API 520-安全阀计算PART1(中文版)

炼油厂泄压装置的定径、选择和安装
第Ⅰ部分定径和选择
1引言
1.1范围
本推荐方法适用于炼油厂及相关工业中最大允许工作压力为15psig（103kPag）或更高的设备所用泄压装置的定径与选择。

本方法所涉及泄压装置是对无火压力容器和相关设备进行保护，防止因操作故障和火灾而出现超压。

本方法包括基本定义、各种泄压装置的操作特性和应用方面的资料以及基于牛顿型流体稳态流动时泄压装置的定径程序和方法。

泄压装置仅用于容器的超压保护，对极端高温环境如火灾情况下容器的结构故障并不提供保护。

参阅API RP 521中有关降压及限制热输入的相应资料。

API Std 2000所涉及的常压、低压储罐及用于运输散装产品的压力容器或集装箱不在本方法内容之列。

受火压力容器超压保护规范的相关内容在ASME《锅炉与压力容器规范》第Ⅰ卷及ASME B31.1中，本方法并不涉及此内容。

1.2术语
1.2.1至1.2.3对本方法中有关泄压装置及其尺寸特性和操作特性的术语予以定义。

确切的讲，这些术语是出现在各节正文和相应的说明中。

1.2.1泄压装置
1.2.1.1泄压装置( pressure relief device )：是靠进口静压驱动，在出现事故或工况不正常时开启，以防止内部流体压力的上升超过规定数值。

该装置也能设计成防止过量的内部真空。

该装置可以是泄压阀、非重新闭合泄压装置或真空解除阀。

1.2.1.2泄压阀( pressure relief valve )：是一种能开启泄压后关闭以防止工况恢复正常后流体继续流出的泄压装置。

a.泄放阀( relief valve )是一种由阀上游的静压驱动的弹簧载荷式泄压阀。

阀的升程，
通常与超过开启压力的压力增加值成正比。

泄放阀主要用于不可压缩流体。

【液体】
b.安全阀( safety valve )是一种由阀上游的静压驱动，具有快速开启或突跳特性的弹
簧载荷式泄压阀。

安全阀通常用于可压缩流体。

【气体】
c.安全泄放阀( safety relief valve )是一种根据用途之不同，可用作安全阀，亦可用
作泄放阀的弹簧载荷式泄压阀。

【气液两相】
d.常规式泄压阀( conventional pressure relief valve )是一种工作特性直接受阀后背压
变化影响的弹簧载荷式泄压阀。

e.平衡式泄压阀( balanced pressure relief valve )是一种采用波纹管或其它措施以使
背压对阀工作特性的影响减至最小的弹簧载荷式泄压阀。

【利用空间抵消了出口管线造成的背压】
f.先导式泄压阀( pilot operated pressure relief valve )是一种主要泄放装置或主阀与
自身驱动的辅助泄压阀（导阀）协同工作并受辅助泄压阀控制的泄压阀【由辅助阀来泄压，可以忽略所有的背压实现安全阀的泄放】。

1.2.1.3非重新闭合泄压装置( non-reclosing pressure relief device )：是一种开启后不能再自动关闭的泄压装置。

可提供手动重新设定的方法。

1.2.1.4爆破片装置( rupture disk device )：是一种不能再关闭的泄压装置，其由装置进口和出口的静压差驱动，通过爆破片的破裂起作用。

爆破片装置包括爆破片( rupture disk )和爆破片夹持器( rupture disk holder )。

a.爆破片( rupture disk )是爆破片装置的承压、对压力和温度敏感的元件。

b.爆破片夹持器( rupture disk holder )是一种包容和夹持爆破片以固定其位置的装
置。

（有些爆破片直接安装在标准法兰间而无须夹持器。

）
c.无碎片型爆破片( nonfragmenting rupture disk )是一种安装在其它管道部件（如泄
压阀）上游，其爆破时不会影响这些部件功能的爆破片。

