安全閥的工藝計算

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1各種事故工況下泄放量的計算

1.1閥門誤關(guān)閉

1.1.1出口閥門關(guān)閉，入口閥門未關(guān)閉時，泄放量為被關(guān)閉的管道最大正常流量。

1.1.2管道兩端的切斷閥關(guān)閉時，泄放量為被關(guān)閉液體的膨脹量。此類安全閥的入口普通別大于DN25。但關(guān)于大口徑、長距離管道和物料為液化氣的管道，液體膨脹量按式(1.1)計算。

1.1.3換熱器冷側(cè)進出口閥門關(guān)閉時，泄放量按正常工作輸入的熱量計算，計算公式見式(1.1)。

1.1.4充滿液體的容器，進出口閥門全部關(guān)閉時，泄放量按正常工作輸入的熱量計算。按式(1.1)計算液體膨脹工況的泄放量：

V=B·H／(G

l·C

p

)(1.1)

式中:

V——體積泄放流量，m3／h；

B——體積膨脹系數(shù)，l／℃；

H——正常工作條件下最大傳熱量，kJ／h；

G

l

——液相密度，kg／m3；

C

P

--定壓比熱，kJ／(kg℃)。

1.2循環(huán)水故障

1.2.1以循環(huán)水為冷媒的塔頂冷凝器，當循環(huán)水發(fā)生故障(斷水)時，塔頂設(shè)置的安全閥泄放量為正常工作工況下進入冷凝器的最大蒸汽量。

1.2.2以循環(huán)水為冷媒的其它換熱器，當循環(huán)水發(fā)生故障(斷水)時，應(yīng)認真分析妨礙的范圍，確定泄放量。

1.3電力故障

1.3.1停止供電時，用電機驅(qū)動的塔頂回流泵、塔側(cè)線回流泵將停止轉(zhuǎn)動，塔頂設(shè)置的安全閥的泄放量為該事故工況下進入塔頂冷凝器的蒸汽量。

1.3.2塔頂冷凝器為別裝百葉的空冷器時，在停電事情下，塔頂設(shè)置的安全閥的泄放量為正常工作工況下，進入冷凝器的最大蒸汽量的15%。

1.3.3停止供電時，要認真分析停電的妨礙范圍，如泵、壓縮機、風機、閥門的驅(qū)動機構(gòu)等，以確定腳夠的泄放量。

1.4別凝氣的積存

1.4.1若塔頂冷凝器中有較多無法排放的別凝氣，則塔頂設(shè)置的安全閥的泄放量與1.2規(guī)定相同。

1.4.2其它積存別凝氣的場合，要分析其妨礙范圍，以確定泄放量。1.5操縱閥故障

1.5.1安裝在設(shè)備出口的操縱閥，發(fā)生故障時若處于全閉位置，則所設(shè)安全閥的泄放量為流經(jīng)此操縱閥的最大正常流量。

1.5.2安裝在設(shè)備入口的操縱閥，發(fā)生故障時若處于全開位置時：

(1)關(guān)于氣相管道，假如滿腳低壓側(cè)的設(shè)計壓力小于高壓側(cè)的設(shè)計壓力的2／3，則安全閥的泄放量應(yīng)按式(1.5)計算：

W=3171.3(CVl—CV2)Ph(Gg／T)1/2(1.5)

式中

W——質(zhì)量泄放流量，k8／h；CVl——操縱閥的Cv值，

CV2——操縱閥最小流量下的Cv值；Ph——高壓側(cè)工作壓力，MPa，Gg氣相密度，kg／m3；T——泄放溫度，K。

假如高壓側(cè)物料有也許向低壓側(cè)傳熱，則必須思考傳熱的妨礙。

(2)關(guān)于液相管道，安全閥的泄放量為操縱閥最大經(jīng)過量與正常流量之差，同時要恐怕高壓側(cè)物料有無閃蒸。1.6過度熱量輸入

換熱器熱媒側(cè)的操縱閥失靈全開、切斷閥誤開，設(shè)備的加熱夾套、加熱盤管的切斷閥誤開等工況下，以過度熱量的輸入而引起的氣體蒸發(fā)量或液體的膨脹量來計。

1.7易揮發(fā)物料進入高溫系統(tǒng)

