安全阀的设置和计算 (2)

安全阀的设置和计算
王勇
2011年12月18日第2页安全阀的定义一
主要内容
安全阀的型式与选用二
安全阀的选型三
安全阀常用标准及规范四
安全阀的典型安装方式五
安全阀的安装、检验要求六
安全阀计算
七
1 安全阀的定义
安全阀(SAFETY VALVE)
通常是指用于蒸汽/气体介质并具有突开特性的安全阀。

泄放阀(RELIEF VALVE)
通常是指具有调节特性的安全阀,多用于不可压缩的液体介质。

安全泄放阀(SAFETY RELIEF VALVE)
即可用于蒸汽/气体介质又可用于液体介质,具有突开/调节双重动作特性。

压力泄放阀(PRESSURE RELIEF VALVE)
广义上的安全阀=安全阀+泄放阀+安全泄放阀。

2011年12月18日第3页
1.1 安全阀设置目的及工况
通过排放部分介质来保护设备安全，避免出现介质泄漏、设备破裂、爆炸等安全事故。

三种最主要的泄放工况：
出口堵塞
外部火灾
热膨胀
安全阀设计选型时需要考虑所有泄放工况中最恶劣的工况，安全阀喉径尺寸要求最大的工况，而不一定是泄放量最大的工况。

2011年12月18日第4页
全流量输入（从压缩机或泵）
PRD
Pressure
Vessel
出口堵塞
出口切断
阀关闭
2011年12月18日第5页
外部火灾
PRD
STORAGE OR
PROCESS VESSEL
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2011年12月18日第7页
PRD
LIQUID FULL PIPE OR PRESSURE VESSEL 热膨胀
1.2 名称解释
¾最高操作压力P：设备运行期间可能达到的最高压力。

¾背压力Pb：安全阀出口处压力，它是附加背压力和排放背压力的总和。

¾排放背压力Pbd：(也称“积聚背压”或“动背压”)：由于介质通过安全阀流入排入系统，而在阀出口处形成的压力。

¾附加背压力Pbs：(也称“叠加背压”或“静背压”)：安全阀动作前，在阀出口处存在的压力，它是由其它压力源在排放系统中引起的。

¾整定压力（开启压力）Ps：安全阀阀瓣在运行条件下开始升起的进口压力。

在该压力下，开始有可测量的开启高度，介质呈由视觉或听觉感知的连续排放状态。

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¾整定压力（开启压力）Ps：安全阀阀瓣在运行条件下开始升起的进口压力。

在该压力下，开始有可测量的开启高度，介质呈由视觉或听觉感知的连续排放状态。

¾排放压力Pd：阀瓣达到规定开启高度的进口压力。

¾回座压力Pr：排放后阀瓣重新与阀座接触，即开启高度变为零时的进口压力。

¾超过压力ΔP0：排放压力与整定压力之差，通常用整定压力的百分数来表示。

¾启闭压差ΔPb1：整定压力与回座压力之差，通常用整定压力的百分数来表示。

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2 安全阀的型式与选用
按结构形式分类：
直接载荷式安全阀（普通弹簧式）
一种直接用机械载荷如重锤、杠杆加重锤或弹簧来克服由阀瓣下介质压力所产生作用力的安全阀。

平衡波纹管式安全阀
平衡波纹管式安全阀是平衡式安全阀的一种。

它借助于在阀瓣和泄出阀盖间安装波纹管的方法，将普通式安全阀的背压限制降低到最少。

先导式安全阀
一种依靠从导阀排出介质来驱动或控制的安全阀，该导阀本身应是符合标准要求的直接载荷式安全阀。

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„ 以开启程度分类
全启式安全阀
指阀瓣开启高度而言，一般用于排放介质为气体 的条件下，当达到排放压力时全启。

