安全阀计算实例

1、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（

2、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

3、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0.930.96Pl,也就是回座压力差在47%左右最大不超过

4、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,

5、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能选用含铜70%或紫铜制的安全阀.; 乙炔不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

6、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.0.25Mpa0.61.01.6(2.5)4.06.310.016.025.032.040.0GB/T1048Pmax 与 P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N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

7、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 1PN弹簧工作压力等级1.60.060.1>0.12>0.60.25>0.250.4>0.40.5>0.50.6>0.60.8>0.81.0>1.01.3>1.31.62.5>1.31.6>1.62.0>2.02.5只能用于大于 1.3MP6.4->1.31.6>1.62.0>2.02.5>2.53.2>3.24.0>,4.0

8、6.4只能用于大于 1.3MPa10>4.05.0>5.06.4>6.48.0,>8.010.0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

9、 ,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=5m 3 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

10、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P =1.1Pw+0.1+10%P=1.068MPa）d（ 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WsA mm （ B5）7.6 10 2 CKPd MZT式中 : C 气体特性系数 ,查表 B1 或C=520(k+1

11、)/(k-1)） k （ 2/(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,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

12、 × (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流体名称 /输送压力 MPa流速范围 m/s流体名称 /输送压力 MPa压缩空气00.11015饱和水蒸汽（主管） 0.1 0.61020（支管） 0.6 1.01015煤气（初压） 2KPa 1.0 2.0810（初压） 6KPa 2.0 3.03.06.0氨气 0.6一般气体（常压）10201.

13、02.0氧气 0.65.010.0液氨0.050.67.08.0氮气510饱和水蒸汽（主管）3040乙炔气（支管）2030氢气低压蒸汽 1.01520自来水（主管）低压蒸汽 1.02040（支管）低压蒸汽 1.04060易燃气体取.=10m/s将上述 、 d 代入得Ws=2.83×10-3×12.44 ×15× 502 =1320.2 /h则 A=1320.22=205.4mm7.61023650.71.07128.951303若采用带板手全启式安全阀表 2流速范围m/s406035400.753.031210203.08.00.31.02.05.02.

14、08.0 8.01.53.51.01.5 1.022d0=(205.4/0.785)1/2=16.2 A=0.785d0 =205.4mm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dDN之比约为0.8.0 与公称直径选用公称直径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全PN (MPa)1.0 、 2.5 、 4.0 、 6.4do20、 25、 32、50、 65启PN (MPa)10.020、 25、 32、40、 50式P

15、N (MPa)16、 3212、 20微PN (MPa)1.6 、 2.5 、 4.0 、 6.4do 12、 16、 20、 25、 32、 40、65、 80启PN (MPa)16、 32do 812式PN (MPa)16、 3214/16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×P0.1MPa=1.1×1.1Pw 0.1=1.21 ×0.8 0.1=1.

16、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AA=Ws2M7.610CKPd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）ZP M10.680.1856 10418=RT=848 455=0.93式中： R 848Kg· m/Kmol·KT蒸汽绝对温度K蒸汽比容M分子量。蒸汽 k=1.135 =953

17、A187.610 23310.71.0684550.932=245.7mmA245.7do=17.7 4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 H 22.02-239.912.81.407O32-118.850.361.4氧 2空气29-140.837.691.4氧化氮 NO30-9467.21.4二氧化碳CO4431.172.651.302H O18.2374.1225.41.3( 过热 )1.135水蒸

18、汽2氨 NH317.03132.4112.981.31硫化氢 H2S34.09100.490.081.32氟 -12 CF2Cl 2120.09111.739.61.14氯 Cl 270.91144.077.111.35丙烷 C3H844.0996.8442.011.133丁烷C H58.12152.0137.471.094410甲烷 CH416.04-82.3546.411.18乙炔H C26.0436.361.61.23822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=Ws953=24

19、2.8mm2=5.23KPd 5.25 0.71.068do=A =245.8 =17.6 40.785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=27KPdAMT用例题 1 的工况，代入后即得1320.2A=205.4mm27 0.7 1.067 78.95303Do= A =205.4 =16.2 0.7854与例题1 的详细计算相差极小，另一方

20、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 :Mc =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R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

21、.7=14.39MPa ，安全阀进口温度 t=540 ，过热蒸汽质量体积 :Vg=0.023378m 3/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 ） 0.7796A=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

22、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-i） X1041式中 n 个数do喉径h 开启高度Q锅炉额定热功率,MWC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/kgi 1- 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=6

23、000，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 烷丙烯正异丁烯正异丁烷残液C3H8C3H650汽化潜热285.5285.96343.7317.8337kJ/kg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，容器在地面下用沙子覆盖，

24、容器顶部设置大于10 L/F=1F=0.3（· 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 D 0)=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/ 50.822.5510FA安全泄放量W= 2.55

25、10 5 1 37.90 .82 =16640/h 301.9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WA=2M7.610 2 CKPdZT=8320447.61023370.62.083230.67=577.3mm 2式中 Pd=1.1P 0.1=1.1 × 1.8 0.1=2.08MPaM 分子量 =44 (以主要成分丙烷)A 577.3 do=27.12 0.7854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）

26、 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=1.555X10 5FA 0.82/否则 ,采用Ws=2.55X10 5FA 0.82/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 /d 0 （ 904.4-t）其中 : -保温材导热系数 KJ/m h d0- 保温材料厚度mt-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）。或由一台设备分别输气到几