安全阀工艺计算及选型

2018-06-07陈祥歌

山东化工 2018年10期

陈祥歌

(中石化宁波工程有限公司，上海 200030)

1 概述

在化工行业里，众所周知安全阀是锅炉、压力容器等压力设备的最后一道保护措施，因此它对化工装置能否安全运行起着至关重要的作用。当压力设备由于内部(工艺偏离等)或外部(火灾等)等原因，造成压力持续升高，当压力高于安全阀设定值时，安全阀将自动起跳进而排放工艺介质，直至设备内压力小于某一压力值时，安全阀将自动回座并保持密封状态，以保证装置能继续安全运行。在选用安全阀类型及公称尺寸问题上，应在充分理解安全阀工作原理基础上，按照相关标准进行计算，否则容易造成选型不合理。安全阀类型选错了，会起不到安全泄放的作用；同样如果公称尺寸选大了，不但不经济，而且过分高于所需的排量还会对阀门性能带来不利影响，甚至造成安全阀频跳，而频跳容易损伤安全阀，并使设备压力急剧波动，给设备带来危险；而如果公称尺寸偏小时，此时安全阀的额定泄放能力可能小于事故工况的最大泄放量，即工艺介质来不及泄放，设备工作压力将继续上升继而造成设备损坏，同样起不到保护设备的作用。所以，如何进行安全阀的正确工艺计算并做出合理选型，对保证化工装置正常运行的重要性是不言而喻的。目前石油化工行业中，安全阀通常设计步骤如图1所示。而其中重要步骤为最大泄放量的确定、工艺计算及其选型。

图1 安全阀设计步骤

2 安全阀的基本要求及选型[1-3]

2.1 安全阀基本要求

正常工况下，压力设备上的安全阀是处于关闭并且密封状态的，当压力达到设定压力时安全阀起跳排放介质，排放到一定程度压力减小，安全阀就回座并恢复密封。这是安全阀一个完整的动作过程。每一步骤都对安全阀有一定的要求，否则安全阀就不能正常工作，进而影响装置的安全性。主要要求有如下几点：

(1)可靠的密封性。当压力设备处于正常工作压力时，安全阀应保持可靠的密封性，这是最基本的，否则就难以保证装置正常运行。安全阀的关闭件要保持良好的密封比起截止阀类的阀门要比较困难，因为安全阀的密封取决于安全阀的设定压力与设备工作压力的差值，而这个值通常是比较小的。因此要使密封面处完全无泄漏是不太可能，但必须将泄漏量控制在规范允许范围内。

(2)可靠起跳。即当设备工作压力达到安全阀设定压力时，安全阀应能及时开启，即安全阀的开启压力对其整定压力的偏差应控制标准范围内。

(3)稳定泄放。当安全阀进口处压力升高到超过整定压力一定值(即泄放压力)时，阀瓣高度应能达到设计的开启高度，进入完全排放状态。排放应是稳定的，即没有频跳、颤振、卡壳等现象。因为这些现象会导致安全阀排放能力降低，并有可能损坏关密封面，还会引起被保护设备和系统内较大的压力波动，在液体介质的场合甚至可能造成水击，会产生严重的后果。

(4)及时回座。当安全阀排放到一定程度，设备压力降低到一定值时安全阀应能及时关闭即回座。否则会造成物料和能量的浪费，也会对工艺的平衡过程造成破坏。因此回座压力不能过高也不能过低，应控制在标准规定的范围内。

(5)回座后的可靠密封。该点与第(1)点是类似的，但此次的密封是起跳回座后的密封，比维持既有的密封要困难得多。因为泄放后有可能存在固定颗粒、结焦颗粒等影响了密封性能。因此也必须采取一些措施确保安全阀能达到回座密封。

