安全阀计算实例

安全阀计算实例 安全阀系压力容器在运行中实现超压泄放的安全附件之一 也是在线压力容器定期检验 中必检项目 它包括防超压和防真空两大系列 即一为泄放容器内部超压介质防止容器失效 另一方面则吸入外部介质以防止容器刚度失效 凡符合 容规 适用范围的压力容器 按设 计图样的要求装设安全阀 安全阀设置原则是适用于清洁 无颗粒 低粘度的流体 有颗粒 的场合 安全阀进口前加设过滤装置 须安装但又不适合时 应安装爆破片或爆破片与安全 阀串联使用 容器在正常运行下为什么会产生超压 1 压力来自容器外部的压力容器 若输 入气量大于输出气量 使密度增加 压力就提高 2 减压阀失灵 3 介质进行化学反 应 使压力不断增高 称料不当等 4 盛装液化气体 工作温度上升或超装 5 储藏介 质产生聚合反应 热量增高 压力上升 6 用于制造高分子聚合物的高压釜 由于原料 催 化剂使用不当或操作失误致使单体爆聚 热量猛增 压力就骤升 一 下列压力系统必须安装安全阀 a 容器的压力来自于没有安全阀的场合 b 设计压力低于来源处的压力容器或管道 容积泵和压缩机出口的管道 c 由于不凝气的积累产生超压的容器 d 液化气体储罐 e 空压机的附属储罐 f 容器内进行放热或进行化学反应 能使气体压力升高的压力容器 g 高分子聚合 物理反应 设备 h 有热载体加热 使器内液体蒸发气化的换热器 i 用减压阀降压后输入容器的 使用压力低于压力源的容器 j 余热锅炉 k 介质毒性为高度极度危害的压力容器 l 共用同一个气源的容器等 二 下列压力系统不适宜安装安全阀 a 系统压力有可能迅速上升 如化学爆炸等场合 b 泄放介质含有颗粒 易沉积 易结晶 易聚合或粘度较大 强腐蚀介质 c 一些影响安全阀排放面积过大 造价过高 动作困难的场合 极低温度等 三 安全阀的开启压力 整定压力 安全阀的开启压力 整定压力 是指阀瓣开始上升 介质经阀瓣上升后的空隙 继续排放时 的瞬时压力 对于蒸汽安全阀 有 5 滴冷凝水时的压力 安全阀的回座压力一般为 0 93 0 96Pl 也就是回座压力差在 4 7 左右最大不超过 10 由于安全阀阀瓣开启动作的滞后 使容器不能马上泄压 因此压力容器的设计压力一般不 低于安全阀的开启压力 下面的示意图 表明压力容器与安全阀各种动作压力之间关系 压力容器 安全阀 试验压力 最大允许工作压力 排放压力 设计压力 开启压力 回座压力 关闭压力 最高工作压力 四 安全阀的选用方法为 a 根据计算确定安全阀 公称直径 必须使安全阀的排放能力 压力容器的安全泄放量 b 根据压力容器的设计压力和设计温度确定安全阀的压力等级 c 对于开启压力大于 3MPa 蒸汽用的安全阀或介质温度超过 320 的气体用的安全阀 应选用带散热器 翅片 的 d 对于易燃 毒性为极度或高度危害介质必须采用封闭式安全阀 如需采用带有提升机 构的 则应采用封闭式带板手安全阀 e 当安全阀有可能承受背压是变动的且变动量超过 10 开启压力时 应选用带波纹管的 安全阀 f 对空气 60 以上热水或蒸汽等非危害介质 则应采用带板手安全阀 g 液化槽 罐 车 应采用内置式安全阀 h 根据介质特性选合适的安全阀材料 如含氨介质不能选用铜或含铜的安全阀 乙炔不 能选用含铜 70 或紫铜制的安全阀 i 对于泄放量大的工况 应选用全启式 对于工作压力稳定 泄放量小的工况 宜选用微 启式 对于高压 泄放量大的工况 宜选用非直接起动式 如脉冲式安全阀 对于容器长度超 过 6m 的应设置两个或两个以上安全阀 j 工作压力 Pw 低的固定式容器 可采用静重式 高压锅 或杠杆重锤式安全阀 移动式 设备应采用弹簧式安全阀 k 对于介质较稠且易堵塞的 宜选用安全阀与爆破片的串联组合式的泄放装置 l 根据安全阀公称压力大小来选择的弹簧工作压力等级 安全阀公称压力 PN 系列 0 25Mpa 0 61 01 6 2 5 4 06 310 0 16 0 25 0 32 0 40 0 GB T1048 选用安全阀时必须考虑温度的影响 一般情况下最高允许工作压力 Pmax 与 PN有如下关 系 Pmax t 200PN t 设计温度下的材料许用应力值 200 200 时的材料许用应力值 确定了安全阀公称压力后 弹簧式安全阀还要选定弹簧的工作压力等级 弹簧式安 全阀的整定压力范围就是弹簧式安全阀的工作压力等级 安全阀公称压力与弹簧工作压 力关系 见表 1 安全阀公称压力 PN与弹簧工作压力关系表 表 1 PN 弹簧工作压力等级 1 60 06 0 1 0 12 0 6 0 