1.2.1.5销动式装置( pin-actuated device )：是一种非重新闭合泄压装置，其由静压驱动，通过弯曲或断裂用来固定活塞或堵塞的销钉而工作。

当销钉弯曲或断裂时，活塞或堵塞就会立即到达全开位置。

1.2.2泄压装置的尺寸特性
1.2.2.1实际排放面积( actual discharge area )：确定通过阀门流量的最小净面积。

1.2.2.2帘面积( curtain area )：是阀瓣开启而在阀座上方的阀座表面与开启高度之间的圆柱或圆锥排放面积。

1.2.2.3有效排放面积( effective discharge area )：使用有效排量系数按本推荐方法中的初步定径公式来计算泄压阀所需最小排放量的名义面积或计算面积。

API Std 526列出了喉径代号从“D”到“T”的有效排放面积。

1.2.2.4通孔面积( bore area )：阀座在最小横截面处的流动面积。

又称阀座面积、阀座喉部面积和喉部面积。

1.2.2.5蓄压室( huddling chamber )：位于泄压阀阀座下游，帮助阀开启的环状室。

1.2.2.6进口口径( inlet size )：除非另有规定，即指阀进口连接处的公称管径（NPS）。

1.2.2.7出口口径( outlet size )：除非另有规定，即指阀出口连接处的公称管径（NPS）。

1.2.2.8开高( lift )：当阀泄放时，阀瓣离开关闭位置的实际行程。

1.2.2.9最小净流动面积( minimum net flow area )：爆破片完全破裂后，适当考虑各结构元件对通过爆破片装置所可能产生的减小净流动面积这一影响后的计算净面积。

用于定径目的的净流动面积不大于爆破片装置的公称管面积。

1.2.3操作特性
1.2.3.1排量系数( coefficient of discharge )：阀的质量流量与理想喷嘴的质量流量之比。

它是用于计算泄压装置的流量。

a.有效排量系数( effective coefficient of discharge ) 是一名义值，与有效排放面积
结合用以计算泄压阀所需最小排放量。

该排放量依据本推荐方法中的初步定径
公式确定。

b.额定排量系数( rated coefficient of discharge ) 是依据适用的规范或法规确定，与
实际排放面积结合用以计算泄压阀的额定排放量。

1.2.3.2系统压力和温度( system pressure and temperature )（参见图1和图26中有关以下压力术语的图表说明）
a. 最高操作压力( maximum operating pressure )是系统正常操作期间期望的最大压
力。

b. 最高允许工作压力( maximum allowable working pressure )(MAWP)是整个容器在
规定温度下正常运行时顶部允许的最大表压力，该温度是与最高允许工作压力相一致的指定温度。

最高允许工作压力是依据容器设计准则对于容器的各个构件的实际名义厚度所确定的内部或外部压力的最小值，不包括因腐蚀和压力以外的载荷而附加的金属厚度。

最高允许工作压力是保护容器的泄压装置的压力设定基础。

最高允许工作压力一般大于设计压力，但在设计准则仅用于计算各个构件的最小厚度和计算并非用于确定最高允许工作压力的值时，最高允许工作压力应与设计值相同。

c. 设计压力( design pressure )，容器的设计压力及设计温度是依据容器设计准则用
于确定各个构件的最小允许厚度和物理特性。

设计压力由用户选定，以提供一个合适的压力极限，此极限大于正常操作期间所预期的与温度相一致的最为苛刻的压力条件。

设计压力也就是订购单上指定的压力。

在没有确定最高允许工作压力的情况下，该压力可以作为最高允许工作压力使用。

设计压力等于或低于最高允许工作压力。

d. 积聚( accumulation )是在泄压装置排放过程中，允许压力增加超过容器的最高
允许工作压力的压力数值，以压力单位或以最高允许工作压力或设计压力的的百分数表示。

依据适用的规范对操作故障和火灾确定最大允许积聚。

【是以最高允许压力为基准的，超过压力是超过整定压力部分的压力数值】
e. 超过压力( overpressure )是压力增加超过泄放装置的整定压力、以获得额定排量
的压力数值，以压力单位或以整定压力的百分数表示。

