安全阀介绍及计算选用

安全阀介绍及计算选用
摘要从安全阀的定义和分类入手，逐步展开介绍了安全阀的选用和泄放面积的计算。

并在计算中分析了不同工况下如何选用安全阀，列出了选用安全阀选用一般规则及一些工作经验的总结。

关键词安全阀；泄放阀；安全泄放阀；安全阀泄放面积
中图分类号th13 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2011）46-0113-03
1 概述
安全阀是压力容器或者管道上超压的一种保护装置，分为超压和放真空两个系列。

当设备或者管道压力超出允许值后，安全阀开启，排放泄压，防止容器刚度失效。

所以，安全阀及排放系统，对着装置安全及人身安全都有着极为重要的意义。

凡符合《容规》适用范围的压力容器都应装设安全阀。

2 安全阀简介
安全阀的名称：
国内所称的安全阀，表达了asme标准中安全泄压阀的全部含义，包含安全阀（safety valve）、泄放阀（relief valve）、安全泄放阀（safety relief valve）。

1）安全阀（safety valve）一种由阀前介质静压力驱动的自动泄压装置。

其特征为具有突开的全开启动作。

用于气体或蒸汽的场合。

2）泄放阀（relief valve），又称溢流阀一种由阀前介质静压力驱动的自动泄压装置。

它随压力超过开启力的增长而按比例开启。

主要用于流体的场合。

3）安全泄放阀（safety relief valve），又称安全溢流阀一种由介质压力驱动的自动泄压装置。

根据使用场合不同既适用作安全阀也适用作泄放阀。

3安全阀的分类
3.1 重力式安全阀
利用重力（如重锤）来控制安全阀的定压的安全阀。

（见图1）
3.2 弹簧安全阀（见图2）
利用弹簧的弹力来设置定压的安全阀。

1）通用型
其特点是受背压影响较大。

当背压波动比较大时就不适用此类型。

2）平衡式
其特点是用活塞或者波纹管减少背压对安全阀动作性能的影响。

3.3先导式
由导阀控制的安全阀，其定压由导阀控制，动作性能基本不受背压影响。

由于一般的弹簧式安全阀，当阀前的压力超过定压的90%时，就不能密闭，这也说明同一装置使用先导式，可以更好的密封
和达到更高的压力而保证低泄露，有利于安全生产和节省运行费用，可优先考虑。

先导式的导阀还分为流动式和不流动式。

流动式因为需要连续排放少量的介质，所以当介质为有毒有害或者比较昂贵的介质，宜采用不流动式。

3.4微启式和全起式安全阀
微启式安全阀一般用于不可压缩流体。

阀瓣上升最大高度为喉径的1/20~1/40。

全起式安全阀一般用于可压缩流体。

阀瓣的上升高度一般不小于喉径的1/4。

无论是何种形式的安全阀，都有一个设定压力，定压一般等于小于要保护的设备或者管道的设计压力。

安全阀通过重锤或者弹簧设定好力q1，入口除对阀的压力为q2，其它作用于密封面上的合力（如静背压对阀瓣的作用力）为q3，当q1+q3>q2时，为正常状态，阀是密封的；当被保护的设备内压力增高，达到q1+q3q2，阀瓣落下，安全阀关闭，回到正常状态。

5安全阀的选型
需要保护的设备或管道安装安全阀可根据下列步骤进行选择和计算，最终确定安全阀的具体型号和规格。

5.1全起式和微启式
不可压缩流体（液体）用微启式，可压缩流体（气体和蒸汽）用全起式。

5.2压力设定
5.2.1定压
安全阀的压力设定是根据被保护的设备或者管道来设定的，不大于设备、管道的设计压力，从而达到保护的目的。

当多阀组安全阀时，一般定压会与第一个阀高5%的定压，从而不致一达到定压就所有的阀门全部起跳。

安全阀起跳后，要从新定压，保证定压精准；日常应该还有定压检查。

5.2.2积聚压力
非火灾工况，压力容器允许的最大积聚压力为10%，火灾工况时，压力容器为20%，管道允许的最大积聚压力为设计压力的33%。

5.2.3背压变化的选型
安全阀背压对其有着很大的影响。

通用式的安全阀非火灾工况下工作时，动背压不能超过定压的10%，火灾工况下不能超过20%；波纹管平衡式在火灾工况及非火灾工况下工作是总背压（动背压+静背压）不能超过30%。

