API RP520和ASME B31.1中關于安全閥排汽反力計算公式的比較

方 立 魏 麗

(中石化上海工程有限公司)

APIRP520和ASMEB31.1中關于安全閥排汽反力計算公式的比較

方 立*魏 麗

(中石化上海工程有限公司)

介紹了API RP520和ASME B31.1兩種標準給出的安全閥排汽反力的計算方法，并通過公式推導和實例計算進行兩種方法的比較，得出：對理想氣體的計算，兩種標準給出的公式是等價的；在工程應用中，將過熱蒸汽視為理想氣體進行計算時，采用API RP520給出的計算公式更方便快捷。

安全閥 排汽反力 API RP520 ASME B31.1

安全閥是化工裝置壓力容器、壓力管道及其他受壓設備的超壓保護裝置。當系統壓力超過安全閥的設定起跳壓力時，安全閥通過其閥瓣開啟使得壓力泄放，從而達到降壓保護系統的目的。在安全閥的排汽泄壓過程中，會對與其相連的管道及其支撐結構產生一定的反作用力，稱為排汽反力。正確計算安全閥泄壓時產生的排汽反力，對保證安全閥的進出口管道和設備接口、法蘭的安全十分重要。

工程中常用的計算安全閥排汽反力的標準主要有ASME B31.1和API RP520。筆者針對這兩種標準給出的計算方法進行比較和探討。

1 ASME B31.1 對安全閥排汽反力的計算過程

在ASME B31.1對開式排放系統的反作用力的計算過程中[1]，主要分析了安全閥開啟后的穩態流動而產生的反作用力F，排氣彎頭處的反作用力F的計算方法如下：

(1)

(2)

(3)

式中A——排汽管流通面積，in2；

a、b——氣體常數，可查ASMEB 31.1標準附錄II中表II-2.2.1；

gc——重力常數，gc=32.2lbm-ft/lbf-s2；

h0—安全閥進口處氣體的焓值，

Btu/lbm；

J——常數，J=778.16lbf-ft/Btu；

p——泄放時排放口處的臨界壓力(絕壓)，Psia；

pa——大氣壓力(絕壓)，Psia；

V——泄放時排放口處的臨界速度，ft/s；

W——介質質量流量，lbm/s。

將式(1)～(3)換算成標準單位，并將J和gc代入式中，得到：

(4)

(5)

F=WV+(p-pa)A

(6)

式中A——排汽管流通面積，mm2；

a、b——氣體常數，可查ASMEB 31.1標準附錄II中表II-2.2.1；

h0——安全閥進口處氣體的焓值，J/kg；

p——泄放時排放口處的臨界壓力(絕壓)，MPa；

pa——大氣壓力(絕壓)，MPa；

V——泄放時排放口處的臨界速度，m/s；

W——介質質量流量，kg/s。

2 API RP520對安全閥排汽反力的計算過程

在API RP520中[2]，開式系統的安全閥排汽反力F的計算公式如下：

(7)

式中k——出口條件下絕熱系數；

M——氣體分子量，g/mol；

T——出口溫度，K。

3 兩種公式的比較

進行排汽泄壓過程的安全閥系統，其排氣管的出口壓力一定大于背壓，此時氣體的流動為臨界流動，對應的排氣管道末端的參數為臨界參數。對于ASME B31.1和API RP520兩種標準，從本質上看其描述的氣體流動特征是一致的，只是由于其安全閥排汽管道臨界參數的確定方法不同導致兩種標準中計算公式的不同。針對圖1中給出的安全閥系統，分別對兩種標準給出的公式進行推導。

圖1 安全閥計算示意圖

3.1 參數確定

在計算安全閥排汽管道的臨界參數之前，對計算中所用的參數進行確定。滯止壓力p0應等于安全閥的排放壓力，因為安全閥排汽前蒸汽流動速度幾乎為0，此時的壓力才是安全閥達到穩定流動時進口的實際壓力。滯止溫度T0為蒸汽在排放壓力下的最高溫度。通過水蒸氣表，可根據滯止壓力和滯止溫度查得相應的滯止比容v0和滯止焓值h0。

3.2 API RP520的排汽反力公式推導

該標準中的臨界參數由滯止壓力p0和滯止比容v0來確定。根據文獻[3]中滯止參數(壓力p0、比容v0)與臨界參數(壓力p、速度V、比容v)的關系式有：

(8)

(9)

(10)

(11)