只有在泄压装置定压在容器的最高允许工作压力时开启，超过压力才与累积相等。

f. 额定排量( rating relieving capacity )是适用的规范或法规允许用作泄压装置使用
基准的那部分排量。

其由制造商提供。

注：装置上所标明的排量是依据相应规范所要求的以蒸汽、空气、气体或水作为介质的额定排量。

1.2.3.3装置压力( device pressure )（参见图1、图26、图27、图28和图29中有关以下压力术语的图表说明）
a.整定压力( set pressure )是在工作条件下，泄压装置设定在开启时的进口处的表
压。

b.冷态试验差压力( cold difference test pressure )(CDTP)是在试验台上将泄压阀调
整到开启时的压力。

冷态试验差压力包括对使用条件下背压或温度或两者的修
正。

c.爆破压力( burst pressure )，在指定温度下爆破片的爆破压力是爆破片即将爆破
前的上游静压与其下游静压的差值。

当下游静压为大气压力时，爆破压力即是
上游静表压。

d.标记爆破压力( marked burst pressure )，或爆破片的额定爆破压力是爆破片在指
定温度下由试验确定并由制造商标明在标签上的爆破压力。

如果用户没有特别
指定，标记爆破压力可以是制造范围内的任何压力。

标记爆破压力适用于同一
批次中所有的爆破片。

e.指定爆破压力( specified burst pressure )是由用户特别规定的爆破压力。

标记爆
破压力可能高于或低于指定爆破压力，但必须在制造范围之内。

在确定指定爆
破压力时，用户对制造范围、附加背压和指定温度的考虑会很谨慎。

f.爆破压力允差( burst-pressure tolerance )是爆破片在指定温度下爆破时的压力与
标记爆破压力的偏差值。

g.同批次爆破片( a lot of rupture disks )是指制造时间、尺寸、材料、厚度、型式、
制造工艺以及热处理都相同的一批爆破片。

h.制造范围( manufacturing range )是指爆破片必须标明的压力范围。

制造范围通常
由制造商以指定爆破压力的百分比的形式编成目录给出。

该目录上的制造范围
经用户和制造商协议后可以更改。

i.背压( back pressure )是由于排放系统的压力而存在于泄压装置出口处的压力。

背压是附加背压( superimposed back pressure )和排放背压( built-up back pressure)
的总和。

j.排放背压( built-up back pressure )是泄压装置开启后，由于流动而在泄压装置出口处形成的压力。

k.附加背压( superimposed back pressure )是泄压装置需要开启时存在于出口处的静压。

它是因为其它原因在排放系统中产生的压力。

该压力可能是恒定的，也可能是变动的。

l.启闭压差( blowdown )是泄压阀整定压力和关闭压力的差值，以整定压力的百分比或压力单位表示。

m.开启压力( opening pressure )是阀瓣具有可测开高或是流体连续排出时增加了的进口静压值。

阀瓣具有可测开高和流体的连续排出能由视觉、触觉或听觉予以确定。

n.关闭压力( closing pressure )是阀瓣重新与阀座接触或阀瓣的开高为零时减小了的进口静压值。

阀瓣重新与阀座接触和开高为零能由视觉、触觉或听觉予以确定。

o.前泄( simmer )是开启前进口静压低于整定压力时阀瓣与阀座之间有可听见或可看见的可压缩流体的逸出。

p.泄压阀的操作比( operating ratio )是系统最大操作压力与整定压力之比。

q.爆破片的操作比( operating ratio )是系统最大操作压力与下列和爆破片相关的一个压力（参见图28和图29）之比。

1．若标记爆破压力高于40 psi：操作比是系统最大操作压力与标记爆破压力之比。

2．若标记爆破压力等于或低于40 psi：操作比是系统最大操作压力与标记爆破压力减去2 psi后所得压力数值之比。

r．泄漏试验压力( leak-test pressure )是阀座泄漏试验时规定的进口静压力。

s. 泄放条件( relieving conditions )一词是用于表明泄压装置在超压情况下的进口压力和温度。

泄放压力等于阀的整定压力（或爆破片的爆破压力）与超过压力之和。

（泄放条件下流体的温度可能高于或低于操作温度。

）
t. 指定爆破片温度( specified disk temperature )是爆破片预期爆破时的温度。

制造商用该温度来确定标记爆破压力。

指定爆破片温度极少情况下是容器的设计温度，
甚至不会是操作温度或泄放温度，这取决于泄放系统的结构。

1.3参考出版物
本推荐方法引用下列现行版本的标准、规范和出版物：
API
RP 520 《炼油厂泄压装置定径、选择和安装》第Ⅱ部分，“安装”
Std 526 《钢制法兰连接泄压阀》
Std 510 《压力容器检查规范—维修检查、评定、修理和更换》
RP 521 《泄压和减压系统指南》
Std 527 《泄压阀阀座的密封性》
RP 576 《泄压装置的检查》
Std 2000 《通大气储罐和低压储罐（非冷藏和冷藏）》
ASME
《锅炉和压力容器规范》第Ⅰ卷“动力锅炉”，1998
《锅炉和压力容器规范》第Ⅷ卷“压力容器”，第一分册，1998
B31.1《动力管线》，1995，最近的附录
B31.3《过程管线》，1996，最近的附录
注：
1.该图符合ASME《锅炉与压力容器规范》第Ⅷ卷要求，其中最高允许工作压力大于30psi；
2.所示压力条件适用于安装在压力容器上的泄压阀；
3.整定压力允许偏差应与适用的规范一致；
4.最高允许工作压力等于或大于相应设计温度下的设计压力；
5.操作压力可以高于或低于90；
6.ASME规范第Ⅷ卷，第一分册，附录M应是启闭压差和压差的指导性文件。

图1—泄压阀的压力关系图
2 泄压装置
2.1概述
本章阐述了单独或组合使用的泄压装置的基本原理、操作特性、应用场合及其选择。

这些装置包括弹簧载荷式和先导式泄压阀、爆破片装置以及其它的泄压装置。

本文对这些装置进行了阐述和图示（图2-18）说明。

2.2泄压阀
2.2.1弹簧载荷式泄压阀
2.2.1.1常规式泄压阀
2.2.1.1.1常规式泄压阀（见图2和5）是一种自动动作的弹簧载荷式泄压阀，其在预先确定的压力下开启，并从容器或系统中泄放流体以保护容器或系统免受超压。