微启式安全阀
指阀瓣开启高度而言，一般用于排放介质为液体 的条件下，当达到整定压力时开始开启，并随压力 的升高而继续开大。

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第11页


„ 3 安全阀的选型 „ 3.1 安全阀选型参数
‹ 介质状态(气/液/气液双相)。

‹ 气态介质的分子量&Cp/Cv值。

‹ 液态介质的比重/黏度。

‹ 安全阀泄放量要求。

‹ 设定压力。

‹ 背压。

‹ 泄放温度。

2011年12月18日
第12页


„ 3.2 安全阀选型
排放不可压缩液体的膨胀泄压，宜 选用微启式安全阀，也可选用全启式 安全阀。

当介质为液体选用全启式安 全阀时，它的动作性能则变为微启 式，其喷嘴内径应按微启式计算。

在石油、石化生产装置中一般选用 普通弹簧式安全阀、平衡波纹管式安 全阀或先导式安全阀。

„ 3.2.1 普通弹簧式安全阀选用原则
a.介质放空，无背压；
b.背压稳定。

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第13页


弹簧式安全阀的优点
„ 结构简单,可靠性高 „ 适用范围广 „ 价格经济 „ 对介质不过分挑剔
2011年12月18日
第14页


2011年12月18日
弹簧式安全阀的缺点
„ 过大的入口压力降会
造成阀门的频跳,缩短
阀门使用寿命。

Guide
„ 预漏--由于阀座密封
Disc Holder 力随介质压力的升高
而降低,所以会有预漏
Disc
现象--在未达到安全
阀设定点前,就有少量
Nozzle
介质泄出。

第15页


„ 3.2.2平衡波纹管式安全阀的 选用
„ 安全阀的背压力大于其整 定压力的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；
平衡波纹管式安全阀不适用 于酚、蜡液、重石油馏分、含 焦粉等的介质上，也不适用于 往复压缩机选用。

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第16页


平衡波纹管弹簧式安全阀的优点
„ 在普通产品基础上加装 波纹管,使其平衡背压的 能力有所增强。

„ 能够使阀芯内件与高温/ 腐蚀性介质相隔离。

2011年12月18日
第17页


各种形式的平衡波纹管弹簧安全阀
400 Modu.
200 POP
2011年12月18日
高温型
软密封型
高压型 第18页


安全阀开启度与背压的关系
开度 %
100% 90% 80% 70% 60% 50%
0%
2011年12月18日
普通弹簧式
平衡波纹管式
20%
40%
60%
80%
背压/设定压力（%）
第19页


„ 3.2.3先导式安全阀的选用：
„ 安全阀的背压力大于其整定压力的30%以上时；
„ 对要求安全阀的密封性能特别好的场合；
„ 对于介质有毒、有害时，应选用不流动式导阀 （即导阀打开时，它不向外排放介质）。

除用于无毒、不可燃介质、蒸汽、空气、氮气的安 全阀外，所有安全阀都应选用密封弹簧式结构。

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第20页


先导式安全阀
导压管
活塞密封 活塞导向
不平衡 移动副 (活塞) 导管
2011年12月18日
导阀
P1 P2
P1
入口
弹性阀座
出口
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„ 先导式安全阀优点 ¾ 阀座软密封保证安全阀起跳前后的良好密封性。

¾ 允许工作压力接近安全阀的整定压力。

较小超压就
能使主阀迅速达到全启状态。

¾ 安全阀动作性能和开启高度不受背压的影响。

¾ 启闭压差可调。

¾ 导阀不流动型结构设计减少了有害介质的排放和环
境污染。

¾ 可在线检测安全阀的整定压力。

¾ 有突开型/调节型两种动作特性。

¾ 可远传取压。

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第22页


„ 先导式安全阀的缺点 ¾ 对介质比较挑剃,不适用于较脏/较粘稠的介质,此类
介质会堵塞引压管及导阀内腔。

¾ 成本较高。

2011年12月18日
第23页


„ 3.3 带把手的安全阀 按照ASME的要求，对于如下介质的安全阀应选用
带把手的安全阀： ¾ 空气 ¾ 蒸汽 ¾ 温度超过60℃的热水
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第24页


„ 4 安全阀常用标准及规范 „ 4.1 国外标准 ¾ ISO 4126-1 安全阀 一般要求 ¾ API RP 520: 炼油厂泄压装置的定径、选择和安装
第一部分：定径和选择
第二部分: 安装
¾ API std 526: 钢制法兰泄压阀 ¾ API std 527: 泄压阀阀座的密封性 ¾ ASME PTC 25: 泄压装置 性能试验规范 ¾ ASME 锅炉与压力容器规范
第I卷: 动力锅炉
第Ⅷ卷:压力容器
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第25页


