安全阀反力计算及出口管道设计浅析_谭永新
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图 １ 中 Ｂ 图，放空管水平出口，泄放时必然 以水平推力的形式作用到管道出口，由于管道上 没有反方向支架来承受此反力，则此力必然通过 管道以力矩形式作用到安全阀和设备管口处，当 反力大到一定程度时，甚至会导致法兰变形、管 口撕裂。
以上分析可见，图 Ａ 和图 Ｂ 的管道设计从安 全角度来讲是不合理的，但此种配管在很多工程 设计文件中经常见到，有些已经随着安全阀泄放 而引起了事故，甚至造成了触目惊心的破坏，也 留下了深刻的教训。因此，在设计安全阀出口管 道时，一定要考虑到反力的影响，必须采取措施 保证反力不会对安全阀及其连接的设备管口产 生破坏，以保证化工装置的安全、正常运行。
造成破坏、避免管道积液等。我们重点从保证安 全阀反力不会产生破坏这方面，分析出口管道的 合理设计。
在安全阀出口放空管设计时，有的在管口处 加两个 ９０ 度弯头，使放空管最终管口朝下；或者 加一个 ９０ 度弯头，使管口水平排放。见图 １。
Ａ
Ｂ
图 1 安全阀排放管连接示意图
第３期
谭永新等：安全阀反力计算及出口管道设计浅析
A０— ——泄放管出口截面积，ｍ ｍ ２； P２— ——泄放管出口静压力，Ｍ Ｐａ（表）； k———绝热指数。
而在 Ａ ＰＩ－５２０（２００３ 版）中，安全阀反力计算
公式为：
姨 F＝１２９W
kT （k＋１）M
＋０．１（AP）
式中
（２）
F— ——泄放反力（Ｎ）； W— ——气体或蒸汽的流量（ｋｇ／ｓ）； k———出口条件下的绝热系统； T— ——出口温度（Ｋ）； M—— —流体分子量； A— ——泄放管出口面积（ｍ ｍ ２）； P— ——泄放口压力（ｂａｒ）。 我们可以看出，以上两个公式是有些差异 的。下面我们通过一个实例计算，对两个公式的 计算结果进行对比。 例题：某加热器需设置两个喉径为 ６５ｍ ｍ 的 全启式安全阀，该安全阀各项参数见表 １。
从计算结果可以看出，ＴｈｒｕｓｔａｔＶ ｅｎｔＰｉｐｅ Ｅ ｘｉｔ （放空管管口处反力）＝ １０ ５４８．１２８Ｎ
计算结果与公式（２）比较接近。 从 Ｈ Ｇ ／Ｔ２０５７０－９５《化工装置工艺系统工程 设计规定》中的《安全阀的设置和选用》一章引用 标准中可知，公求（１）也来源于 Ａ ＰＩ－５２０，按理说 二者计算结果应该一致。但为什么却出现了差 异，据笔者分析，可能从 Ａ ＰＩ－５２０ 引用该计算公 式时，由于单位转换出现了一些问题，导致了它 与源公式计算结果的不同。当然，这还需要该标 准相关内容编者的认可。 按以上分析我们可以推断出，公式（２）的计 算结果应该是比较可信的。 3 安全阀出口管道的设计 安全阀出口管道设计时，需要考虑的因素很 多，例如：满足介质流速要求、防止背压过大影响 安全阀启动、保证安全阀反力不会对阀门及管道
安全阀的计算和选用在很多规范及手册上 都有详细讲述，在此不再赘述。现根据多年工程 设计经验，着重在安全阀反力计算及出口管道的 设计两方面进行深入探讨。 2 安全阀反力计算
安全阀阀瓣开启泄放时，管道内流体的快速 流动会对排放管道产生一定的作用力，并通过排 出管道传至安全阀，且以力矩的形式通过管道作 用在安全阀的设备接口。因此需要对这种力和力 矩进行计算，以保证安全阀进出口管道及设备接 口、法兰的安全。
表 1 安全阀参数表
安全阀 型号
喉径 ／ｍ ｍ
Ａ ４２Ｙ －４０ ６５
泄放量 公称直径 公称压力 起跳压力 出口直径 泄放管口压力 操作压力 操作温度
／ｋｇ／ｈ
／ｍ ｍ
／Ｍ Ｐａ ／Ｍ Ｐａ
／ｍ ｍ
／Ｍ Ｐａ
／Ｍ Ｐａ
／℃
４２ ５００ １００
４
２．７５
１２５
０．２７５
２．５
２５０
２
氮肥技术
２０１１ 年第 ３２ 卷
（收稿日期：２０１１－０４－１２）
姨姨姨姨姨姨