图5所示小规格阀门通常用作热膨胀泄放阀。

弹簧载荷式泄压阀基本元件包括：连接在被保护容器或系统上的进口阀座、控制流过阀座流体的可移动的阀瓣和控制阀瓣位置的弹簧。

在正常的系统操作条件下，进口压力低于整定压力，阀瓣坐在阀座上同时阻止流体流出阀座。

2.2.1.1.2弹簧载荷式泄压阀涉及多种术语，例如安全阀、泄放阀和安全泄放阀。

这些术语通常分别用于气体或蒸气介质、液体介质或多种介质用的阀门。

泄压阀，这个更多的总称，用于本文并应用于所有三种情况。

2.2.1.1.3常规弹簧载荷式泄压阀的动作基于力的平衡（见图19）。

当系统压力等于阀门整定压力时，弹簧力预先设定到等于进口介质作用在关闭阀瓣上的力。

当进口压力低于整定压力时，阀瓣仍旧坐在阀座上处于关闭位置。

当进口压力高于整定压力时，作用在阀瓣上的压力克服弹簧力，同时阀门开启。

当进口压力降低到低于整定压力的某个值时，阀门再次关闭。

2.2.1.1.4在正常操作条件下，阀门处于关闭状态时，见图19A，作用在阀瓣表面（面积“A”）上的系统或容器压力被弹簧力抵消。

随着系统压力接近阀门的整定压力，阀瓣与阀座之间的作用力接近零。

2.2.1.1.5用在蒸气或气体介质中时，阀门在突跳前可能会有前泄。

当容器压力非常接近整定压力时，可以听到介质流过阀座表面进入蓄压腔“B”。

由于反冲盘与调节圈间节流作用的结果，蓄压腔“B”内的压力增加（见图19B）。

因为这时压力作用在更大的面积上，产生一个通常被称为膨胀力的附加力来克服弹簧力。

通过调节调节圈，便可以调
节环形流道缝隙的大小，从而控制蓄压腔“B”内的压力。

这种蓄压腔内被控制的压力将克服弹簧力，导致阀瓣离开阀座，阀门突跳开启。

2.2.1.1.6 一旦阀门已经开启，“C”处便会产生附加增压（见图19C）。

这是由于突然的流量的增加以及由反冲盘裙边的内沿与调节圈外径所围成的另一个环形流道上的节流所造成的。

这些“C”处的附加力会导致阀瓣在突跳时达到足够的开启高度。

2.2.1.1.7流量始终被阀座与阀瓣间的开度限制着，直到阀瓣离阀座的开启高度接近1/4喉径。

当阀瓣达到这种程度的开启高度以后，流量便由喉部通孔面积控制而不是阀座表面间的面积了。

2.2.1.1.8 当进口压力已经降到低于整定压力足够多，以致弹簧力足以克服“A”，“B”，“C”三处力之和时，阀门关闭。

阀门回座时的压力就是关闭压力。

整定压力与关闭压力的差称为启闭压差。

2.2.1.1.9 图20表示的是阀瓣从整定压力（图中A点）经历超压阶段到达最大泄放压力（B点），经历启闭压差阶段回到关闭压力（C点）的全部行程。

2.2.1.2液体介质用弹簧载荷式泄压阀
2.2.1.2.1液体介质用阀门不会像蒸气介质用阀门那样突跳（见图21），因为液体流动不产生象蒸气流动那样的膨胀力。

液体介质用阀门必须依靠反作用力来达到开启高度。