25 0 25 0 4 0 4 0 5 0 5 0 6 0 6 0 8 0 8 1 0 1 0 1 3 1 3 1 6 2 5 1 3 1 6 1 6 2 0 2 0 2 5 只能用于大 于 1 3MP 6 4 1 3 1 6 1 6 2 0 2 0 2 5 2 5 3 2 3 2 4 0 4 0 6 4 只能用于大 于 1 3MPa 10 4 0 5 0 5 0 6 4 6 4 8 0 8 0 10 0 只能用于 大于 4 0MPa 安全阀的排放压力 排放压力 阀瓣达到规定开启高度时的进口压力 又称为全启压力 即在开启压力之后 进口压力继续上升 阀瓣位移两增至规定值时的压力 它的上限值应服从国家有关标准 的要求 排放压力与整定压力之差称为超过压力 用 比来表示 安全阀应动作灵敏可靠 当到达开启压力时 阀瓣应及时开启和完全上升 以顺利排放 同时 应具有良好的密封性能 不仅正常工作时保持不漏 而且要求阀瓣在开启复位后及时关闭且保 持密封 在排气压力下阀瓣应达到全开位置 无震荡现象 并保证排出规定的气量 也就是安全 阀应具有可靠的密封性能 开启迅速灵敏 及时稳定排放和良好的回座性能 四 我们在压力容器设计和定期检验中均要求对安全阀的安全排放能力进行选型或校验 计算 基于以往资料不齐全 往往以大代小 造成不必要的浪费 现拟以 GB150 附录 B B5 1 b 为依据 GB150 与美国 API RP520 美国石油学会标准 的等效 用不同介质 压力 温度 对安全阀的安全排放量进行选型计算 以飨同行 例 1 有一空气储罐 DN1000 容积 V 5m3最高工作压力为 0 8MPa 工作温度为 30 进口管为 57 3 5 确定安全阀尺寸 解 1 确定气体的状态条件 设 Po 安全阀出口侧压力 绝压 0 103MPa 近似为 0 1MPa 则 Pd 安全阀泄放压力 绝压 为 Pd 1 1Pw 0 1 10 P 1 068MPa GB150 附录 B4 2 1 当安全阀出口侧为大气时 Po Pd 0 103 1 068 0 0936 而 2 k 1 k k 1 2 1 4 1 1 4 1 4 1 0 53 Po Pd 2 k 1 k k 1 是属于临界状态条件 安全阀排放面积 A 按 B5 计算 A mm B5 ZT M CKP Ws d 2 106 7 式中 C 气体特性系数 查表 B1 或C 520 k 2 k 1 k 1 k 1 K 安全阀排放系数 安全阀额定泄放系数 K 实际流量测定值 理论流量计算值 K 0 9 倍的排放系数 泄放系数由制造厂提供 一般为 0 75 或按 容规 附件五第二节 有关规定中选取 2 容器安全泄放量的计算 盛装压缩气体或水蒸汽的容器安全泄放量 按下列规定来确定 a 对压缩机贮罐或水蒸汽的容器对压缩机贮罐或水蒸汽的容器 分别取压缩机和水蒸汽发生器的最大产气量分别取压缩机和水蒸汽发生器的最大产气量 b 气体储罐等的安全泄放量按 B1 式计算 Ws 2 83 10 3 d2 h B1 式中 为排放压力下的气体密度 M 分子量 Pw 排放绝对压力 273 22 4 273 t 空气 M 28 95 排放绝对压力Pw 10 68 2 代入上式得 28 95 10 68 273 22 4 303 12 44 m3 容器在工作压力下的进口管的气体流速m s 查表2得 10 15m s 一些常用气体流速范围一些常用气体流速范围 表表 2 2 流体名称 输送压力 MPa流速范围 m s流体名称 输送压力 MPa流速范围 m s 压缩空气 0 0 1 0 1 0 6 0 6 1 0 1 0 2 0 2 0 3 0 一般气体 常压 氧气 0 6 0 05 0 6 饱和水蒸汽 主管 支管 低压蒸汽 1 0 低压蒸汽 1 0 低压蒸汽 1 0 10 15 10 20 10 15 8 10 3 0 6 0 10 20 5 0 10 0 7 0 8 0 30 40 20 30 15 20 20 40 40 60 饱和水蒸汽 主管 支管 煤气 初压 2KPa 初压 6KPa 氨气 0 6 1 0 2 0 液氨 氮气 5 10 乙炔气 氢气 自来水 主管 支管 易燃气体 40 60 35 40 0 75 3 0 3 12 10 20 3 0 8 0 0 3 1 0 2 0 5 0 2 0 8 0 8 0 1 5 3 5 1 0 1 5 1 0 取 10m s 将上述 d代入得 Ws 2 83 10 3 12 44 15 502 1320 2 h 则A 205 4mm2 3031 