低冷却能力。
5.3.5百叶窗关闭
空冷器的百叶窗关闭，就是整个冷媒发生故障，泄放量计算同5.3.2及5.3.3。
百叶窗关闭可能来自自动控制发生故障，机械联接发生故障，或者在手动位置的百业窗发生破坏结构性的振动。
5.3.6顶部回流
在大多数情况下，例如：
泵关闭或阀门关闭都会引起回流发生故障，进入冷凝器的流量就等于5.3.2或5.3.3的失去冷媒的量。
停止回流会产生不同的气相组成，这会影响泄放量。
在这种情况下，安全阀尺寸是考虑冷媒全部停止的工况，但每种工况必须通过测试相关的部分组份和系统得到。
5.3.7泵的循环
泄放量就是气化量，它是泵循环中获得的热量引起的。
气化潜热就是在泄放温度、泄放条件下的潜热。
5.3.8顶部回流加上泵的循环
顶部回流和泵的循环通常不会同时发生故障，但是，一个部分故障和一个全部发生故障还是可能的。
泄放量同5.3.6和5.3.7。
5.3.9侧线回流停止
同5.3.6和5.3.7。
泄放量足够大以便泄放从系统获得的热量而产生的气化量。
5.4吸收流发生故障
对碳氢化合物的贫油，通常贫油发生故障不会引起泄放；而对于酸性气体脱除单元，大量的气体（大约25％或更多）会被吸收剂吸收，如果失去吸收剂，因为下游系统不能处理增加的流量，会使压力升高到泄放压力。
合成气二氧化碳吸收单元中的下游气体进入甲烷化就更难分析。
任何一点点超过设计能力的二氧化碳进入甲烷化，同时即使发生部分吸收剂故障，也会导致快速升温，引起甲烷化进料阀关闭，打开放空阀。
如果放空阀关闭，会引起超压。
每种工况必须研究它的工艺和仪表特性，研究范围应包括对下游工艺单元的影响以及对吸收剂的配管和仪表的影响。
5.5不凝性气体积聚
随着工艺物流的释放，不凝性气体在正常条件下不会积聚，然而有某种管道布置，会使不凝性气体积聚在某一点，引起冷凝器破裂，这一作用相当于失去冷媒。
5.6易挥发物料进入系统
5.6.1水进入热油
虽然水进入热油会引起超压，但没有公认的方法计算泄放量。
如果进入的水量和热量可确认，泄放阀阀径就可象物料阀门一样计算，不幸的是，进入的水量永远不能知道。
同时由于从液体到气体体积膨胀如此之大（常压下，大约为1：
1,400），产生的气体是瞬时的，阀门能否快速打开是个问题。
通常，为这一偶然事故不提供压力泄放装置。
在工艺设计和操作中力争取消这种可能性。
为了避免水积聚形成袋形应安装蒸汽凝液疏水阀，在水到热工艺管线上安装双切断阀和放空阀。
5.6.2轻烃进入热油
解释同5.6.1，轻烃进入热油，从液体变成气体的速率不小于1：
1,400。
5.7工艺物流上的自控阀发生故障
5.7.1总则
设备或系统上的自动控制阀直接受工艺控制或间接受工艺变化控制（例如：
压力、流量、液位或温度）。
当自控阀发生故障时，自控阀应该保证根据基础设计的要求，处于全关或全开的位置。
5.7.2泄放量确定
计算任何工况的泄放量，不考虑因控制阀而引起泄放，也就是控制阀所在的位置，应能保证正常工艺流量通过。
正常的阀门位置首先是考虑设计能力和系统关闭的工况，而不是考虑事故。
因此，如果流过控制阀的条件不改变（见5.7.5），就要修改这些控制阀的正常流量，更改泄放条件，保证下游系统能处理增加的流量。
5.7.3控制阀进口
控制阀进口可能有一根或多根进口管线。
对于只有一根进口管线的控制阀，只考虑全开位置，而不考虑控制阀发生故障的位置。
控制阀打开，也可能是仪表发生故障或误操作引起的。
对于有多根进口管线的控制阀系统，应保证在这些管线上的任何一个控制阀应在它的正常操作位置，因此，泄放量是预期的最大进口流量与正常出口流量之差，假设条件是：
这系统中一个控制阀关闭，而其他控制阀仍在正常操作点（即：
正常打开，正常关闭或节流）。