1.7.1輕烴誤入熱油以及水誤入熱油等工況下，由于產(chǎn)生大量蒸汽，致使容器內(nèi)的壓力迅速上升。

1.7.2由于此事故工況下的泄放量無法確定而且壓力升高十分迅速，因此，安裝安全閥是別合適的，應(yīng)設(shè)置爆破片。

1.7.3這種工況的愛護措施是確保幸免發(fā)生此類事故。

1.8換熱器管破碎

1.8.1假如換熱器低壓側(cè)的設(shè)計壓力小于高壓側(cè)的設(shè)計壓力的2／3時，則應(yīng)作為事故工況思考。

1.8.2依照1.8.1的條件，安全閥的泄放量按式(1.8)計算出的結(jié)果和高壓側(cè)正常流量比較，取二者的較小值。1.8.3換熱器管破碎時的泄放量

W=5.6·d2·(Gl×ΔP)1/2(1.8)

式中

W——質(zhì)量泄放流量，kg／h；d——管內(nèi)徑，mm；Gl——液相密度，kg／m3；

ΔP——高壓側(cè)(管程)與低壓側(cè)(殼程)的壓差，MPa。本公式適用于高壓流體為液相。1.9化學反應(yīng)失控

1.9.1關(guān)于放熱的化學反應(yīng)，假如溫度、壓力和流量等自動操縱失靈／使化學反應(yīng)失控，形成“飛溫”，這時產(chǎn)生大量的熱量，使物料急劇大量蒸發(fā)，形成超壓。這類事故工況，安裝安全閥不管在反應(yīng)時刻，依然在泄放速率方面均別能滿腳要求，應(yīng)設(shè)置爆破片。

1.9.2假如專利所有者能提供準確的化學反應(yīng)動力學關(guān)聯(lián)式，推算出事故工況下的泄放量，則能夠在專利所有者和建設(shè)方的接受下設(shè)置安全閥。1.10外部火災

1.10.1本規(guī)定適用于盛有液體的容器暴露在外部火災之中。1.10.2容器的濕潤面積(A)

容器內(nèi)液面之下的面積統(tǒng)稱為濕潤面積。外部火焰?zhèn)魅氲臒崃拷?jīng)過濕潤面積使容器內(nèi)的物料氣化。別同型式設(shè)備的濕潤面積計算如下：

(1)臥立式容器：距地面7.5m或距能形成大面積火焰的平臺之上7.5m高度范圍內(nèi)的容器外表面積與最高正常液位以下的外表面積比較，取兩者中較小值。

a.關(guān)于橢圓形封頭的設(shè)備全部外表面積為：

Ae=πD0(L+0.3D0)(1.10—1)

Ae——外表面積，m2；Do——設(shè)備直徑，m；

L——設(shè)備總長(包括封頭)，m。

b.氣體壓縮機出口的緩沖罐普通最多盛一半液體，濕潤表面為容器總表

面積的50%。

c.分餾塔的濕潤表面為塔底正常最高液位和7.5m高度內(nèi)塔盤上液體部

分的表面積之和。

(2)球型容器：球型容器的濕潤面積，應(yīng)取半球表面積或距地面7.5m高度下表面積二者中的較大值。

(3)濕潤面積包括火災妨礙范圍內(nèi)的管道外表面積。1.10.3容器外壁校正系數(shù)(F)

容器壁外的設(shè)施能夠阻礙火焰熱量傳至容器，用容器外壁校正系數(shù)(F)反映其

對傳熱的妨礙。

(1)依照勞動部頒發(fā)的《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(1991年1月1日施行)中規(guī)定：

a．容器在地面上無保溫：F＝1.0b.容器在地面下用砂土覆蓋：F＝0.3

c.容器頂部設(shè)有大于10l／(m2·min)水噴淋裝置：F=0.6d．容器在地面上有完好保溫，見式(1.10—4)。(2)依照美國石油學會標準API—520：

a．容器在地面上無保溫：F＝1.0

b．容器有水噴淋設(shè)施：F＝1.0

c．容器在地面上有良好保溫時，按式(1.10—2)計算：

()

6

4.2904.410

Ftd

λ

-=?-(1.10—2)

式中:

λ——保溫材料的導熱系數(shù)，kJ／(m·h·℃)；do——保溫材料厚度，m；t——泄放溫度，℃。

d．容器在地面之下和有砂土覆蓋的地上容器，(F)值按式(1.10—2)計算，將其中的保溫材料的導熱系數(shù)和厚度換成土壤或砂土相應(yīng)的數(shù)值。另外，保冷材料普通別耐燒，所以，保冷容器的外壁校正系數(shù)(F)為1.0。

1.10.4安全泄放量

(1)依照勞動部頒發(fā)的《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》(1991年1月1日施行)中規(guī)定：a.無保溫層

5

0.82

2.5510l

FWA

H

???=

(1.10—3)

式中：W－泄放量，kg／h：

Hl－泄放條件下的汽化熱，kJ／kg：A－潤濕面積，m2；

F－容器外壁校正系數(shù)，取1.10.3(1)中的取值

b.有保溫層

0.82

2.61(650)ltWAdHλ?-??=

?(1.10—4)