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图 2 排放至开放系统的安全阀放空管设计示意图
姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨姨
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1 前言 安全阀是化工装置压力容器、压力管道超压
保护的重要设施。在装置运行过程中，当遇到阀 门误关、火灾、冷却介质停供、电力故障而导致系 统压力超过安全阀设定压力时，阀瓣开启泄压， 保护系统设备及管道不因超压而发生事故。
大多数化工装置系统操作压力较高，比如合 成氨装置中氨合成操作压力可达 ２０～３０Ｍ Ｐａ，一 般的中压蒸汽也在 ２．５Ｍ Ｐａ 左右。而且化工物料 多是可燃易爆介质，如果安全阀设计考虑不周， 超压泄放时易引起火灾、爆炸等事故。因此从系 统安全的角度出发，安全阀的合理计算与设计对 化工装置来说是非常重要的。
２０１１ 年第 ３２ 卷第 ３ 期
氮肥技术
１
安全阀反力计算及出口管道设计浅析
谭永新 王金玉 杨 明 （山东天浩化工设计有限公司 济南 ２５０１０１）
摘 要 简要介绍通过验证安全阀反力计算公式，认为 Ａ ＰＩ－５２０（２００３ 版）中的公式比较可信。同时在安全阀出口管道的 设计方面进行了深入探讨。 关键词 安全阀 反力计算 出口管道 设计
建议排放至开放系统的安全阀放空管设计 见图 ２。
带排气筒的安全阀放空管设计见图 ３。
图 3 带排气筒的安全阀放空管设计示意图
在这两种管道布置中，安全阀出口管端部都 是垂直向上，泄放时产生的反力则是垂直向下 的。由于管道上设有承受垂直反力的管架，因此 反力产生的力和力矩不会作用到安全阀及连接 的管口或管道上，从而保护了安全阀及连接的管 口或管道的安全。
对安全阀出口进行反力计算，按照公式（１） 计算反力：
姨 f＝１．０２×１０－６×W×
kT （k＋１）M
＋１０×A０×P２
姨 ＝１．０２×１０－６×４２ ５００× １．２８×５２３ ２．２８×４４
＋１０×０．７８５×１２５２×０．２７５
≈３３ ７３０．５８Ｎ
按照公式（２）计算反力：
姨 f＝１２９W
kT （k＋１）M
＋０．１（AP）
姨 ＝１２９× ４２ ５００ １．２８×５２３ ＋０．１ ３ ６００ ２．２８×４４ ×０．７５８×１２５２×２．７５ ≈７ ３０７．０８Ｎ 由上可见，两个公式计算结果差别比较大。 公式（１）的计算结果几乎是公式（２）的五倍。 究竟哪一个公式的计算结果更为可信呢？我 们再用管道应力分析软件 Ｃ Ａ Ｅ ＳＡ Ｒ Ⅱ中的安全阀 泄放反力计算单元来进行验证。 Ｃ Ａ Ｅ ＳＡ Ｒ Ⅱ计算结果如下：
３
这样设计的理由是：弯头有效防止了雨水及 灰尘进入放空管内。但把上面两种设计做深入分 析时，就会发现在安全阀反力存在的情况下，如 此设计是存在安全隐患的。
图 １ 中 Ａ 图，放空管出口向下，泄放时出口 处的反力则向上作用，由于弯头 １ 处没有支架承 受反力，则反力最终必然以力和力矩的形式作用 在安全阀 ２ 和管口 ３ 处，容易造成安全阀、管口 及法兰的破坏。
小小安全阀看似简单，实则关系到化工装置 运行的安全，作为系统超压保护的一道安全措 施，工程设计人员一定要严谨计算、精心设计，使 安全阀在关键时刻起到应有的作用，从而保证系 统的安全。
参考文献 １ 原 化 部 工 艺 系 统 设 计 技 术 中 心 站 主 编 ．Ｈ Ｇ ／Ｔ
２０５７０－９５，化工装置工艺系统工程设计规定（二）．化学 工业部发布，１９９６．５ ２ 美国石油研究协会 《． Ａ ＰＩＲ Ｅ Ｃ Ｏ Ｍ Ｍ Ｅ Ｎ Ｄ Ｅ Ｄ ＰＲ Ａ Ｃ ＴＩＣ Ｅ ５２０》（第五版）．２００３．８
通常设计人员一般采用《安全阀的设置和选 用》（Ｈ Ｇ ／Ｔ２０５７０．２－９５）中 １４．０．１－１ 式进行反力计 算：
姨 f＝１．０２×１０－６×W×