F=WV+A(p-pa)

(12)

將式(10)、(11)代入式(12)，可得API RP520給出的計算公式：

3.3 ASME B31.1的排汽反力公式推導

該標準中的臨界參數是由滯止焓來確定。將整個排汽過程視為可壓縮流體、有摩擦阻力的一維絕熱流動，對蒸汽的初態(h0、u0、p0、v0)、終態(h2、u2、p2、v2)的熱力學參數的變化可描述為[3]：

h0-h2=(u0+p0v0)-(u2+p2v2)

(13)

(14)

聯立式(13)、(14)得：

(15)

以上的推導過程表明， API RP520和ASME B31.1兩種推導臨界參數的方法是等價的，都是由氣體動力學中滯止參數與臨界參數的關系式推導而來。兩者區別在于API RP520運用滯止壓力和滯止比容來確定，而ASME B31.1運用的是滯止焓來確定，從而導致公式的形式不同。在工程上，對于介質可近似為理想氣體的安全閥系統排汽反力計算，運用兩個標準給出的公式計算都是正確的。

4 實例計算

對于某過熱蒸汽安全閥系統，分別運用API RP520和ASMEB31.1給出的計算公式對其排汽彎頭處的排汽反力進行計算，并進行結果對比。系統的相關計算參數如下：

排汽彎頭尺寸φ219mm×8mm

質量流量 52.79kg/s

整定壓力 6.27MPa

蒸汽溫度 537.8℃

根據API RP520計算排汽反力。在工程上，可將過熱蒸汽近似視為理想氣體進行計算。

根據ASME B31.1計算排汽反力。查過熱蒸汽表，可以得到入口氣體的滯止焓值h0=3.506×106J/kg；查得過熱蒸汽得a=1.914×106J/kg，b=4.33。

F=WV+(p-pa)A=52.79×644.9+(0.8078-0.1)×3.23×104=56906N

分析上述計算結果，可以得出以下結論：

a. 兩種方法的計算結果基本相同，ASME B31.1所得排汽反力較API R520要略小，相差約為0.9%，可以為工程應用所接受。

b. 由于ASME B31.1中引入了飽和蒸汽和過熱蒸汽的熱力學參數，在計算時，得到的結果更為精確。

c. 計算過程中，ASME B31.1需要對蒸汽的一些特性參數進行查取，因此在實際工程應用中API RP520比ASME B31.1的計算更方便快捷。

5 結論

5.1API RP520和ASME B31.1給出的安全閥反力計算公式的不同，主要是其臨界參數的計算方法不同導致的。API RP520是采用滯止壓力和滯止比容方法確定的；ASME B31.1則采用滯止焓來確定。在理想氣體情況下，其描述的氣體流動特征是一致的，因此兩者實質是一致的。

5.2根據公式的推導過程可知，API RP520針對的是理想氣體狀態下的排汽反力的計算，在對非理想氣體的計算會有一定的偏差。而ASME B31.1中由于引入了飽和蒸汽和過熱蒸汽的熱力學參數，在計算時得到的結果更為精確。

5.3在工程應用中，將過熱蒸汽視為理想氣體，可采用API RP520給出的公式進行計算，比ASME B31.1的方法更加方便快捷。

[1] ASME B31.1，Power Piping[S].New York：The American Society of Mechanical Engineers，2012.

[2] API RP520，Sizing，Selection，and Installation of Pressure—Relieving Device in Refineries Part Ⅱ—Installation[S].Washington：American Petroleum Institute，2003.

[3] 王新月.氣體動力學基礎[M].西安：西北工業大學出版社，2006：112～115.

ComparingCalculationFormulabetweenAPIRP520andASMEB31.1
forSafetyValve’sDischargeCounterforce

FANG Li, WEI Li

(SinopecShanghaiEngineeringCompanyLimited,Shanghai200120,China)

The calculation formula for discharge counterforce of the safety valve stipulated in API RP520 and ASME B31.1 were introduced. Comparing formula deviation and example calculation shows that as for the calculation of perfect gas, the formula stipulated in these two standards are equal; and in the engineering application, the superheated steam can be regarded as the perfect gas in calculation and the formula from API RP520 becomes convenient.

relieve valve, discharge counterforce, API RP520, ASME B31.1

TQ055.8+1

A

0254-6094(2016)01-0017-04

*方 立，男，1972年8月生，高級工程師。上海市，200120。

2015-03-07，

2016-01-06)