石油化工装置安全阀的配管设计

2011-12-30陈汉玉

中国新技术新产品 2011年4期

陈汉玉

（中国石化集团洛阳石化工程公司配管室，河南洛阳 471001）

一、前言

石油化工装置是由机、泵、阀和不同的容器等设备，按这些设备各自的功能，由管道将它们有机地结合在一起。尽管这些设备按各自的标准进行过严格地检验验收，但是，每年的泄漏、爆炸事故仍有发生。在石油化工生产过程中，由于阀门误操作、循环水故障、电力故障、外部火灾等原因，致使生产系统压力超过容器和管道的设计压力，而发生事故，故在石油化工装置中几乎全部的压力设备和管道都需要设置安全阀,由于安全阀可以不依赖任何外部能源而动作，所以常常作为受压设备的最后一道保护装置。从这个意义上说，它的作用是不能用其他保护装置来代替的。因而安全阀是保护设备、管道在不正常操作情况下免遭破坏的重要设施。

通常，在工程设计中人们一般只重视安全阀设定压力与排量,而忽视安全阀的配管设计,其中包括不注意安全阀的出口朝向、与汇总管的交接,安全阀的安装标高及火炬总管的坡度、坡向等。殊不知安全阀配管设计的正确与否对安全阀能否在设定的压力与排量下工作影响极大,合理的安全阀管道设计是安全阀的正常运行的保证。因此,要使安全阀真正起到保护设备与管道的作用,一定要重视安全阀的配管设计。现根据工程实践,就安全阀的配管设计提出应考虑的主要问题,供同行在设计中参考。

二、安全阀进口管道的设计

1.满足安全阀开启流速要求

安全阀按开启高度分类有微启式和全启式及中启式三种开启方式

（1）微启式安全阀

微启式安全阀主要有开启高度大于等于1/40流道直径和开启高度大于等于1/20流道直径的两种。微启式安全阀的动作特性是比例作用式的。

（2）全启式安全阀其开启高度大于等于1/4流道直径。此时，帘面积大于流道面积。这种安全阀的动作特性属于两段作用式。

（3）中启式安全阀

开启高度介于微启式与全启式之间。其动作特性通常相当于安全泄放阀。

对于液压系统上用的安全阀，采用微启式，而对大型石油化工工艺流程中用的安全阀，普遍采用全启式，安全阀的配管，入口管道直径不小于安全阀的入口直径；要求压力容器与泄压阀之间的所有管道和管件通孔的面积应与安全阀入口的面积相同。在一般设计工程中入口隔离阀的最小流道面积选用等于或大于安全阀的入口面积。

2.保证安全阀运行平稳、可靠

影响安全阀可靠运行的主要原因如下。

（1）入口管道的阻力降太大，安全阀产生颤振，安全阀既要满足正常的液流运行，又要防止容器和管道内的压力超压，起到保护作用。一般情况，安全阀设定的开启压力，为正常流程工作压力的1.15倍，排放压力为1.05～1.15倍的开启压力。回座压力应≥0.8倍的开启压力。安全阀开始排放前，安全阀入口静压力即为容器内的静压力；当安全阀开始排放后，由于安全阀入口管道内动压头损失，安全阀入口静压力低于容器内的静压力；此时，若安全阀入口管道压降过大，安全阀入口静压力低于安全阀回座压力时，安全阀即刻关闭，一旦安全阀关闭，安全阀入口管道内无介质流动，则安全阀入口管道内的动压头损失为零；安全阀入口静压力回升到容器内静压力，当超过安全阀的定压时，安全阀再次开启；如此，安全阀反复启闭，产生颤振。这种颤振会使安全阀密封泄漏，提前开启或某些零件以及入口和出口管道出现过早的疲劳损坏。在国内外标准中均限制了入口管道的阻力降，且要求很严：国内标准GB/T12241-2005《安全阀一般要求》、HG/T20570.2-95《安全阀的设置和选用》规定：入口管道的阻力降不大于安全阀设定压力（表压）3%。因此在任何情况下，该压力降都不得超过整定压力的3%或最大允许启闭压差的1/3（以两者中的较小值为准）。

