安全阀反力计算及出口管道设计(终版)

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）
摘要本文通过多方验证，论证了安全阀反力计算公式，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超压泄放背压
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20~30MPa，一般的中压蒸汽也在2.5MPa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。

安全阀的计算和选用在很多规范及手册上都有详细讲述，在此便不再赘述。

本文根据笔者多年工程设计经验，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，并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。

通常设计人员一般采用《安全阀的设置和选用》（HG/T20570-95）中14.0.0-1式进行反力计算，即下式（公式一）：
而在API520（2003版）中，安全阀反力计算公式为下式（公式二）：
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：E101加热器需增加两个喉径为65mm的全启式安全阀，该安全阀各项参数见表1。

对安全阀出口进行反力计算，按照公式一计算反力：
602
621.0210101.021*********.7851250.27533730.58f W A P N
--=⨯⨯⨯⨯=⨯⨯⨯⨯⨯≈
其中：f —泄放反力（N ）
W —质量泄放流量（Kg/h ） k —绝热指数 T —泄放温度（K ） M —流体分子量
A —泄放管出口面积（mm ） P —泄放口压力（bar ）
按照公式二计算反力：
()
21290.11290.10.785125 2.757307.08F AP N
=+=⨯⨯⨯≈
其中：F —泄放反力（N ）
W —气体或蒸汽的流量（Kg/s ） k —出口条件下的绝热指数 T —出口温度（K ） M —流体分子量
A —泄放管出口面积（mm ） P —泄放口压力（bar ）
由上可见，两个公式计算结果差别比较大。

公式一的计算结果几乎是公式二
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CAESARⅡ中的安全阀泄放反力计算单元来进行验证。

CAESARⅡ计算结果如下：
从上表可以看出，Thrust at Vent Pipe Exit（放空管管口处反力）= 10548.128N
计算结果与公式二比较接近。

从HG/T20570-95《化工装置工艺系统工程设计规定》的《安全阀的设置和选用》一章引用标准中可知，公式一也来源于API-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API-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，公式二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。

很多工程师在做放空管设计时喜欢在管口处加两个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。

如下面两图：A图：
B图:
他们这样设计的理由是：弯头有效防止了雨水及灰尘进入放空管内。

但当我们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。

首先分析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。

再来分析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，我们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，以保证化工装置的正常运行。

安全阀出口管道的正确设计如下：
排放至开放系统的典型安全阀放空管设计见下图：
带排气管的安全阀放空管道布置见下图：
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。

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最后一道安全措施，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.化工部工艺系统设计技术中心站主编，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，《API RECOMMENDED PRACTICE 520》（第五版），200
3.8。