蒸汽管道安全阀出口管道布置

2022-09-06马萧

工程建设与设计 2022年16期

马萧

（华陆工程科技有限责任公司，西安 710076）

1 安全阀相关规范要求

综合GB 50160—2008《石油化工企业设计防火规范》（2018 版）[1]、GB 50316—2000《工业金属管道设计规范》（2008版）[2]、SH 3012—2011《石油化工金属管道布置设计规范》[3]、TSG ZF001—2006《安全阀安全技术监察规程》[4]等规范中关于安全阀管线要求，设备和管道上的蒸汽安全泄压装置向大气排放时，宜符合下列要求：

1）排放管口不得朝向邻近设备或有人通过的地区。

2）操作压力＞4.0 MPa 的蒸汽管道的排放管口高度应高出以安全泄压装置为中心，半径为8 m 范围内的操作平台或建筑物顶3 m 以上。

3）操作压力为0.6～4.0 MPa 蒸汽管道的排放管口的高度宜高出以安全泄压装置为中心，半径为4 m 范围内的操作平台或建筑物顶3 m 以上。

4）操作压力＜0.6 MPa 的蒸汽及其他非可燃介质管道排放管口高度宜高出邻近操作平台或建筑物顶2.2 m 以上。

因此，蒸汽管道安全阀放空口应根据泄放蒸汽压力的不同调整其泄放高度，同时放空管口不得朝向邻近设备或有人通过的地区。为了方便安全阀校验的要求，安全阀布置要综合考虑放空口的安全性以及安全阀检修的便利性。

2 安全阀出口管线布置

2.1 安全阀出口管线水平排放

安全阀出口管线水平排放，排放管线末端切成45°切口，防止雨水进入排放管线。安全阀出口管线采用此布置方式布置简单，节省材料及空间，但存在以下几个问题：

1）把安全阀排向大气的管口切成45°向下斜切口，往往由于切口方向不合适，致使排出物喷向平台，存在安全隐患，不满足规范要求。

2）根据《石油化工金属管道布置设计规范》，按蒸汽管道安全阀排放口操作压力对排放高度的要求，至少应在2.2 m以上，如果按照此要求安装安全阀，会导致安全阀的安装高度过高，不方便检修。

3）进入安全阀出口管线的少量雨水及蒸汽排放的凝液无法排出。

通过以上综合分析，此种安全阀布置方式若用于蒸汽管线安全阀出口管线，会引起安全阀安装高度过高而不便于检修的问题，因此，蒸汽管线安全阀出口管线不推荐使用此方案。

2.2 安全阀出口管线朝上排放

安全阀出口管线朝上排放，可以考虑将安全阀布置在相对容易检修操作的平台上，将排放管线布置在高点，满足规范的要求，安全阀出口管线向上排放时，管道末端会有以下3 种处理方式：

1）安全阀放空管线末端不做处理。安全阀出口管线向上排放，放空口满足规范高度要求，管道末端不做处理，直接放空。安全阀出口管线采用此布置方案，安全阀泄放时泄放的蒸汽朝上排出，阻力降相对较小，但是安全阀泄放的蒸汽覆盖了安全阀上方的区域，因此，采用此种布置方案时，安全阀应集中布置在相对独立的区域，避免安全阀起跳时出现危险。由于放空管直接朝上，雨水等会直接进入放空管线，放空管线需要考虑合适的排放措施。

2）安全阀放空管线末端加弯头。安全阀放空管线末端加弯头，满足规范中放空口的高度要求，避开人员通行的区域。安全阀放空管线采用此方案可控制泄放方向，避开人员通行的区域，减少安全隐患，但由于管件增多，管道泄放的阻力降相应增大。泄放介质液体含量较高时，对于蒸汽介质如果水含量较高时，使用弯头会使安全阀泄放时在水平面上影响的区域扩大，较难实现避开人员通行的区域。

3）安全阀放空管线末端加三通。安全阀放空管线末端加三通，放空口满足规范中放空口的高度要求，避开人员通行的区域，三通又可分为普通三通和Y 形三通两种。安全阀放空管线，影响安全阀泄放，但是由于有了两个泄放口，因此，在布置时要充分考虑安全阀的位置及泄放口的朝向，避开人员通行的地方。Y 形三通相对于普通三通可以有效减少安全阀泄放时在水平面的影响范围，对于泄放时夹杂水的蒸汽采用Y 形三通则更为有利，但是其在低点的雨水等液体的积聚情况可能较为严重，需要做好排液措施。

安全阀出口管线向上排放时，为了避免泄放阻力过大，减小安全阀泄放时承受的反作用力，可采用将放空管和安全阀出口管线脱开的方式。

放空管管径较出口管的管径大，主要起到导流的作用，在放空管下方设置集液盘，防止泄放气体反冲，并在集液盘上设置积液排放口，这种安全阀出口管线布置方式有效减少了出口管的长度，降低了安全阀泄放时的阻力降，对于高温高压蒸汽采用这种布置方式较为有利。

