海洋平台上安全阀的设计与选型

李治贵，宫俭纯，姜来举

（海洋石油工程股份有限公司，天津 300451）

0 引言

海上油气田平台的特点是空间受限，油气处理设施、电气设备、人员集中在同一个平台上，对平台的安全生产提出了极为严格的要求。海洋平台上设置的工艺设备、管线，基本都是在压力下进行作业的，对压力容器、换热器、机械设备、管道系统而言，安全阀的设置必不可少。作为平台压力设施的重要附件，当发生工艺事故和火灾事故时，安全阀的动作可靠性和性能好坏直接关系到设备和人身的安全，并和节能与环境保护紧密相关，为此，本文对安全阀的选用加以分析，并得出海洋平台上常用安全阀的选性原则。

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1 安全阀形式简介

1.1 按结构形式分类

按结构形式的不同，安全阀可分为弹簧式安全阀、波纹管式安全阀和先导式安全阀[1]。

弹簧式安全阀是一种常用的安全阀，但在关闭力、泄放特性等方面受背压的影响较大。由于安全阀的泄露往往受阀门关闭力的影响，就作用原理而言，弹簧式安全阀阀前压力越接近设定值，阀前关闭力越小，越易泄露[2]。

波纹管式安全阀也是一种由弹簧作用的安全阀，用活塞或波纹管减少背压对安全阀动作性能的影响。

全启式安全阀的特性是当安全阀入口处的静压达到设定压力时，阀瓣迅速上升到最大高度，最大限度地排除超压的物料。一般用于可压缩流体（如蒸汽和其他气体）。阀瓣的最大上升高度不小于喉径的1/4[3]。

1.2 按阀瓣开启高度分类

低温用安全阀的冲击试验仅限于阀体、弹簧罩和法兰。

先导式安全阀是由导阀控制的安全阀。其定压由导阀控制，动作特性基本上不受背压的影响，阀前压力越高，阀门关闭越严密。先导式安全阀的缺点是对含有杂质或粘度较大的介质可能会造成导阀堵塞，从而造成主阀不动作的事故。

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2 安全阀的选型原则

一般情况下，普通弹簧式安全阀即可满足大部分泄放需求。当流程工况条件复杂，弹簧式安全阀无法满足要求时，则需选用特殊的波纹管或先导式安全阀[4]。在设计过程中，有如下常见的选型原则。

图1 WHPB-PSV-B141液相喷嘴口径计算参数Fig.1 WHPB-PSV-B141 liquid orifi ce diameter calculation parameters

表1 管道液相工艺参数Table 1 Pipe liquid phase process parameters

表2 管道气相工艺参数Table 2 Gas-phase process parameters

图2 WHPB-PSV-B141液相喷嘴口径计算结果Fig.2 WHPB-PSV-B141 liquid orifi ce diameter calculation

图3 WHPB-PSV-B141液相喷嘴口径计算结果Fig.3 WHPB-PSV-B141 liquid orifi ce diameter calculation

2.1 平衡波纹管安全阀选型原则

当安全阀的背压大于其设定值的10%，而小于30%时。

当介质具有腐蚀性、易结垢、易结焦，会影响安全阀弹簧的正常工作时。

微启式安全阀的特性是当安全阀入口处的静压达到设定压力时，阀瓣位置随入口压力升高而成比例地升高，最大限度地减少排出的物料，一般用于不可压缩的流体（如水和油等液体）。阀瓣的最大上升高度不小于喉径的1/20~1/40[3]。

当安全阀的背压不稳定，其变化可能影响安全运行时。

2.2 先导式安全阀选型原则

安全阀的阀体、弹簧罩的材料应同安全阀入口的配管材料一致。

对要求安全阀的密封性能特别好的场合或操作压力大于定压90%以上的。

当介质有毒、有害时，应选用不流动导阀（即导阀打开时，它不向外排放介质）。

2.3 其他选型原则

除波纹管安全阀及用于排放水、水蒸气或空气的安全阀以外，所有安全阀都要选用带封闭式弹簧罩结构。

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除液体膨胀泄压允许采用螺纹连接外，一般只采用法兰连接的弹簧式安全阀或带导阀的安全阀。

当介质是水蒸气或空气时，允许选用带扳手的安全阀。

介质温度大于300℃时，需选用带散热片的弹簧式安全阀。

安全阀采用软密封，可有效地减少安全阀开启前的泄漏，比常规的硬密封更耐用，更易维修，价格也更低。只要安全阀使用温度和介质允许，应尽量选择软密封。

2.4 安全阀材质选择[5]