式中：t－泄放溫度，℃：

λ－保溫材料的導熱系數(shù)；d0－保溫材料的厚度，m。

(2)依照美國石油學會標準API－520中規(guī)定：關(guān)于有腳夠的消防愛護措施和有能及時排走地面上泄漏的物料措施時，容器的泄放量為：

5

0.82

1.55510l

FWA

H

???=

(1.10—5)

否則，采納式(1.10—6)計算：

5

0.82

2.5510l

FWA

H

???=

(1.10—5)

式中符號同式(1.10—3)，F(xiàn)取1.10.3(2)中的取值。

2

最小泄放面積的計算

2.1計算的最小泄放面積為物料流經(jīng)安全閥時經(jīng)過的最小截面積。關(guān)于全啟式安全閥為喉徑截面積，關(guān)于微啟式安全閥為環(huán)隙面積。

2.2依照勞動部頒發(fā)的《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程))(1991年1月113施行)中規(guī)定：

(1)關(guān)于氣體、蒸汽在臨界條件下的最小泄放面積為：

013.16

WaXPC=??(2.2—1)

式中:

a——最小泄放面積，mm2；W——質(zhì)量泄放流量，kg／h，X——氣體特性系數(shù)；P——泄放壓力，MPaZ——氣體壓縮因子，T——泄放溫度，K；M——分子量。

流量系數(shù)(C0)由創(chuàng)造廠提供。若沒有創(chuàng)造廠的數(shù)據(jù)時，關(guān)于全啟式安全閥C0=0.6～0.7；關(guān)于帶調(diào)節(jié)圈的微啟式安全閥:C0=0.4～0.5；關(guān)于別帶調(diào)節(jié)圈的微啟式安全閥：C0=0.25～0.35。

氣體特性系數(shù)(X)見附表1。氣體壓縮因子(Z)查附圖2。

(2)依照計算的最小泄放面積(a)，計算安全閥喉徑(d1)或閥座口徑(D)a．關(guān)于全啟式安全閥

2

1

4adπ=

(2.2—2)

b.關(guān)于平面密封型微啟式安全閥

aDhπ=(2.2—3)c．關(guān)于錐面密封型微啟式安全閥

sinaDhπ?=g

(2.2—4)式中:

d——安全閥喉徑，mmh——安全閥開啟高度，mm

D——安全閥的閥座口徑，mm?—密封面的半錐角，度。

2.3依照美國石油學會標準API—520中的規(guī)定如下：2.

3.1臨界條件的推斷

假如背壓滿腳式(2.3—1)，則為臨界流淌，否則為亞臨界流淌。

1

21k

kbcfPkPP-??

≤=?

?+??g(2.3—1)

式中:

Pb——背壓，MPa

Pcf——臨界流淌壓力，MPaP——泄放壓力，MPaK——絕熱指數(shù)。

2.3.2氣體或蒸氣在臨界流淌條件下的最小泄放面積

013.16bWaXPCK=

???(2.3—2)

式中

a——最小泄放面積，mm2；W——質(zhì)量泄放流量，kg／h；，Co--流量系數(shù)；X——氣體特性系數(shù)；P——泄放壓力，MPaK

b一背壓修正系數(shù)；T——泄放溫度，K；Z——氣體壓縮因子；M——分子量。

流量系數(shù)(Co)由創(chuàng)造廠提供，若沒有創(chuàng)造廠的數(shù)據(jù)，則取Co＝0.975。系數(shù)(X)式(2.3—3)計算或查附表1。

X=(2.3-3)

背壓修正系數(shù)(Kb)僅用于波浪管背壓平衡式安全閥(查附圖1)臨界流淌條件

下，關(guān)于彈簧式安全閥Kb＝1.0。氣體壓縮因子(Z)查附圖2所示。

部分物料的絕熱指數(shù)(k)見附表2，若沒有k的數(shù)據(jù)，則X＝315。2.3.3氣體或蒸氣在亞臨界條件下的最小泄放面積

(1)式(2.3—4)適用于導閥式安全閥和彈簧設(shè)定時思考了靜背壓的妨礙的彈簧式安全閥，在亞臨界流淌條件下的最小泄放面積的計算；

2

01.810

fWaCK-=??—4)

亞臨界流淌系數(shù)(Kf)查附圖3。

流量系數(shù)(Co)值由創(chuàng)造廠提供，若沒有創(chuàng)造廠數(shù)據(jù)時，Co＝0.975，其它符號同前。

(2)簡便計算彈簧式安全閥在亞臨界流淌條件下的最小泄放面積時，可先按臨界流淌條件下的式(2.3—2)計算，再將計算結(jié)果除以按圖附圖4查得的背壓修正系數(shù)(Kb)，即為亞臨界條件下的最小泄放面積。