„ 4.2 国内标准 ¾ GB 12241 安全阀 一般要求 ¾ GB 12242 安全阀 性能试验方法 ¾ GB 12243 弹簧直接载荷式安全阀 ¾ GB 150 钢制压力容器，附录B 超压泄放装置 ¾ 国家质量技术监督局《压力容器安全技术监察规程》
第七章 安全附件 ¾ 中华人民共和国劳动部《蒸汽锅炉安全技术监察规 程》 第七章 主要附件和仪表 ¾ 中华人民共和国劳动部《关于在用锅炉压力容器安 全阀校验的若干意见》
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第26页


„ 5 安全阀的典型安装方式
关于安全阀的设置，GB50160 《石油化工企业设计 防火规范》2008版，第5.5.1节规定：
在非正常条件下，可能超压的下列设备应设安全阀：
¾ 1 顶部最高操作压力大于等于0.1MPa的压力容器；
¾ 2 顶部最高操作压力大于0.03MPa的蒸馏塔、蒸发塔 和汽提塔（汽提塔顶蒸汽通入另一蒸馏塔者除外）；
¾ 3 往复式压缩机各段出口或电动往复泵、齿轮泵、 螺杆泵等容积式泵的出口（设备本身已有安全阀者除 外）；
¾ 4凡与鼓风机、离心式压缩机、离心泵或蒸汽往复泵 出口连接的设备不能承受其最高压力时，鼓风机、离 心式压缩机、离心泵或蒸汽往复泵的出口；
2011年12月18日
第27页


¾ 5 可燃气体或液体受热膨胀，可能超过设计压力的 设备； ¾ 6 顶部最高操作压力为0.03～0.1MPa的设备应根据 工艺要求设置。

GB50160 《石油化工企业设计防火规范》2008版， 第5.5.3节规定：
下列的工艺设备不宜设安全阀： ¾ 1 加热炉炉管； ¾ 2 在同一压力系统中，压力来源处已有安全阀，则 其余设备可不设安全阀； ¾ 3 对扫线蒸汽不宜作为压力来源。

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第28页


„ 5.1 单阀设置（无切断阀） 设置方式一：只安装一个安全阀，且安全阀的前
后不加截断阀 。

符合下列情况之一时，可按方式 一设置安全阀： ¾ 在间断或批量生产的操作单元 中，能满足一年一校的要求。

¾ 为满足安全阀一年一样的要 求，设备内物料可倒空的。

2011年12月18日
第29页


„ 5.2 单阀设置（有切断阀）
凡需要连续运转一年以上 的设备，且在安全阀校验的 时间内，可利用其他措施能 保证系统不超压的。

如有备用设备时，单台设 备上的安全阀设置。

2011年12月18日
第30页


2011年12月18日
第31页
5.3 单阀设置（有切断阀和
旁路）
在安全阀校验时间内，不能
利用其他措施来保证系统不超
压时；
开停车时，需要通过安全阀
的副线阀来排放物料时。

对于比较重要的工艺安全
阀，不推荐采用这种方式，应
为不能安全、有效地保证年检。

2011年12月18日
第32页
5.4 单阀设置（带爆破片）
在同时满足如下两个条件是可
以按这种方式设置安全阀，带爆
破片，但不设切断阀。

1）在介质为下列情况之一时：
粘稠介质；
腐蚀介质；
介质会自聚；
介质带有固体颗粒。

2）安装一个安全阀，仅加爆破
片就可满足在线校验的要求时。

2011年12月18日
第33页
5.5 单阀设置（带切断阀
和爆破片）
在设置方式5.4
的情况下，
且设备运行周期内需在线更
换爆破片时，应按这种方式
设置安全阀。

2011年12月18日
第34页
5.6 双阀设置（带备用安
全阀和前后切断阀）
在用以上方式都不能达到
“一般每年至少应校验一次”
要求的场合，可按这种方式
设置并联备用安全阀，并用
铅封或阀锁等安全、有效的
方法使它们处于一开一闭的
状态，并保证设备不会因为
误操作导致两阀同时关闭，
而失去保护。

安全阀（双阀）快速切换装置
2011年12月18日第35页
安全阀快速切换装置
2011年12月18日第36页
Y形三通安全阀（双阀）快速切换装置特点
¾Y形三通流路设计，一个工位安装两个相同的安全阀（和爆破片），其中一个在线进行超压保护，而另一个则作为维修备用。

