壓力容器設計中安全閥選型的計算分析

O魯秉幟（中薪油武漢化工工程技術有限公司 湖北 430223）

壓力容器設計中安全閥選型的計算分析

O魯秉幟
（中薪油武漢化工工程技術有限公司 湖北 430223）

安全閥在壓力容器的設計和適用過程中發揮著很重要的作用，合理的設計選型能有效保障設備的平穩運行，更能保障人、物的安全。本文主要是從壓力容器設計中的安全閥的選型計算出發，對相關問題進行探討。

壓力容器；安全閥；截面積

Key wrods：pressure vessel；safety valve；sectional area

安全閥是防止壓力容器內出現異常情況或因設備原因導致的壓力過高發生爆炸而配備的安全配件，其自動泄壓保護裝置是在進口的靜壓力作用下開啟。這類安全泄放裝置是防止容器超壓和維持其正常運行的重要附件之一。為保障安全閥的準確、安全使用，本文主要是從計算的角度出發，對壓力容器安全閥的選擇進行相關探討。

1.安全閥的選用

安全閥的型式通常采用直接載荷彈簧式安全閥。若采用非直接載荷式安全閥，則必須做到即使副閥失靈時，主閥仍能在規定的開啟壓力下，自行開啟并排出其額定泄放量。安全閥的選用應綜合考慮壓力容器的操作條件、介質特性、載荷特點、容器的安全泄放量、防超壓動作的要求（動作特點、靈敏性、可靠性、密閉性）、生產運行特點、安全技術要求，以及維修更換等因素綜合決定。

在安全閥選型的過程中需要注意以下幾個方面：對于油、水等不可壓縮的液體，安全閥盡量選用微啟式；對于如蒸汽之類的可壓縮流體，安全閥盡量選用全啟式；如果容器沒有震動，溫度較高且壓力不高，安全閥可選用杠桿式；普通高、中、低壓容器的安全閥可選彈簧式；如果介質為易燃易爆或是有毒物，安全閥則需采用封閉式，為保證不出現爆炸、燃燒以及中毒等事件，需合理處置排放導管，引入安全地點或是回收容器；對于壓縮空氣和蒸汽之類的介質，安全閥可采用半封閉式或敞開式；如果中低壓容器壁厚不大但排放量較大，或是高壓容器，安全閥優先選用全啟式；如果壓力容器要求較平穩的壓力和較小的安全泄放量，安全閥可選用微啟式；壓力容器的介質具有腐蝕性或較大粘性則應選用爆破片。

2.計算過程分析

在安全閥的計算和選型時，首先確定防止設備超壓所需的最大泄放量，其次根據最大泄放量計算安全閥的噴嘴面積或閥座喉徑，最后就可根據計算結果查表求出安全閥的公稱通徑。此過程的計算難點在于其中所需的各種參數的確定相當的繁雜。

(1)計算壓力容器的安全泄放量

當壓力容器內的介質為水蒸氣或是壓縮氣體情況下的安全泄放量計算：對于蒸汽罐、汽包和壓縮機儲氣罐之類的壓力容器，其安全泄放量值為蒸汽發生器和壓縮機的最大產氣量；對于儲氣罐內為水蒸氣或壓縮氣體時，其安全排放量Ws為下式①所示：

Ws＝2．83×10-3ρvd2kg/h ①

其中ρ：泄放壓力下入口側氣體密度，kg/m3；v：壓力容器進口管內氣體的流速，m/s；d：壓力容器進料管的內直徑，mm；根據設計經驗，如果飽和水蒸氣的壓力值低于1MPa時，v的取值在15m/s到19m/s之間，壓力值在1MPa到4MPa之間時，v的取值在20m/s到40m/s之間。對于空氣儲罐，壓力值低于1MPa時，v的取值在7m/s到9m/s之間，壓力值在1MPa到2MPa之間時，v的取值在10m/s到15m/s之間。對于過熱蒸汽，v的取值在30m/s到60m/s之間。

對于換熱設備之類，蒸汽產生情況下的安全泄放量如下：

Ws＝H/q kg/h ②

其中，H:輸入熱量，KJ/h；q：在泄放壓力下液化氣體的汽化潛熱，kJ/kg。對于q值，通常情況下，甲烷為569．4，乙烷為489．9，丙烷為426．36，正丁烷為386，異丁烷為367．6，戊烷為357．5。

壓力容器內介質為液化氣體的情況下，其安全泄放量的計算如下：液化氣體為易燃或是非易燃但工作在可能發生火災的環境下的情況時，壓力容器在沒有絕熱材料保溫層的情況下，其安全泄放量如下：

Ws＝2．55×105FAr0．82／q kg/h ③

其中，F：容器外壁校正系數；Ar：壓力容器的受熱面積，m2；對于容器外壁校正系數F，如果壓力容器無保溫且放置與地表，取F=1．0，當具備良好的保溫條件時則通過對應的具有保溫的液化氣體壓力容器的安全泄放量計算公式進行計算；如果壓力容器放置于地下，覆蓋采用沙土時的F=0．3；壓力容器采取噴淋裝置且超過10L(m2．min)的情況下F=0．6。對于壓力容器的受熱面積Ar，是指低于頁面的容器的面積，在外部火焰的作用下，介質受到受熱面積傳導進入的熱量而發生物料氣化。壓力容器為臥式半球體時Ar=πD0L，封頭為橢圓形時Ar=πD0（L+0．3D0）。對于立式壓力容器，其受熱面積Ar=πD0L’，容器為球形時的面積為半球的表面積，Ar=πD02/2，或是7．5m以下的外表面積，取兩者之間的大值。對于氣體壓縮機，在其緩沖罐中會有約二分之一的液體，受熱面積為容器表面的一半，上述各式中，D0為壓力容器的外直徑，L，L’分別壓力容器的總長和最高液位。