结合 API标准，国内标准中的压力降应理解为管道总阻力降，包括：管道摩擦阻力降、管道静压力降、管道速度阻力降。管道摩擦阻力降由两部分组成：一部分是流体在管道内流动，由流体与管壁摩擦而引起的阻力降；另一部分是流体通过管件的变径、变方向的部位和阀门时引起的阻力降。由于管道进出口标高不同而产生的压力降称为管道静压力降。由于管道或系统的进、出口端截面不等使流体流速变化所产生的压差称为速度压力降。若安全阀入口管道的总压力降超过安全阀整定压力的3%，可增大入口管径以降低压力降。

（2）安全阀距离压力波动源太近影响安全阀的正常运行

通常安全阀应安装在受保护的设备或管道附近，这样到泄压装置入口所产生的压力损失会在允许的范围之内。但是，如果压力源处存在着压力波动，且压力的峰值接近于安全阀的整定压力，这时安全阀应安装在远离此压力源且压力较稳定的地方。在行业标准HG/T20570.2-95《安全阀的设置和选用》对此有明确规定。

（3）管道应力对安全阀及其相连管道的破坏

核算在工作温度范围内管道是否需要补偿；同时要核算与安全阀入口管道相连的工艺管道热胀冷缩的长度变化。通常运用计算机来计算是否需要补偿，常用的软件为 CAESAR。

三、安全阀出口管道的设计

1.满足安全阀流速要求

由于化工流程中输送的介质大都为易燃、易爆、剧毒、强腐蚀性液体，为防止环境污染。安全阀开启后排放的液体必须严格控制，在国内化工行业标准、国外ASME标准中也有相关要求。行业标准HG/T20570.2-95《安全阀的设置和选用》明确规定：安全阀出口管道直径不小于安全阀的出口直径；在ASME第 VIII卷也有要求：推荐出口隔离阀的最小流道面积应等于或大于泄放阀的出口面积。因此安全阀管道设计时，排放管的通道截面积应不小于安全阀出口截面积。当多台安全阀向一个总管排放时，排放总管的截面积应保证能够接受所有可能同时向其排放的安全阀的总排放量。

2.保证安全阀运行平稳、可靠

（1）背压过大造成安全阀开启压力偏差，流量下降，不稳定性增加。背压是指由排放系统中的压力而在泄压装置出口处产生的压力，分为附加背压和排放背压：附加背压是指要求泄压装置操作时，泄压装置出口侧的静态压力，是由排放系统中来自其他压力源的压力产生的，可能是固定的或可变的；排放背压是指泄压装置开启后，因介质流动而造成泄压装置出口侧压力的增加。从背压定义可理解背压倾向于减小阀门开启的提升力，还会使安全阀产生颤振和频跳。

在常规安全阀（非平衡弹簧承载式安全阀）使用中，附加背压为恒值时，可降低弹簧载荷以补偿附加背压，这时，建议排放背压不应超过允许的超压，当允许的超压为 10%时，排放背压不能超过整定压力的10%。在安全阀出口管道配置时，首先根据工艺流程图所给管径、安全阀的形式和整定压力以及最终管道走向布置，核算背压是否符合规范要求。一般总背压不大于10%整定压力时选用非平衡弹簧承载式安全阀；总背压大于 10%整定压力，小于50%整定压力时选用平衡波纹式安全阀；当总背压大于5%整定压力时，可选用先导式安全阀。

（2）排放管道中静载荷以及排放时反作用力产生的入口应力

不正确的安全阀排放管道设计会产生应力并传递给安全阀及其入口管道。可通过正确的安装和支撑方式、合适的管道挠度设置来消除应力对系统的破坏。安全阀的排放系统分为开式和闭式两种，计算其应力分析采用不同的方法。

3.满足工艺要求

在三种情况下,除了对安全阀的进出口管道应予以伴热外,安全阀出口管的朝向必须向下,以防止出口管中积液,导致安全阀出口背压增加,使安全阀不能在设定的压力下起跳,同时由于出口管积液,气体的流通截面积减少,会影响安全阀的流通能力,进而引起水鎚冲击破坏管路。这三种情况是:

（1）高寒地区排放含易冷凝的气体;

（2）泄压排放易凝结的重质燃料油等油品;

（3）泄压的气体中湿含量大,易造成出口管中水分在冬天冷凝结冰。

4.满足国家相关标准规范

对于可燃、有毒气体向大气排放时，应满足GB/T50160-20098《石油化工企业设计防火规范》以及其他国家环保卫生规定。

5.安全阀安装标高与位置

在设备或管道上的安全阀一般应直立安装，其安装位置应尽量靠近被保护的设备或管道，但安全阀不应安装在长达水平管道的死端，以免液体或固体集聚，因此,安全阀宜布置在靠近管廓或在管廓的顶部平台上。对于高塔,一般布置在冷凝器的操作平台边缘位置上,此平台一般均高于管廊上火炬气汇总管的标高。安全阀一般应尽量集中布置在易于接近的平台上,这样既便于配管,也便于安全阀定期校验定压时的拆卸，安全阀有时起跳后复不到位而漏气,需要整修。安全阀入口管道应布置成能自泄到被保护的设备或管道主管内。

排放水蒸汽的安全阀或干气(如氮、氢合成气)等的安全阀也可以直接向大气排放,直接向大气排放的安全阀出口管道应考虑以下各点：

（1）安全阀的排出口不能朝向临近设备、平台、梯子、电缆等。

（2）安全阀的出口管端部切成平口，以便使排出物直接向上高速排出，远离平台等有人通过之处，减少对周围环境的影响。

（3）安全阀出口管端位置高于安全阀时，在出口管道的水平管段的底部应开Φ6～10mm的泪孔，以避免雨雪或冷凝液集聚在排出管内。

（4）排放口要高出以排放口为中心的7.5m半径内的地面、设备、操作平台2.5m以上，对于有毒、或有腐蚀性、或易燃物料，应按有关规范执行。当允许排向大气时，排放口要高出已排放口为中心的15m半径范围内的地面设备、操作平台3m以上。

（5）安全阀出口管道应妥善支撑，以防泄压时过大弯矩造成管道应力值超过许用应力范围，支撑方法应根据安全阀所在的设备或管道附属构件的具体情况而定。当安全阀出口排入大气时，在出口管中心线产生与流向相反的作用力，安全阀出口处应合理设置支架以承受反作用力。

6.安全阀出口介质密闭排放

（1）安全阀出口管朝向向下,意味着安全阀的安装标高必须高于火炬气汇集管的标高，能自泄到排放总管内。

（2）安全阀的排放管道应坡向主管，尽量避免袋型弯，无法避免时，在低点要设易接近的放净阀，对于易凝汽体，在低点设蒸汽伴热管，以免积液。

（3）排放管与主管的连接，应顺介质流向45°角斜接到放空总管顶部，既可以防止总管内的凝液倒入支管，又可降低管路压力降，DN≤40的管子可以90°垂直连接。

（4）安全阀出口管道应妥善支撑，以防泄压时过大弯矩造成管道应力值超过许用应力范围，支撑方法应根据安全阀所在的设备或管道附属构件的具体情况而定。

（5）应防止出现任何可能导致排放管道阻塞的条件，必要时应设置排泄孔，以防止雨、雪、冷凝液等积聚在排放管中。安全阀的排放及疏液应导至安全地点，应特别注意危险介质的排放及疏液。

四.各装置火炬气支管与汇总管的连接

由上述可知,当不同装置共用一个火炬时,原则上各装置火炬气支管的标高应高于火炬气汇总管标高,这是由防止火炬气管道形成袋形管及火炬气向前进方向2‰的坡度要求所决定的。但实际上这一要求难以做到,因此,各装置的火炬气支管在进入汇总管前设置火炬气分离罐以便分离掉火炬气支管中的积液,不致使各装置内管廊设置的标高太高,以节省投资。

当不同装置共用一个公用火炬时,各装置的孔板或流量计输入10Nm3/h氮气,以免易燃气体相互流窜,有利于停车检修装置的安全。总之,安全阀配管的关键是避免出口管积液,火炬气最上游末端应设氮气吹扫管道,通过限流保持火炬气管网的通畅。