95 28 071 1 7 0365106 7 2 1320 2 若采用带板手全启式安全阀 A 0 785d02 205 4mm2 d0 205 4 0 785 1 2 16 2 根据统计概算 全启式安全阀的喉径 d0与公称直径 DN之比约为0 625 而微 启式安全阀的喉径d0 与公称直径 DN之比约为0 8 选用公称直径DN32的全启式带板手安全阀 安全阀公称直径与喉径关系 表3 安全阀公称压力 公称直径DN 15 20 25 32 40 50 80 100 PN MPa 1 0 2 5 4 0 6 4do 20 25 32 50 65 PN MPa 10 0 20 25 32 40 50 全 启 式 PN MPa 16 32 12 20 PN MPa 1 6 2 5 4 0 6 4do 12 16 20 25 32 40 65 80 PN MPa 16 32 do 8 12 微 启 式 PN MPa 16 32 14 16 例 2 将例题 1 的介质改为蒸汽 解 在压力容器中 绝大多数安全阀的出口侧压力与它的泄放压力之比即Po pd都小于 理论值0 528 此值由空气作试验介质求得Po pd 0 528 属于临界状态 Pd 安全阀的泄放压力 绝压 Pd 1 1 P 0 1MPa 1 1 1 1Pw 0 1 1 21 0 8 0 1 1 068MPa 查得 5 388Kg m3 K 455 t 182 WS 2 83 10 3 d2 2 83 10 3 5 388 25 502 953Kg 最小排放面积 A A ZT M CKP Ws d 2 106 7 其中蒸汽在工作温度和压力下的压缩系数 Z 可根据高鸿华主编 压力容器安全技术问题 第 71 问中的公式进行计算 注 1 Z 0 93 RT MP 455848 18101856 068 10 4 式中 R 848Kg m Kmol K T 蒸汽绝对温度 K 蒸汽比容 M 分子量 蒸汽k 1 135 A 45593 0 18 068 1 7 0331106 7 953 2 245 7mm2 do 17 7 4 A 785 0 7 245 取 DN 32 的安全阀 do 20 注 1 介质压缩系数可按 GB150 附录 B 章进行计算 一些常用介质的临界特性 由表 4 查得 某些气体的主要物理特性 表 4 名称分子量临界温度 t 临界压力 Patm 绝压 K Cp Cv 氢 H2 2 02 239 912 81 407 氧 O232 118 850 361 4 空气 29 140 837 691 4 氧化氮NO30 9467 21 4 二氧化碳CO24431 172 651 30 水蒸汽 H2O18 2374 1225 4 1 3 过热 1 135 氨 NH3 17 03132 4112 981 31 硫化氢 H2S34 09100 490 081 32 氟 12 CF2Cl2120 09111 739 61 14 氯 Cl270 91144 077 111 35 丙烷 C3H844 0996 8442 011 133 丁烷C4H1058 12152 0137 471 094 甲烷 CH4 16 04 82 3546 411 18 乙炔 H2C226 0436 361 61 238 异丁烷 58 1258 1236 001 079 上述的工况 同样可以用 B7 式进行计算 该式在计算时略去繁锁系数 Z 的计算 当 Pd 10Mpa 时 A 242 8mm2 KPd Ws 23 5 068 1 7 025 5 953 do 17 6 4 A 785 0 8 245 众所周知 压缩系数 Z 是反映了真实气体在压力 温度和比容之间的关系上和理想气体 的差异 在常温及压力不太高的情况下 真实气体与理想气体的差异不大 即压缩系数 Z 1 而一般常用的二原子气体 如空气 氧 氮 氢及一氧化碳等气体的绝热指数 K 均为 1 4 因此 安全阀排量计算公式简化为下式 W 27KPdA T M 用例题 1 的工况 代入后即得 A 205 4mm2 303 95 78 067 1 7 027 1320 Do 16 2 4 A 785 0 4 205 与例题 1 的详细计算相差极小 另一方面应注意的是 如合成氨的循环机的安全阀 由 于出口侧的压力很大 因而压力比 Po Pd 2 k 1 k k 1 属于处在亚临界状态 则应用式 B6 来计算安全阀泄放量 但锅炉系统的安全阀选型计算要以 锅规 所给出的公式及系数进行 计算 例 3 锅炉过热器安全阀选型计算 