2.2.1.2.2当阀门关闭时，作用在阀瓣上的力与应用于蒸汽介质中的作用的力是相同的，直到达到力的平衡，即保持阀座关闭的合力接近零。

从这时起，力的关系就完全不同了。

2.2.1.2.3在最初开启时，逸出的液体形成一层非常薄的流体,见图21A，在阀座表面间迅速扩展。

液体冲击阀瓣反冲盘的反作用面，并被折流向下，产生向上推动阀瓣和反冲盘的反作用（涡轮）力。

在最初的2%～4%的超过压力范围内，这些力通常建立得很慢。

2.2.1.2.4随着流量逐渐增加，流过阀座的液体的速度头也在增加。

这些动量作用力与快速泄放的液体介质由于从反作用表面（见图21B）被折流向下所产生的作用力的合力足以使阀门达到全开。

通常情况下，在2%～6%的超过压力下，阀门会突然间波动到50%～100%的全开高。

随着超过压力增加，这些力继续增加，推动阀门达到全开。

ASME鉴定的液体介质阀门的排放量，要求阀门在10%或更小的超过压力下，达到全部的额定排量。

2.2.1.2.5在阀门关闭的过程中，随着超过压力减小，液体介质动量和反作用都减小，弹簧力推动阀瓣返回与阀座接触。

2.2.1.2.6过去，许多用在液体介质中的泄压阀都是为可压缩（蒸气）介质设计用的安全泄放阀或泄放阀。

许多这样的阀门当用在液体介质时，需要高的超过压力（25%）才能
达到全开高和稳定的工作，这是因为液体介质无法提供蒸气介质那样的膨胀力。

在需要液体泄压阀在积聚10%内工作的场合中，在阀门定径时，排量的计算要用上保守的系数0.6。

结果，许多设置都是超规格的，而且也经常出现工作不稳定的现象。

对这种类型阀门的定径规范见3.9。

2.2.1.2.7液体介质用阀门在10%的超过压力下的性能和需要排量鉴定的规定已经被列入ASME《锅炉和压力容器规范》第Ⅷ卷和其它的国际标准中。

按照要求，在10%超过压力下，达到全开启、稳定工作和额定泄放量的液体介质用泄压阀已经研制出来。

有些阀门的结构启闭压差是可以调节的。

有些阀门设计成在液体和气体介质中都能工作。

但这样的阀门取决于介质是液体、气体还是两者的混合而表现不同的操作特性。

例如，许多液体介质用泄压阀，用在气体介质比液体介质中，会有大很多的启闭压差（通常是20%）。

另外，如果阀门用液体介质整定后，用在气体或蒸气介质中或相反时，整定压力会发生一些变化。

2.2.1.2.8液体介质用泄压阀的定径准则见
3.8。

如果需要的是气体介质的排量，3.6.2或
3.6.3可用来进行初步的定径计算。

液体和气体介质用阀门定径用的排量鉴定数据应从制造商获得，用于阀门最终的定径和应用。

2.2.1.2.9当被泄放介质可能是液体、气体或是多相混合时，液体（或气液共存）介质用弹簧载荷式泄压阀和为了使背压的影响减至最小而设计的弹簧载荷式泄压阀，建议按照气液两相介质应用设计。