kT （k＋Hale Waihona Puke Baidu）M
＋１０×A０×P２（１）
式中
f—— —泄放反力，Ｎ ；
W— ——质量泄放流量，ｋｇ／ｈ；
T— ——泄放温度，Ｋ ；
M—— —分子量；
以上分析可见，图 Ａ 和图 Ｂ 的管道设计从安 全角度来讲是不合理的，但此种配管在很多工程 设计文件中经常见到，有些已经随着安全阀泄放 而引起了事故，甚至造成了触目惊心的破坏，也 留下了深刻的教训。因此，在设计安全阀出口管 道时，一定要考虑到反力的影响，必须采取措施 保证反力不会对安全阀及其连接的设备管口产 生破坏，以保证化工装置的安全、正常运行。
造成破坏、避免管道积液等。我们重点从保证安 全阀反力不会产生破坏这方面，分析出口管道的 合理设计。
在安全阀出口放空管设计时，有的在管口处 加两个 ９０ 度弯头，使放空管最终管口朝下；或者 加一个 ９０ 度弯头，使管口水平排放。见图 １。
Ａ
Ｂ
图 1 安全阀排放管连接示意图
第３期
谭永新等：安全阀反力计算及出口管道设计浅析
A０— ——泄放管出口截面积，ｍ ｍ ２； P２— ——泄放管出口静压力，Ｍ Ｐａ（表）； k———绝热指数。
而在 Ａ ＰＩ－５２０（２００３ 版）中，安全阀反力计算
公式为：
姨 F＝１２９W
kT （k＋１）M
＋０．１（AP）
式中
（２）
F— ——泄放反力（Ｎ）； W— ——气体或蒸汽的流量（ｋｇ／ｓ）； k———出口条件下的绝热系统； T— ——出口温度（Ｋ）； M—— —流体分子量； A— ——泄放管出口面积（ｍ ｍ ２）； P— ——泄放口压力（ｂａｒ）。 我们可以看出，以上两个公式是有些差异 的。下面我们通过一个实例计算，对两个公式的 计算结果进行对比。 例题：某加热器需设置两个喉径为 ６５ｍ ｍ 的 全启式安全阀，该安全阀各项参数见表 １。
从计算结果可以看出，ＴｈｒｕｓｔａｔＶ ｅｎｔＰｉｐｅ Ｅ ｘｉｔ （放空管管口处反力）＝ １０ ５４８．１２８Ｎ
计算结果与公式（２）比较接近。 从 Ｈ Ｇ ／Ｔ２０５７０－９５《化工装置工艺系统工程 设计规定》中的《安全阀的设置和选用》一章引用 标准中可知，公求（１）也来源于 Ａ ＰＩ－５２０，按理说 二者计算结果应该一致。但为什么却出现了差 异，据笔者分析，可能从 Ａ ＰＩ－５２０ 引用该计算公 式时，由于单位转换出现了一些问题，导致了它 与源公式计算结果的不同。当然，这还需要该标 准相关内容编者的认可。 按以上分析我们可以推断出，公式（２）的计 算结果应该是比较可信的。 3 安全阀出口管道的设计 安全阀出口管道设计时，需要考虑的因素很 多，例如：满足介质流速要求、防止背压过大影响 安全阀启动、保证安全阀反力不会对阀门及管道
安全阀的计算和选用在很多规范及手册上 都有详细讲述，在此不再赘述。现根据多年工程 设计经验，着重在安全阀反力计算及出口管道的 设计两方面进行深入探讨。 2 安全阀反力计算
安全阀阀瓣开启泄放时，管道内流体的快速 流动会对排放管道产生一定的作用力，并通过排 出管道传至安全阀，且以力矩的形式通过管道作 用在安全阀的设备接口。因此需要对这种力和力 矩进行计算，以保证安全阀进出口管道及设备接 口、法兰的安全。
表 1 安全阀参数表
安全阀 型号
喉径 ／ｍ ｍ
Ａ ４２Ｙ －４０ ６５
泄放量 公称直径 公称压力 起跳压力 出口直径 泄放管口压力 操作压力 操作温度
／ｋｇ／ｈ
／ｍ ｍ
／Ｍ Ｐａ ／Ｍ Ｐａ
／ｍ ｍ
／Ｍ Ｐａ
／Ｍ Ｐａ
／℃
４２ ５００ １００
４
２．７５
１２５
０．２７５
２．５
２５０
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氮肥技术
２０１１ 年第 ３２ 卷
（收稿日期：２０１１－０４－１２）
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图 2 排放至开放系统的安全阀放空管设计示意图