¾换向系统操作安全、简便、快捷，1分钟内就可完成切换。

¾快速切换减少人员在有害环境中的暴露时间。

快速切换无需装置停车，提供连续的超压保护，避免应急停车维修所带来的昂贵费用损失。

¾显著的红色手柄正确指示在线安全阀（和爆破片）的位置。

2011年12月18日第37页
¾在每个安全阀（和爆破片）下方，安装有一个泄出阀，用以安全、有效的泄出待拆卸安全阀前的介质，并将其引入排放管中。

¾快速切换装置中设有平衡阀，因而转动力矩小，操作轻便。

¾满足从低温至+260°C的介质温度应用。

¾换向阀阀座可以浮动，有利于多次动作后仍保持所需密封性。

¾流阻小，保证安全阀入口前管线压降低于整定压力的3%，符合API RP 520 Part II 中的要求。

2011年12月18日第38页
2011年12月18日
第39页
6 安全阀的安装、检验要求
安全阀安装前必须经校验定压合格、铅封后方可安装，铅封应标明校验日期。

截断阀的铅封要求：在安全阀前后安装截断阀时，必须确认截断阀灵活好用，铅封应符合设计要求。

安全阀一般每年至少应校验一次。

安全阀在使用过程中出现下列情况之一时，就及时校验：
超出开启压力开启；
低于开启压力却开启；
低于回座压力阀瓣才能回座；
发生频跳、颤振、卡阻时。

安全阀校验可采用在线校验或离线校验的方式。

7 安全阀计算
7.1 气相工况泄放面积计算（一）
面积单位(cm2)（设定压力大于或等于1.03 barg时）
体积流量(Nm3/hr)质量流量(kg/hr)
V: gas flow capacity (Nm3/hr)
M: molecular weight of gas
T: absolute relieving temperature (K) Z: compressibility factor
C: gas constant
K: valve discharge coefficient(K
D
X0.9) P1: absolute pressure at valve inlet connection @relieving conditions (bara) Kb: back pressure correction factor W: gas flow capacity (kg/hr)
T: absolute relieving temperature (K) Z: compressibility factor
C: gas constant
K: valve discharge coefficient (K
D
X0.9) P1: absolute pressure at valve inlet connection @relieving conditions (bara) Kb: back pressure correction factor M: molecular weight of gas
A =
V MTZ
17.02 CKP
1
K
b
√ 1.316 W TZ
CKP
1
K
b
M
A =
√
√
2011年12月18日第40页
2011年12月18日
第41页
( )C = 520
k
k -
k + 1
k -12
k + 1
RATIO OF SPECIFIC HEATS, k =
C P
C V
C
400380360
340320
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
√
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第42页
常用气体属性（一）
ACETYLENE 26
343 1.26AIR
29356 1.40AMMONIA 17348 1.31ARGON 40378 1.67BENZENE 78329 1.12BUTADIENE
54329 1.12CARBON DIOXIDE 44345 1.28CARBON MONOXIDE 28356 1.40ETHANE 30336 1.19ETHYLENE 28341 1.24FREON 2286335 1.18HELIUM 4377 1.66HEXANE
86
322
1.06
Gas
Molecular Weight
“C ”Factor “k ”, Ratio Of
Specific Heats 如果不能明确具体气相组分，可以取: C = 315
2011年12月18日
第43页
HYDROGEN
2357 1.41HYDROGEN SULFIDE 34349 1.32METHANE
16348 1.31METHYL MERCAPTON 48337 1.20N -BUTANE
58326 1.09NATURAL GAS (0.60)18.9344 1.27NITROGEN 28356 1.40OXYGEN 32356 1.40PENTANE 72323 1.07PROPANE 44330 1.13PROPYLENE 42332 1.15STEAM
18348 1.31SULPHUR DIOXIDE 64346 1.29VCM
62
335
1.18
Gas
Molecular Weight
“C ”Factor
“k ”, Ratio Of Specific Heats
如果不能明确具体气相组分，可以取: C = 315
常用气体属性（二）
2011年12月18日
第44页
A =
V MTZ 12510 F K D P 1 √A =
W TZ 558 F K D P 1M
√√体积流量(Nm3/hr)
质量流量(kg/hr)
面积单位(cm 2)
（设定压力小于1.03 barg 时）
气相工况泄放面积计算（二）
F =
( )[()-()
]
k k -1
P 2P 1
2k
k+1k
P 2P 1
√
F = Subsonic flow factor
“F”Factor
AG/C Series 90 And 9000