许多制造商建议如果在阀门进口处两相混合的质量百分比是蒸气占50%或者更低时，应选用液体或液气混合介质用阀门。

另外，如果介质流中液体与气体的比例不确定，应选用专门为液体介质或气液混合介质设计的阀门。

2.2.1.2.10 设计用于液体和气体介质的泄压阀，应指定通常阀门所被暴露在的介质。

例如，如果一个液体和气体介质用阀门被安装在有液相界面容器的蒸气区域时，阀门应被说明为气体介质用。

印在铭牌上的阀门排量是单位为SCFM的空气排量。

如果液体和气体介质阀门安装在换热器水一侧，那么阀门应被指定为液体介质用。

这种阀门应有一个单位为GPM的水的排量标记。

2.2.1.2.11在有些场合中，阀门有可能需要泄放液体或是气体，这要取决于导致超压的条件（例如换热器管破裂）。

在这种情况下，推荐选用液体介质或是气液共用阀门。

2.2.1.3 平衡式泄压阀
2.2.1.
3.1 平衡式泄压阀是利用波纹管或其它平衡阀瓣的方法使背压对阀门的性能特性影响减至最小的一种弹簧载荷式泄压阀（见图3和4）。

2.2.1.
3.2当附加背压作用在弹簧载荷式泄压阀的出口时，该压力作用在阀瓣上作为弹簧的附加力。

这个附加力增加了非平衡式泄压阀开启的压力。

如果附加背压是变化的，那么阀门开启的压力也会变化（见图22）。

在平衡波纹管式泄压阀中，波纹管以A B的压力面积（约等于阀瓣的密封面积A N）连接在反冲盘上（见图23）。

这样就在阀瓣上隔离出一块约等于阀瓣密封面积的背压作用面积。

有了波纹管的附加作用，尽管背压有变化，泄压阀的整定压力仍会保持恒定。

应注意的是，平衡波纹管弹簧载荷式泄压阀的波纹管的内部面积是参照的阀盖内的大气压力。

为了波纹管的正常性能，牢记住平衡式泄压阀阀盖必须始终通向大气是十分重要的。

如果阀门安装在与大气接通会带来危险或环境法规不允许的地方，那么泄出口应用管子连接到一个没有背压（它可能影响泄压阀整定压力）的安全地点。

2.2.1.
3.3 有些阀门的设计中也用到了其他平衡弹簧载荷式泄压阀的方法，比如密封的活塞。

这些设计特性在一定程度上类似于平衡波纹管的设计。

2.2.1.
3.4当附加背压恒定时，弹簧力可减小，以弥补背压对整定压力的影响，而平衡式阀门则不需要。

有些情况下，附加背压不总是恒定的，这些情况必须仔细评估。

2.2.1.
3.5在排放背压（泄放阀开启后，流体流过下游管道所产生的背压）对于常规泄压阀过高的场合中（见3.3.3.1），应考虑采用平衡式泄压阀。

关于背压的更详细论述以及背压对泄压阀性能和排量的影响详见3.3。

2.2.1.
3.6 平衡式泄压阀也是一种将阀门内的导套、弹簧、阀盖和其它顶部的工作零件从泄放流体中隔离出来的方法。

这一点对于关注流体会对这些零件产生腐蚀破坏的场合是十分重要的。

2.2.2 先导式泄压阀
2.2.2.1先导式泄压阀是由通常附有一个浮动的不平衡活塞部件的主阀和一个外部的导阀组成（见图6至10）。

活塞的设计是顶部面积比底部面积更大【必须顶部面积大，这样会确保能自动关闭】。

在达到整定压力前，顶部和底部表面承受相同的进口操作压力下。

由于顶部活塞面积更大，净作用力保持活塞紧压在主阀阀座上。

随着操作压力的增加，阀座的净作用力增加，以使阀门关闭的更紧密。

这个特点允许大多数先导式阀门被用在最大期望的操作压力高于图1所示的百分比场合中。

在整定压力下，导阀将活塞顶部的压力泄出，造成此时净作用力向上，导致活塞开启，流体通过主阀。

经过超压阶段后，导阀关闭活塞顶部的泄出口，因此重新建立压力，净作用力导致活塞回座。