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1 前言 安全阀是化工装置压力容器、压力管道超压
保护的重要设施。在装置运行过程中，当遇到阀 门误关、火灾、冷却介质停供、电力故障而导致系 统压力超过安全阀设定压力时，阀瓣开启泄压， 保护系统设备及管道不因超压而发生事故。
大多数化工装置系统操作压力较高，比如合 成氨装置中氨合成操作压力可达 ２０～３０Ｍ Ｐａ，一 般的中压蒸汽也在 ２．５Ｍ Ｐａ 左右。而且化工物料 多是可燃易爆介质，如果安全阀设计考虑不周， 超压泄放时易引起火灾、爆炸等事故。因此从系 统安全的角度出发，安全阀的合理计算与设计对 化工装置来说是非常重要的。
２０１１ 年第 ３２ 卷第 ３ 期
氮肥技术
１
安全阀反力计算及出口管道设计浅析
谭永新 王金玉 杨 明 （山东天浩化工设计有限公司 济南 ２５０１０１）
摘 要 简要介绍通过验证安全阀反力计算公式，认为 Ａ ＰＩ－５２０（２００３ 版）中的公式比较可信。同时在安全阀出口管道的 设计方面进行了深入探讨。 关键词 安全阀 反力计算 出口管道 设计
建议排放至开放系统的安全阀放空管设计 见图 ２。
带排气筒的安全阀放空管设计见图 ３。
图 3 带排气筒的安全阀放空管设计示意图
在这两种管道布置中，安全阀出口管端部都 是垂直向上，泄放时产生的反力则是垂直向下 的。由于管道上设有承受垂直反力的管架，因此 反力产生的力和力矩不会作用到安全阀及连接 的管口或管道上，从而保护了安全阀及连接的管 口或管道的安全。
对安全阀出口进行反力计算，按照公式（１） 计算反力：
姨 f＝１．０２×１０－６×W×
kT （k＋１）M
＋１０×A０×P２
姨 ＝１．０２×１０－６×４２ ５００× １．２８×５２３ ２．２８×４４
＋１０×０．７８５×１２５２×０．２７５
≈３３ ７３０．５８Ｎ
按照公式（２）计算反力：
姨 f＝１２９W
kT （k＋１）M
＋０．１（AP）
姨 ＝１２９× ４２ ５００ １．２８×５２３ ＋０．１ ３ ６００ ２．２８×４４ ×０．７５８×１２５２×２．７５ ≈７ ３０７．０８Ｎ 由上可见，两个公式计算结果差别比较大。 公式（１）的计算结果几乎是公式（２）的五倍。 究竟哪一个公式的计算结果更为可信呢？我 们再用管道应力分析软件 Ｃ Ａ Ｅ ＳＡ Ｒ Ⅱ中的安全阀 泄放反力计算单元来进行验证。 Ｃ Ａ Ｅ ＳＡ Ｒ Ⅱ计算结果如下：
３
这样设计的理由是：弯头有效防止了雨水及 灰尘进入放空管内。但把上面两种设计做深入分 析时，就会发现在安全阀反力存在的情况下，如 此设计是存在安全隐患的。
图 １ 中 Ａ 图，放空管出口向下，泄放时出口 处的反力则向上作用，由于弯头 １ 处没有支架承 受反力，则反力最终必然以力和力矩的形式作用 在安全阀 ２ 和管口 ３ 处，容易造成安全阀、管口 及法兰的破坏。
小小安全阀看似简单，实则关系到化工装置 运行的安全，作为系统超压保护的一道安全措 施，工程设计人员一定要严谨计算、精心设计，使 安全阀在关键时刻起到应有的作用，从而保证系 统的安全。
参考文献 １ 原 化 部 工 艺 系 统 设 计 技 术 中 心 站 主 编 ．Ｈ Ｇ ／Ｔ
２０５７０－９５，化工装置工艺系统工程设计规定（二）．化学 工业部发布，１９９６．５ ２ 美国石油研究协会 《． Ａ ＰＩＲ Ｅ Ｃ Ｏ Ｍ Ｍ Ｅ Ｎ Ｄ Ｅ Ｄ ＰＲ Ａ Ｃ ＴＩＣ Ｅ ５２０》（第五版）．２００３．８
通常设计人员一般采用《安全阀的设置和选 用》（Ｈ Ｇ ／Ｔ２０５７０．２－９５）中 １４．０．１－１ 式进行反力计 算：
姨 f＝１．０２×１０－６×W×
kT （k＋Hale Waihona Puke Baidu）M
＋１０×A０×P２（１）
式中
f—— —泄放反力，Ｎ ；
W— ——质量泄放流量，ｋｇ／ｈ；
T— ——泄放温度，Ｋ ；
M—— —分子量；