2.2 安全阀选型

为了确保安全阀的正确选型，应事先分析工艺介质的特性，再计算安全阀的背压，然后据此可对安全阀做出合理的选型，通常安全阀选型可参考如表1所示。

表1 安全阀选型参考表

3 安全阀的工艺计算

如图1安全阀设计步骤所示，在进行安全阀的工艺计算时，首先要分析各种可能存在的工况以确定能保证设备安全所需的最大排放量；其次通过最大泄放量来核算最小泄放面积，再者根据泄放面积来确定喷嘴喉径或阀座口径的大小。然后对照美国石油学会标准API-526中规定，按表向上圆整。最后按照所初步选择的安全阀尺寸反算安全阀的额定泄放能力，进而根据安全阀泄放能力的量核算安全阀背压以验证安全阀的选型是否合理。

3.1 非火灾工况下安全阀泄放量的确定[3]

(1)对于换热器冷侧进出口阀门关闭以及充满液体的容器，进出口阀门全部关闭时的泄放量为被关闭液体的膨胀量，膨胀量按如下公式计算：

V=B·H/(ρl·CP)

(1)

(2)对以循环冷却水为冷却介质的塔顶冷凝器和冷凝液通过电机动力的回流泵工况时，当循环水中断、电力故障或两者同时发生时，塔顶安全阀泄所需的最大泄放放量为正常工况下进入冷凝器的最大介质蒸汽量。

(3)对压缩机贮气罐等容器安全阀所需最大泄放量，取该压缩机可能的最大产气量，计算公式如下[4]：

Ws=2.83×10-3ρvd2kg/h

(2)

(4)换热设备等产生蒸汽时的安全泄放量如下：

Ws=H/q kg/h

(3)

(5)对于换热管破裂工况，如果换热器高压侧的设计压力大于等于低压侧设计压力的13/10时，则应考虑为事故工况。安全阀的泄放量为按下式计算出的结果和高压侧正常流量比较，取二者的较小值：

Ws=5.6·d12· (Gl×△P)1/2kg/h

(4)

3.2 火灾工况下安全阀泄放量的确定

(1)对于未进行保温的压力设备的所需最大排放量：

Ws=2.55×105F·Ar0.82 /q kg/h

(5)

(2)对于有完好绝热保温层的液化气体压力设备所需的最大排放量：

Ws=2.61(650-t)λ·Ar0.82 /δq kg/h

(6)

3.3 安全阀最小泄放面积的计算

3.3.1 对于气体或蒸汽下安全阀最小泄放面积计算(A)[4]

(7)

(8)

3.3.2 对于液体安全阀最小泄放面积的计算

(9)

3.3.3 对于饱和蒸汽安全阀最小泄放面积的计算

饱和蒸汽中蒸汽含量不小于98%，最大过热度为10℃。

(1)当pd≤10MPa时：

(10)

(2)当10MPa≤pd 22MPa时：

(11)

3.4 安全阀喷嘴喉径(d1)及阀座口径(D)的计算

(1)全启式安全阀：

(12)

(2)平面密封型微启式安全阀：

(13)

(3)锥面密封型微启式安全阀

(14)

通过以上步骤计算的安全阀喷嘴喉径面积(直径或阀座口径)，根据API-526，向上圆整，选取合适的喉径截面积及其代号；再根据(7)式至(11)式反算泄放能力，以保证安全阀的泄放能力(Ws')大于或等于各种工况下的最大泄放量(Ws)。

3.5 安全阀计算选型实例

例子：某板式塔上的安全阀，基本已知参数：工艺介质为多原子气体，M=32.8 kg / kmol，冷却水中断工况的泄放量最大，4913kg/h；安全阀设定压力0.53MP(G)；允许超压10%；背压Po =0.05MP(G)。

表2 安全阀计算结果

对于化工设计院来说，设计工程师一般只需要提供安全阀的相关工艺参数，而安全阀的选型更多是让专业厂家去做。但通过对安全阀的工艺计算和选型，能更好地理解整个安全阀的工作过程，还能校核厂家选型的正确性，更加确保了工艺过程的安全性。从安全阀工艺计算结果与厂家返回资料对比，安全阀的计算结果与专业安全阀厂家的选型一致。通过装置实际运行情况，反馈安全阀选型合理。