如果控制阀的一个或多个出口关闭，或者使控制阀的多个进口打开，并引起控制阀的第一个进口打开，泄放量为预期的最大进口流量与打开的出口流量之差。
5.7.4控制阀出口
每个控制阀出口在确定泄放量时应考虑全开和全关位置，不考虑由于仪表系统发生故障或误操作而引起控制阀处于错误的位置。
如果一个或多个进口阀由于出口阀错误关闭而打开，压力泄放装置应满足阻止超压的要求，泄放量是最大进口流量与最大出口流量之差，要计算泄放条件下的所有流量，也要考虑控制阀操作工粗心引起的关闭。
5.7.5特殊泄放量的考虑
虽然控制阀，例如：
隔膜阀的规格和尺寸只考虑正常操作工况，但在非正常工况下，例如安全阀泄放时，这些控制阀也能操作。
阀的设计和操作位置应符合非正常工况下的控制信号，由于泄压条件下的泄放量与正常工况下的泄放量是不同的，因此在计算控制阀的能力时要根据泄放工况的温度和压力来确定泄放量。
极端情况是流体的状态是变化的（例如，从液体到气体，或从气体到液体），例如选择处理液体与处理气体的全开调节阀的区别很大，在失去液位的地方气化，使高压气体通过控制阀到只按正常进入的液体气化计算管径的系统。
5.8非正常工艺热量进入
泄放量是泄放条件下气体产生的最大流量（包括来自过热产生的不凝性气体），少于正常的凝液量或气体量。
在每种工况，设计者应考虑系统潜在的工况和它的每一个组成。
5.9内部爆炸（不包括爆燃）
气体和空气混合物引起内部爆炸时，超压保护应该采用爆破片而不采用安全阀，因为内部燃烧扩散引起的快速升压如采用安全阀保护容器就太慢了。
泄放面积取决于以下因素：
a.初始条件（温度、压力、组成）。
b.明确的燃烧扩散气相或气体的物性。
c.容器的体积
d泄放装置的起跳压力
e.发生爆炸事故时的最大压力
5.10化学反应
根据DIERS（DesignInstituteofEmergencyReliefSystems）方法，确定化学反应的紧急事故泄放气管径。
具体方法如下：
a.定义化学反应非正常工况的设计基础
b.通过实验测试计算非正常工况的系统特性
c.通过两相流计算公式计算管径
化学反应失控通常与下列因素有关：
a.外部火灾
b.失去混合
c.失去冷却
d.试剂装载错误
5.11电力故障
确定发生电力故障时的泄放量，要仔细研究电力故障对哪些设备有影响，这些故障是如何影响装置生产的。
5.12液体膨胀
5.12.1原因
液体膨胀是指温度升高引起体积增加，通常有以下几个原因；
a.充满冷液的管道或容器被切断时，因为蒸汽伴热、盘管、环境热量或火灾获得热量。
b.换热器冷侧切断，冷侧的液体被热侧加热。
c.充满常温液体的管道或容器被切断，管道或容器里的液体被辐射热加热。
60oF烃类和水膨胀系数
液体重度（oAPI）
数值（oF）
3-34.9
0.0004
35-50.9
0.0005
51-63.9
0.0006
64-78.9
0.0007
79-88.9
0.0008
89-93.9
0.00085
94-100及更轻的
0.0009
水
0.0001
5.12.2管径和设定压力
泄放量不是很容易确定的，因为每种实际情况液体泄放量是很小的，所以要定合理的，而不是安全系数过大的安全阀。
通常采用3/4”x1”的安全阀。
如果有理由相信这一尺寸不够，应采用3.14.3的方法。
选择合适的设定压力应该研究系统关闭时所有的设计流率，设定的热膨胀压力决不能大于被保护系统的最大压力。
如果只有液体膨胀一种工况，安全阀的设定压力要设得较高；如果安全阀出口进入一个封闭系统，应考虑背压的影响。
5.12.3特殊工况
地面上的不保温大管径长管道和大型容器或充满液体的换热器上安装安全阀时，通常大于3/4”×1”。
在常温或低于常温的长管道两端的进出口阀门关闭时，阳光辐射引起的温度升高可通过计算得到，如果总热量传递速率和液体的热膨胀系数知道，就可计算泄放量。