對于壓力容器內的介質為液化氣體，且具有較好保溫層的情況下，其安全泄放量為：

Ws＝2．61（650-t）λ×Ar0．82/δq kg/h ④

t：泄放壓力下介質的飽和溫度，℃；λ：常溫下絕熱材料的導熱系數，kJ/(m·h·℃)；δ：保溫層厚度，m；

如果壓力容器內的介質為非易燃液化氣體，其工作的環境不存在火災危險時，其安全泄放量的確定首先是確定是否具有保溫層，然后根據上述公式③④來進行計算，最后選定的值必須大于計算值的30%。如果壓力容器會因為其介質氣體的化學反應而增大的情況，先確定反應的時間和反應產生的最大氣量，以此來對安全泄放量進行計算。

(2)取安全閥排放能力為安全泄放量，在此條件下求最小排氣截面積A

k：氣體絕熱系數；K：排放系數；M：氣體摩爾質量，kg/kmol；Z：氣體在操作溫度壓力下的壓縮系數；T：泄放裝置進口側的氣體溫度，K；Po：安全閥的出口側壓力（絕壓），MPa；Pd：安全閥的排放壓力（絕壓），pd＝1．1ps＋0．1，MPa；C：氣體或水蒸氣的特性系數。

對于氣體絕熱系數k為CP/CY比值，可以通過常用氣體性質表對該值進行查詢，或是進行粗略的估算，單原子氣體為1．67，雙原子氣體為1．40，多原子氣體為1．33。安全閥的最小排氣截面積A，安全閥的開啟高度為h，最小流通直徑為d1，閥座口徑為D，錐形密封面的半錐角度為φ，在開啟式中，h大于或等于d1/4時的A值為A=πD12/4，在微啟式中，h小于d1/20，平面性密封面的A值為A=πDh，密封面為錐面時的A值為A=πd1hsinφ。排放系數K由其結構決定，可通過實驗進行數據統計來進行數值確定，在GB150中取廠家提供泄系數的0．9倍。在沒有參考數據的情況下，對于全啟式K值在0．6到0．7之間，微啟式帶調節圈的K值在0．4到0．5之間，微啟式不帶調節圈時的K值為0．25到0．35。壓縮系數Z值因氣體不同而不同，通常情況下空氣為1．0，丙烷為0．75，戊烷為0．82，通過軟件進行計算的過程中，系統會對結果自動生成。

對于液體：

ΔP：閥門前后壓力降，Mpa

對于蒸汽含量超過98%，最大過熱度為10℃的飽和蒸汽，當Pd＝1．03ps＋0．1≤10MPa時；

公稱通徑與流道直徑之間的關系可通過相關參考進行查詢，在得到其對應的關系之后獲得安全閥喉部界面A值，選擇喉部截面積時不小于此數值即可，再從公式中進行公稱通徑的換算。

根據安全閥最小排氣截面積A值也可通過計算獲得閥座喉徑，在知道喉徑的情況下可從表中對公稱通徑進行對應查詢。h大于或等于d1/4時的閥座喉徑值為d1=，在微啟式中，h大于或等于d1/20，平面性密封面的閥座口徑D值為A/πh，密封面為錐面時的閥座喉徑值為d1=A/πhsinφ。

3.相關計算的解釋

在安全閥和容器內，各種壓力從小到大依次是容器的工作壓力、安全閥的整定壓力、容器的設計壓力、安全閥的排放壓力以及容器的實驗壓力。壓力容器介質為液化石油氣時的安全閥計算，鑒于介質的組成成分較為復雜且不明確，對于喉部截面積的計算很難獲得精準數值，只能參考相關近似值進行計算，壓縮系數約為0．7，絕熱系數約為1．15，摩爾質量約為50kg/kmol，20℃時的液相密度在500kg/m3到550kg/m3之間，溫度在50℃到70℃之間的汽化潛熱為250kJ/kg到340kJ/kg，安全閥的排放溫度在323K到343K之間從保障安全的角度出發，從上述數值進行選定時要充分考慮余量。

當介質為溫度超過235℃，壓力超過3．0MPa的氣體時，安全閥盡量選用帶有散熱片的類型，避免泄放會對彈簧造成沖蝕。介質為惰性氣體或是水蒸氣時可直接泄露排放到大氣，但是對于有毒有害、易燃易爆的介質則不能直接排放，需要采用閉式閥帽安全閥。

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Calculation Analysis of Safety Valve Type Selection in Pressure Vessel Design

Lu Bingzhi
(Wuhan Chemical Engineering Technology Co., Ltd, Hubei, 430223)

Safety valve plays an very important role in the design and application process of pressure vessel, so a reasonable design type selection can effectively guarantee the smooth running of equipment and gurantee the safety of persons and equipment. This article discusses the related issues mainly from the aspect of safety valve selection calculation in pressure vessel design.

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魯秉幟（1984～），男，中薪油武漢化工工程技術有限公司，研究方向：壓力容器的設計計算類。