670t h 锅炉过热器 锅炉最大发蒸发量 McR 670000kg h 安全阀入口蒸汽压力 P1 13 7MPa 安全阀入口蒸汽温度 t 540 选用计 算过程为 根据 锅规 对排气量的规定计算如下 安全阀进口压力 开启压力 P 1 05P 1 05X13 7 14 39 MPa 安全阀进口温度 t 540 过热蒸汽质量 体积 Vg 0 023378m3 kg 排放系数 C 0 235 蒸汽质量体积修正系数 K 2 1 10 2P 1 Vg 1 2 2 1 10 2X14 39 1 1 2 0 7796 安全阀的最小排放面积计算 W CA 10 2P 1 K 670000 0 235A 10 2X14 39 1 0 7796 A 24747 2 安全阀的流道直径 喉径 do 4 A 1 2 2 24747 1 2 177 5 根据规定蒸发量大于 0 5t h 锅炉应至少装设 2 个以上安全阀 根据以上计算 即使用 2 个 也过大 建议用 4 个 do 88 8 选用 PN 16 0Mpa DN 150 开启压力为 14 39Mpa 带板手的 A48Y 160 安全阀 例 4 热水锅炉上也必须安装安全阀 其安全泄放量按下式计算 n do h 35 5Q CPs i i1 X104 式中 n 个数 do 喉径 h 开启高度 Q 锅炉额定热功率 MW C 排量系数 当 h d 20 时 C 135 当 h d 4 时不我待 C 70 Ps 安全阀整定压力 绝压 i 额定水压力下的饱和蒸汽焓 kJ kg i1 进入锅炉的水焓 kJ kg 例 5 液化石油气贮罐 筒体内径Di 1600 长度L 6000 壁厚 n 16 V 13 3m3 封头形式为椭圆 介质组分为 丙烯 50 丙烷 15 正异丁烯 15 正异丁烷 15 残液 5 液化石油气组分见表5 液化石油气单一成分组分及汽化潜热 表 5 重量组分 X1丙 烷 C3H8 丙烯 C3H6 正异丁烯正异丁烷残液 50 汽化潜热 kJ kg 285 5285 96343 7317 8337 液化石油气贮罐 一般不设保温且夏日均配备水喷淋予以冷却 解 对无绝热材料保冷层的压力容器其安全泄放量按 B3 计算 W 2 55 105FAt 0 82 q kg h 式中 F 系数 容器在地面上 无保温的 F 1 容器在地面下用沙子覆盖 F 0 3 容器顶部设置大于 10 L min 喷淋装置 F 0 6 容器在地面上 有完好保温的 按 容规 附录五 3 式计算 At 容器受热面积 湿润面积 椭圆封头的卧式贮罐 At D0 L 0 3 D0 3 14 1 632 6 916 0 3 1 632 37 9 50 汽化潜r Xiri 285 5 0 15 285 96 0 5 343 7 0 15 317 8 0 15 337 0 05 301 9KJ 安全泄放量W r AF 82 0 5 1055 2 16640 h 9 301 9 3711055 2 82 0 5 安全阀的泄放能力计算 对于贮罐的筒体长度 6m 时 应设置两个安全阀 在一般情况下分半值来计算较为合理 这样才不致于使安全阀选得过于大型而造成浪费 安全阀的最小排气面积 A 为 A ZT M CKP W d 2 106 7 2 32367 0 44 08 2 6 0337106 7 8320 2 577 3mm2 式中 Pd 1 1P 0 1 1 1 1 8 0 1 2 08MPa M 分子量 44 以主要成分丙烷 do 27 12 4 A 785 0 3 577 选用 DN40A42H 4 0 的全启式安全阀两只 此档安全阀最小公称直径为 40 美国石油学会标准 API RP520 则规定 对于有足够的消防保护措施和具有能及时排走地面上泄漏措施时 容器安全泄放量为 Ws 1 555X105FA0 82 否则 采用 Ws 2 55X105FA0 82 其中 K 容器在地面上 无保温的 F 1 0 容器顶部设置喷淋装置 F 1 0 容器在地面上 有完好保温的 F 4 2X10 6 d0 904 4 t 其中 保温材导热系数 KJ m h d0 保温材料厚度 m t 泄放温度 容器在地面下用沙子覆盖 把保温材导热系数 保温材料厚度改为沙子的数 值 容器冷保温时 F 1 0 由两台或两台以上的装置集中输气到一个贮罐 集中罐 由两台或两台以上的装置集中输气到一个贮罐 集中罐 或由一台设备分别输气到几 或由一台设备分别输气到几 个贮罐 分气罐 时 贮罐的安全泄放量的计量的计算个贮罐 分