计算液体膨胀泄放量公式如下：
W＝BH/Cp
W：
质量泄放流量，kg/h
B：
体积膨胀系数，1/℃
H：
正常工作条件下最大传热量，kj/h
Cp：
定压比热，kj/kg℃
5.13外部火灾
5.13.1外部火灾对湿润表面容器的影响…液体气化
容器内液面之下的面积统称为湿润面积。
发生火灾时，外部火灾传入的热量通过湿润面积使容器内的物料气化，湿润面积只考虑容器小于等于7.5m以下的湿润面积，通常7.5m以上部分不考虑。
湿润面积包括火灾影响范围内的管道外表面积。
a.对于充满液体的容器，湿润面积为7.5米高度内的表面积。
b.对于缓冲罐、分离罐和工艺容器，湿润表面为正常液面不高于7.5米下的表面。
c.精馏塔的湿润表面为塔底正常高度和7.5米高度内塔盘上液体部分的表面积之和。
d.贮罐的湿润面积为7.5米高度内的表面积。
e.球形容器的湿润面积为半球表面积或距地面7.5米高度内表面积中的较大者。
5.13.2容器外壁纠正系数（F）
容器壁外的设施可以阻碍火焰热量传至容器，用容器外壁纠正系数（F）反映其对传热的影响。
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＝1.0
b.容器在地面下用砂土覆盖：
F＝0.3
C.容器顶部设有大于10l/（m2×min）水喷淋装置：
F＝0.6
d.容器在地面上有良好保温时，按式
（2）计算
根据美国石油学会标准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）计算：
F=4.2×10-6λ/do（904.4-t）
（1）
式中：
λ：
保温材料的导热系数，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的地上容器，按式（3）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，保冷材料不耐烧，因此，保冷容器的外壁纠正系数（F）为1.0。
5.13.3安全泄放量
5.13.3.1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＝2.55×105FA0.82/HL
（2）
W：
质量泄放量，kg/h
A：
总湿润面积，m2
HL：
泄放条件下气化热，kj/kg
F：
容器外壁纠正系数，取F=1.0
b.有保温层
W＝2.61×（650-t）×λ×A0.82/（HL×do）（3）
W：
质量泄放流量，kg/h
A：
总湿润面积，m2
HL：
泄放条件下气化热，kj/kg
λ：
保温材料的导热系数，kj/（m×h×℃）
do：
保温材料厚度，m
t：
泄放温度，℃
5.13.3.2根据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＝1.555×105FA0.82/HL（4）
否则，采用式（5）计算
W＝2.55×105FA0.82/HL（5）
式中符号同式
（2）。
5.13.4外部火灾对无湿润表面容器的影响…气体膨胀
无湿润表面容器是指容器内是蒸汽、气体或超临界流体，以及在正常条件下是气、液两相，但在泄放条件下，变成全气相。
无湿润表面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。
设置安全阀不能保护这类容器不受破坏，因此要安装消防设施和排放系统使容器远离易燃的物料。
计算公式如下：
W＝8.764×（MP1）0.5×A1×（Tw-T）1.25/T11.1506
W：
质量泄放流量，kg/h
M：
分子量
P1：
泄放压力，MPaA
A1：
距地面7.5m以下的容器外表面面积，m2
TW：
金属壁温，K，对于碳钢为866K