(3)背壓平衡式安全閥在亞臨界流淌時的最小泄放面積按式(2.3—2)計算，但背壓修正系數(shù)(Kb)應(yīng)由創(chuàng)造廠提供。2.3.4水蒸汽

0.19

sh

N

W

aCPK

K=???(2.3—5)

流量系數(shù)(Co)值由創(chuàng)造廠提供，若無創(chuàng)造廠數(shù)據(jù)時，Co＝0.975。過熱蒸汽過熱系數(shù)(Ksh)查附表3，關(guān)于飽和蒸汽，Ksh＝1.0。Napier系數(shù)(KN)按下述要求選?。篜≤10.44MPa時，KN＝1.0

10.44Mpa＜P≤22.17MPa時，KN＝27.6371000

33.2341061PP--

其余符號意義同前。

2.3.5液體

a=—6)

超壓系數(shù)(Kp)查附圖5所示。

背壓修正系數(shù)(K

w)，對彈簧式安全閥K

w

=1.0；關(guān)于波浪管背壓平衡式安全閥,

K

w

查附圖6。

粘度修正系數(shù)(K

V

)查附圖7。

流量系數(shù)(Co)關(guān)于按美國機械工程師協(xié)會ASME第Ⅷ部分第1分篇或國標GBl50—89設(shè)計的容器上安裝的安全閥，Co＝0.65，

其它(如管道上)安裝的安全閥，Co＝0.62。

計算泄放壓力(P)時所用的超壓，關(guān)于按ASME第Ⅷ部分第1分篇或國標GBl50—89設(shè)計的容器，超壓為10％，其它(如管道上)安裝的安全閥，超壓為25％。其余符號同前。

2.3.6兩相流體

(1)氣—液平衡態(tài)的兩相流體，流經(jīng)閥體時部分液體要產(chǎn)生閃蒸，閃蒸現(xiàn)象會落低閥門的質(zhì)量流通能力。泄放量的計算辦法如下：

a．確定閃蒸量：分不計算液相自泄放壓力經(jīng)絕熱過程至臨界壓力下和至背壓下的閃蒸量，取小者。

b．用閃蒸的氣量和泄放時混合物中的氣量之和，依照背壓事情及安全閥的型式等，按照式(2.3—2)或(2.3—4)計算氣相所需的最小泄放面積。

c．依照式(2.3—6)計算液相所需的最小泄放面積。

d．將b和c項的計算結(jié)果相加，即為所需的最小泄放面積。

(2)背壓對安全閥的上述計算過程有非常大的作用，所以：

a.應(yīng)認真計算泄放管道中兩相流體的壓力落，

b．管道壓力落的產(chǎn)生，會使部分液體接著氣化，

c．來自冷凍(如液化氣的排放)的物料排放系統(tǒng)，在排放管道中有時會產(chǎn)生液滴和低溫；

d．關(guān)于氣相處于臨界條件下泄放時，計算液相泄放量時背壓取臨界壓力

(P

cf

)(見式2.3—1)。

3儲存氣體容器的安全閥

3.1無濕潤表面的容器在外部火災事情下，容器將在短時刻內(nèi)由于金屬材料的軟

化而發(fā)生破壞。設(shè)置安全閥將別能獨立愛護這類容器別受損壞，僅能在短時刻內(nèi)(金屬軟化之前)起作用。所以要采取其它的方法如外保溫、水噴淋或自動／手動泄壓系統(tǒng)(安裝操縱閥)。

3.2無濕潤表面的容器在外部火災事情下的泄放量

(

)1.25

1.1506

18.764

wWTTAT

=-g(3.2-1)

暴露面積(A1)為距地面或能形成大面積火焰的平臺上方7.5m以下的容器外表面。

金屬壁溫(Tw)：關(guān)于碳鋼為593℃(866K)泄放溫度(T)依照理想氣體狀態(tài)方程計算。9．0．3最小泄放面積

576.7Fa'=(3.3-1)

泄放閥因子(F')按式(3.3－2)計算，F(xiàn)'的最小值為0.01。假如F'沒有腳夠的數(shù)據(jù)舉行計算，則F'取0.045。

()1.25

0.6506

00.2wTTFXCT-=ggg(3.3—2)

上式中流量系數(shù)(Co)由創(chuàng)造廠提供。若沒有創(chuàng)造廠的數(shù)據(jù)時，Co取0.975。氣體特性系數(shù)(X)查附