5.3最小卸放面积计算
安全阀的最小泄放面积为物料流经安全阀是通过的最小截面积，对于全起式安全阀为喉径截面积，对于微启式安全阀则为环缝面积。

5.3.1气体或蒸汽的最小泄放面积的计算
1）临界条件的判断
可压缩气体通过阀嘴发生膨胀，其流速和比容随着下游压力降低而增加。

对于给定上游条件，通过阀嘴的质量流量不断增加，一直到在阀嘴出达到极限速度。

当该极限速度在阀嘴出流动介质达到声速，该状态为临界流动条件，与该极限速度对应的流量就是临界流量。

用于蒸汽或气体泄放的压力泄放阀，其在流体是临界流动条件下的最小泄放面积的计算公式和亚临界流动条件不同。

根据美国石油协会标准api-520的规定，对于满足式-1条件的，则为临界流动，否则为亚临界流动。

式-1临界条件判断公式
式中：
pb——背压 mpa
pcf——临界流动压力，mpa；
p泄放压力，mpa；
k绝热指数。

2）临界流动状态下的泄放面积计算
在临界流动状态下，气体或蒸汽的泄放面积的计算公式如下：式-2 气体或蒸汽在临界流动条件下的最小泄放面积
式中：
a为最小泄放面积，mm2；
w为质量泄放流量，kg/h；
kd为有效泄放系数；
c为气体特性系数；
p1为泄放压力，mpa；
kb为背压修订系数；
t为泄放温度，k；
z为气体的压缩因子；
m为分子量。

w为最大所需泄放量，通过分析各种泄放工矿（如阀门误操作、热膨胀、过度热量输入、化学反应失控、停电、外部火灾等）来确定安全阀的最大泄放量，分析方法见《压力容器安全技术监察规定》或美国石油协会标准api-520；有效泄放系数kd由安全阀厂家提供，如缺少数据可选用0.975；气体特性系数c可按下公式计算，也可从api-520中的表9或图26直接查取；背压修订系数kb由安全阀厂家提供，《hg/t 2050.2-1995 安全阀的选用和设置》图16.0.5
提供了背压平衡式安全泄放阀的kb选取曲线；气体压缩因子z可从《hg/t 2050.2-1995 安全阀的选用和设置》图16.0.6中选取。

3）亚临界流动状态下的泄放面积计算
当流体通过压力泄放阀的流动为亚临界流动状态时，对于常规安全泄压阀和先导式泄压阀，其所需的最小泄放面积按式-4计算。

式中：
f2 表示亚临界流动系数，从api-520中图29查取，p2为安全泄放阀的背压（mpa），其余的符号含义及取值同前。

平衡式安全阀在亚临界流动条件下的最小泄放面积按照式-2计算，此时背压修订系数kb应由厂商提供。

5.3.2水蒸汽的最小泄放面积的计算
式中：
kn 表示napier系数，当p1≤10.44mpa时，kn=1；当10.44mp< p1<≤22.17mpa时，kn=(27.637p1-1000)/(33.234p1-1061)。

ksh
为过热蒸汽校正系数，从api-520表10中查取，饱和蒸汽的为1。

其余的符号含义及取值同前。

5.3.3液体的泄放尺寸计算
当安全泄放阀要求确认液体的泄放能力时，其泄放阀的尺寸可用式-6计算：
式中：
q为体积流量，m3/h；
kw为背压校正系数，如果背压为大气压侧则取kw=1，平衡波纹管式泄放阀存在背压时按api-520图30确定，常规阀不需要特殊的校正；
kv为粘度校正系数，用雷诺系数从api-520图32确定；
kd为为有效泄放系数，有制造厂商提供，初步确定时可取0.65；
g为在流动温度下，液体的密度，kg/ m3。

其余的符号含义及取值同前。

对于不需要确认泄放阀的液体泄放能力的，可假设背压修订系数kb=0.65，超压为25%。

如果超压超过25%，最小泄放面积需在计算结果的基础上乘以超压校正系数，超压校正系数在api-520的图33中查询。

5.3.4进出管径确定
在确定安全阀的喉径后，通过安全阀的泄放量，初步估算一个管径，再根据泄放量及管径反推安全阀的阻力降，使其在选用的管径下压力降不高于安全阀门定压的3%，最终选定后的安全阀入口管径不得小于安全阀的入口口径。

安全阀出口管径不小于出口口径，且泄放管的压力降不高于安全阀背压的10%，平衡式安全阀出口压力降不高于定压的30%。

如果为多安全阀组时，要分别计算总管和支管的压力降，确保总压降满足上述要求。

6 结论
安全阀的选型是一项比较重要的工作，选型恰当与否将直接影响设备乃至人生的安全。

安全阀的泄放面积在api pr-526中规定很详细，有严格尺寸定义，但是在国内尚未统一定义，各个厂家自用标准也不尽相同，造成选用国内厂家生产的的安全阀较为混乱。

参考文献
[1]api pr-520(2008) sizing, selection, and installation of pressure-relieving devices in refineries.
[2]hg/t 2050.2-1995 安全阀的选用和设置.
[3]压力容器安全技术监察规定.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以pdf格式阅读原文。