0.55
0.50
0.45
0.40
0.35
0.30
0.25
0.20
0.15
0.10
1.000.900.800.700.600.500.40
k = 1.90
k = 1.40
k = 1.00
= Absolute Pressure Ratio
P
2
P
1
F
2011年12月18日第45页
2011年12月18日
第46页
A=Orifice Area, [cm 2]W=Flow Rate [kg/hr]K=ASME Coefficient
K SH =Superheat Correction Factor K P(N)=High Pressure Correction Factor (over [110 barg])
K b = Back Pressure Factor
P 1= Set + Overpressure -Inlet Pres. Loss + Local Atmospheric Pressure, psia [bara]
A =
W
52.5 K K SH K P(N)K b P 1
7.2 蒸汽工况泄放面积计算
面积单位(cm 2)
SET PRES. barg 1.03
1.38
2.76
4.14
5.52
6.90
8.27
9.65
11.0
12.4
13.8
15.2
16.6
17.9
19.3
20.7 24.1 27.6 31.0 34.5
SAT.
STEAM
o C
121
126
142
153
162
170
177
183
188
193
198
202
206
210
213
217
225
231
238
243
TOTAL STEAM TEMPERATURE, o C
138
1.00
1.00
149
1.00
1.00
1.00
160
1.00
1.00
1.00
1.00
171
0.99
0.99
1.00
1.00
1.00
1.00
182
0.99
0.99
0.99
0.99
1.00
1.00
193
0.98
0.98
0.99
0.99
0.99
1.00
1.00
1.00
1.00
205
0.98
0.98
0.98
0.98
0.99
0.99
0.99
1.00
1.00
1.00
1.00
1.00
216
0.97
0.97
0.97
0.97
0.98
0.98
0.98
0.99
0.99
0.99
0.99
1.00
1.00
1.00
1.00
227
0.96
0.96
0.96
0.96
0.97
0.97
0.97
0.98
0.98
0.98
0.99
0.99
0.99
0.99
1.00
1.00
1.00
238
0.95
0.95
0.95
0.95
0.96
0.96
0.96
0.96
0.97
0.97
0.97
0.98
0.98
0.98
0.99
0.99
1.00
1.00
249
0.94
0.94
0.94
0.94
0.94
0.95
0.95
0.95
0.95
0.96
0.96
0.96
0.97
0.97
0.97
0.98
0.99
0.99
1.00
1.00
260
0.93
0.93
0.93
0.93
0.93
0.94
0.94
0.94
0.94
0.95
0.95
0.95
0.95
0.96
0.96
0.96
0.97
0.98
0.99
0.99
271
0.93
0.93
0.93
0.93
0.93
0.94
0.94
0.94
0.94
0.94
0.94
0.95
0.95
0.96
0.96
0.96
0.97
0.97
0.98
0.99
[METRIC] K SH Superheat Correction Factor
过热矫正因子
2011年12月18日第47页
2011年12月18日第48页
= Orifice Area, [cm 2]= Req ’d Capacity, [m 3/hr]
= Backpressure Correction Factor
= Viscosity Correction Factor (Assume 1.0)
= Set + Overpressure (10%)-Inlet Pressure Loss, [barg]= Back Pressure, [barg]
A V L K W K V P 1P 20.196 V L G
K K W K V
P 1 -P 2
A =
√√ 7.3 液体工况泄放面积计算
面积单位(cm 2)
2011年12月18日
第49页
R = Reynold’s Number
A = Next Larger Orifice Area Than
Calculated, Assuming K v
= 1.0, [cm 2]G = Specific Gravity
V L
= Required Capacity, [m 3/hr]µ= Absolute Viscosity (Cp)
R = Reynold’s Number A ′= Next Larger Orifice Area Than Calculated, Assuming K v = 1.0, [cm 2]G = Specific Gravity V L = Required Capacity, [m 3/hr]µ= Absolute Viscosity (Cp) L
31,313 G V L
µA ′
R =
√v 如果，K v < 1.0, 需要重新计算泄放面积:
L W V
1 2
0.196 V L G
K K W K V P 1 -P 2A =
√√首先计算雷诺数，然后按下表查找Kv值:
2011年12月18日
第50页
“K v ”Viscosity Correction Factor
Reynolds's Number
0.91.00.8
0.70.60.50.40.3
100
1,000
10,000
100,000
K V。