2.3 安全阀出口管线排液措施

安全阀出口管线需要充分考虑排液措施，避免出口管线积液影响安全阀泄放。针对雨水、凝液排放有以下两种方案可供选择：

1）安全阀出口管线设置排水孔。安全阀出口管线考虑雨水及凝液的排放，可在安全阀出口管线上设置排泄孔。根据TSG ZF 001—2006《安全阀安全技术监察规程》中排泄孔设置要求，蒸汽和液体使用的安全阀需在低于阀座密封面的集液最低部位设置排泄孔。排泄孔设置要求见表1。根据表中数据，结合实际安全阀尺寸及管道直径合理设置排泄孔。

表1 安全阀出口管线排泄孔设置要求

蒸汽管道安全阀出口管线采用此种布置方式时，当蒸汽管道安全阀起跳时，大量蒸汽从排放管线及排泄孔排出，如果有人员处于排泄孔下方，则有一定的安全隐患。因此，此方案在设置排泄孔时要考虑排泄孔下方是否有人员通行，当安全阀布置在钢格栅等未完全阻断的平面及楼面时，不建议采用此方案。

2）安全阀出口管线设置排液管线。安全阀出口管线低点位置设置排液管线，引至安全处排放。这个方案有效解决了蒸汽管线泄放过程中的安全隐患及平时雨水等积液问题，推荐高温高压的蒸汽管道采用此方案。

蒸汽安全阀出口管线积液排放措施还要考虑寒冷地带的防冻问题，根据项目的实际情况设置可靠的防冻措施，避免排泄孔或者排液管线失去作用，影响安全阀的泄放。

3 安全阀出口管线管道支架布置方式

安全阀出口排放管设计时，如果在出口管道外加设放空管，安全阀出口管道支架设计还包括安全阀放空管支架设计。蒸汽由安全阀排入大气时，在出口管中心线上产生与流向相反的作用力，致使安全阀与压力容器壁连接管口根部有一个弯矩和剪力，以及出口管的自重、振动和热膨胀等力的作用，安全阀的出口管应设置可靠的管道支架。通常在安全阀放空管道上靠近最上面排放口处设置固定支架，同时为了防止安全阀出口产生过大的横向冲击力，在固定支架下面的垂直管道上，每隔6～8 m 设置一处导向支架。

气体排放到大气的安全阀，简化的反力计算公式如下：

式中，F为安全阀出口管中心线反力，N；W为气体或蒸汽泄放量，kg/h；k为绝热系数；T为入口绝对温度，K；M为气体或蒸汽的相对分子质量。

其中，蒸汽安全阀泄放量可参照DL/T 5054—2016《火力发电厂汽水管道设计规范》[5]11.5.1 条及11.5.2 条公式进行计算得到。

当蒸汽管道压力未达到安全阀的整定压力Ps前，安全阀进口方向的蒸汽流速为零，因此，可近似认为蒸汽的实际压力等于蒸汽的滞止压力P0。当安全阀动作时，安全阀进口蒸汽达到稳定流动的实际压力应为排放压力Pd，对于蒸汽安全阀，Pd可取1.03Ps。

在安全阀排放压力P0下，蒸汽所能达到的最高工作温度即为滞止温度T0。对于主蒸汽系统，T0取用锅炉过热器出口蒸汽额定工作温度加上锅炉正常运行时允许的温度偏差；对于锅炉汽包、除氧器、高压加热器等压力容器，T0取用与排放压力P0相对应的饱和蒸汽温度；对于减压阀后的蒸汽管道，建议T0取用减压阀前蒸汽管道的最高工作温度。滞止比容v0可在滞止压力P0和滞止温度T0确定后通过水蒸气表得到。

根据式（1），结合具体项目的蒸汽及安全阀数据可计算反力，在安全阀出口管道设置合适的限位支架。

4 结论

基于本文讨论的几种安全阀出口管线布置方式，结合蒸汽介质高温且含水的特点，当安全阀泄放时反作用力及出口管线管径较小时，安全阀出口管线可考虑采用向上排放的方式（放空口末端不做处理）；当安全阀泄放时反作用力及出口管线管径较大，主要针对高温高压的蒸汽，安全阀出口管线布置推荐采用放空管与出口管线脱开的方式，既能减小对安全阀的反作用力，又能减小出口管线的阻力降。

安全阀排放管线考虑到排放时的噪声，可在放空口末端安装消音器，但消音器应有足够的流通面积，防止其产生的背压影响安全阀的正常运行和排放。当放空口尺寸较大时需要设置防鸟网，避免杂物进入管道影响安全阀的泄放。

安全阀出口管线要考虑雨水及蒸汽凝液排放问题，结合不同项目实际情况选择合适的排放方式，并且要考虑排液的防冻措施。在条件允许的情况下推荐使用排放管线的方式。

安全阀出口管线要设置可靠的支架，靠近安全阀管线要设置限位架，当放空管线与出口管线脱开时，放空管线顶部设置固定支架，之后每隔6～8 m 设置导向支架，可根据本文中安全阀的反作用力计算公式计算反作用力，根据实际的反作用力，选择合适的支架形式，避免安全阀起跳时出口管线无可靠支架引起安全问题。