T1：
气体温度，K
T1=P1/Pn×Tn
Pn：
气体正常操作压力，MPaA
Tn：
气体正常操作温度，K
5.14换热器管破裂
5.14.1泄压装置安装的必要性
根据ASME规范，换热器和类似的容器应该安装安全阀，以保护换热器在内部发生故障时，避免超压。
具体体现以下四个问题：
a.预计内部故障的形式和范围
b.泄放量的确定
c.选择快速起跳的安全阀以避免超压
d.选择合适的安装位置以便及时检测到超压
换热器管破裂，大量高压侧流体流入换热器低压侧，会引发事故，极小的泄漏会引起换热器超压。
标准的水压试验是设备设计压力的1.5倍，所以换热器低压侧的设计压力应不小于高压侧设计压力的2/3，如果实际的低压侧试验压力低于1.5倍的设计压力，低压侧就应确定是否需要设安全阀。
低压侧的设计压力大于等于2/3高压侧设计压力，低压侧就不需要设安全阀。
对于新设计的换热器，可提高低压侧的设计压力以减少风险。
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，在低压侧设置安全阀。
5.14.2泄放量的确定
5.14.2.1高压侧流体为液相的泄放量
W=72000CtAt（2g（PH-PL）ρ）0.5
W：
质量泄放流量，kg/h
Ct：
流动系数，省却值＝1.0
At：
管侧截面积，m2
At＝（Dtube2/4）π
Dtube：
管内径，mm
g：
重力加速度（g＝9.80665）
PH：
高压侧的操作压力，kPaA
PL：
低压侧的泄放压力，kpaA
ρ：
高压侧流体的密度，kg/m3
5.14.2.2高压侧流体为气相的泄放量
W＝20At（2g（kH/（kH-1））（MPH2/（ZHRTH））（（PL/PH）（2/kH）-（PL/PH）（（kH+1）/（kH）））0.5
W：
质量泄放流量，kg/h
At：
管侧截面积，m2
At＝（Dtube2/4）π
Dtube：
管侧内径，m
g：
重力加速度（g＝9.80665）
kH：
高压侧流体的绝热指数（k＝Cp/Cv）
M：
分子量
ZH：
高压侧流体的压缩因子
R：
气体常数R＝8.314，kj/kmol×K
TH：
高压侧操作温度，K
PH：
高压侧的操作压力，kPaA
PL：
低压侧的泄放压力，kpaA
5.15单个安全阀泄放量确定汇总表
表一单个安全阀泄放量汇总表
序号
工况
压力泄放装置（液体）
压力泄放装置（气体）
1
容器上出口阀门关闭
泵最大进口流量
进入的水蒸汽和气相量加上泄放条件下产生的气相量
2
冷凝器的冷却水发生故障
－
泄放条件下进冷凝器的总气相量
3
塔顶回流发生故障
－
泄放条件下进冷凝器的总气相量减去侧线回流冷凝的气相量
4
侧线回流发生故障
－
泄放条件下进出气相量之差
5
吸收塔解吸油发生故障
－
正常无泄放量
6
不凝性气体聚合
－
塔内同＃2，容器内同＃1
7
高挥发性物质进入
水进入热油中
轻烃进入热油
－
－
－
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的管子，供由于管子破裂引起的挥发性流体进入所产生的气相用
8
罐或容器溢出
液体进入泵的最大流速
－
9
自动控制发生故障
－
必须一个一个工况分析
10
非正常热量或气相进入
－
估计最大的气体产生量包括因过热产生的不凝性气体
11
换热器管破裂
－
从两倍于一根管子截面积的面积进入水蒸汽或蒸气，与＃7的换热器结果相同
12
内部爆炸
－
不是由传统的泄压装置控制，而是避免对外界影响
13
化学反应
按正常和失控两种条件下估计的的气体产生量
14
热膨胀：
冷源关闭，装置区外管线被切断
－
－
15
外部火灾
－
－
16
电力发生故障（水蒸汽、电或其它）
－
升级会员 