当安全阀的背压力大于其设定值的30%以上时。

对某些系统，如排出的液体经安全阀阀孔的节流孔降压后会气化，导致温度降低的自制冷系统，应考虑选用能满足低温要求的材料。

碳钢阀体的安全阀，其阀杆要用锻制铬钢；奥氏体钢阀体的安全阀，阀杆用316不锈钢或相当的材料。

二是求解器求解过程：对内流体模型所划分的网格上所有含有单一变量的方程进行求解，直到获得该方程的解，另一个参数方程的求解需通过循环这一过程，该方程(相互耦合的非线性控制方程)可进行多次迭代求解，当所求解的方程组收敛，该求解过程结束。

从阀瓣开启高度不同的角度分类，安全阀可分为全启式安全阀和微启式安全阀。

3 针对具体工况的分析

本文以BZ 13-1平台的工艺工况为基础，选取测试加热器到测试流量计的油气混输管线上安全阀WHPBPSV-B141作为实例，分析具体的选型过程。工艺参数如表1、表2所示。

对壳聚糖-明胶澄清方法进行响应面分析，以透过率（Y）作为评价指标，响应面设计方案与结果见表3，方差分析见表4。

根据工艺专业提供的参数，该应用是油气混合相的工况。总背压是设定压力的6.4%，背压较小，对选用安全阀的性能影响不大。操作压力范围很大，安全阀的选用原则是根据最恶劣工况条件选择泄压设备，最大正常操作压力达到设定压力的92%。弹簧式安全阀在操作压力达到设定压力的90%以上会产生泄露，因此选用先导式安全阀。工艺工况粘度为25cP，满足先导式安全阀要求介质不能有大颗粒杂质或粘度太高。综上所述，选用先导式安全阀。

本例是气液两相混合工况，现有的INTOOLS专业计算软件不能同时一次性计算出喷嘴面积。目前采用的方法是分别计算气液泄放的喷嘴面积，然后相加。将上述工艺参数分别输入到INTOOLS中进行气液相泄放面积计算，如图1所示为液相参数输入界面。

皖河流域位于安徽省西南部，安庆市中部，大别山脉南坡与长江干流之间。经纬度是东经115°45′～117°02′，北纬30°03′～31°01′。流域跨岳西、潜山、太湖、怀宁、望江、宿松等6县及安庆市区和皖河农场。西以黄梅尖、三面尖与湖北省分界；北以多枝尖、公界尖等与淮河流域分界；西南临华阳河流域；东北临菜子湖流域；东南滨临长江。流域面积6 441 km2，如图1所示。

经过软件计算，液相计算的结果如图2所示。

正如前文所言，尿素价格重回高位使下游的心态在逐渐转变，市场涨势也确有放缓，但不可否认的是当前市场仍是利好因素居多。

如上输入气相参数，计算结果如图3所示。

经过计算得到最终气液两相需要的泄放喷嘴面积为0.106in2。选用Farris公司3800系列的API全喷嘴设计的先导式安全阀。喷嘴口径选择D系列0.11in2，满足要求。出入口管线分别为E5、A5规格，核对样本，综合考虑，选择后者入口900LB，出口300LB产品。初选的产品型号为38DC14-920。该型号阀体为Carbon Steel，阀座为橡胶密封，RF法兰密封面，全启式安全阀形式适用于存在气相介质的排放。根据项目中安全阀所处区域为生产危险区，介质也有一定腐蚀性，要求阀体、内件均具有一定防腐能力，对安全阀提出了材质要求，最终确定安全阀型号为38DC14-920/S4，即安全阀阀体、内件全部采用316不锈钢，满足本例要求[6]。

4 结束语

通过对各种结构形式安全阀的描述及一般选型的原则总结，安全阀主要是根据泄压设施使用的场合、被控工艺介质的特点、操作压力、背压及泄压设施本身的特性进行选用，且要求选用的安全阀应尽量可靠、价廉、寿命长、维护方便、备件易获得。选型应用的过程是经验和技术的累积，要在理论和实践基础上了解掌握安全阀和爆破片的各种特点，做到满足工艺要求和现场环境。

[1]陆德民.石油化工自动控制设计手册[M].北京:化学工业出版社,2001.

[2]张瑞吉.安全阀弹簧设计应注意的几个问题[J].煤矿机械,2012,12.

[3]API RP 520.Sizing,Selection and installation of Pressure-Relieving Devices in Refineries[Z].1997.

[4]API RP 521.Guide for Pressure-Relieving and Depressuring System[Z].1997.

[5]API RP 526.Flanged Steel Pressure Relief Valves[Z].1997.

[6]安全阀释放手册[Z].Farris公司.