管道安全閥計算選型技術探討

（中國醫(yī)藥集團聯(lián)合工程有限公司上海分公司，上海 200235）

安全閥廣泛使用于化工，生物醫(yī)藥，粉塵處理工業(yè)，冶礦，紡織等領域，具有泄放壓力、保護設備、保障人民生命和國家財產的作用。本文采用了兩種不同的方法，闡述了氧氣管道系統(tǒng)管道安全閥泄放面積的求取過程，并對兩種計算方法進行對比。

1 GB/T 150—2011《壓力容器》中關于泄放面積計算的說明

為了能更清楚地說明計算過程，現(xiàn)將計算公式做如下說明。對于管道上設置的安全閥，單個泄放裝置泄放面積的計算分為以下三種情況[1]

1.1 對于氣體

1.2 對于飽和蒸汽

飽和蒸汽中蒸汽含量應不小于98%，過熱度不大于11℃，

當Pf≤10 MPa 時，

當10 MPa＜Pf≤22 MPa 時，

1.3 對于液體

式中A——安全閥的最小泄放面積，mm2；

k——氣體絕熱指數(shù)；

C——氣體特性系數(shù)，可從表1查得，或取

K——安全閥的泄放系數(shù)，與安全閥結構有關，通常由安全閥制造廠提供；無參考數(shù)據(jù)時，全啟式安全閥可按K=0.6～0.7；

M——氣體的摩爾質量，kg/kmol；氧氣的摩爾質量為32 kg/kmol；

Po——泄放裝置出口側壓力（絕壓），MPa；

Pf——泄放裝置的泄放壓力（絕壓），按表2計算，包括設計壓力和超壓限度兩部分，MPa；

ΔP——泄放裝置泄放時內、外側的壓力差，MPa；

R——通用氣體常數(shù)，J/（kmol·K），R=8314；

Re——雷諾數(shù)，

Tf——泄放裝置泄放溫度，K；

W——泄放裝置泄放量，kg/h；

Ws——容器的安全泄放量，kg/h；

Z——氣體的壓縮系數(shù)，見圖1，對于空氣Z=1.0；

ζ——液體動力黏度校正系數(shù)，當液體的黏度不大于20℃水的黏度時，取ζ=1.0；

μ——液體動力黏度，Pa·s；

ρ——泄放條件（設定溫度與設定壓力）下的介質密度，kg/m3。

表1 氣體特性系數(shù)C[1]Tab.1 Gas characteristic coefficient C

表2 安全閥的壓力規(guī)定[2]Tab.2 Pressure regulation of safety valve

2 《動力管道設計手冊》中關于泄放面積計算的說明

2.1 當介質為氣體并且≤0.55

油氣（相當于正庚烷氣）按公式計算

空氣按公式計算

飽和蒸汽按公式計算

過熱蒸汽按公式計算

氫、氧氣系統(tǒng)按公式計算

式中A——安全閥喉部面積，cm2；

qm——安全閥額定排量，kg/h；

P1——安全閥排放壓力，MPa，按表2計算；

P2——安全閥出口壓力，MPa，如放空，P2=0.1 MPa；

M——氣體的摩爾質量，kg/kmol；

T——進口處介質熱力學溫度，K；

Z——進口處壓縮系數(shù)，可取0.8～1.0；

Kt——工作溫度校正系數(shù)，可取0.8～1.0，溫度低時取高值，溫度高時取低值；

φ——過熱蒸汽校正系數(shù)，可取0.8～0.88[2]。

2.2 當介質為氣體且＞0.55

2.3 當介質為水，且安全閥出口背壓為放空

按公式計算安全閥喉部面積

計算求得喉部面積后，可按表3選取安全閥的公稱通徑。

表3 安全閥公稱通徑與喉部直徑關系[2]Tab.3 Relationship between nominal diameter and throat diameter of safety valve

3 氧氣管道系統(tǒng)安全閥泄放面積計算舉例說明

下面通過計算，對比兩種計算方法。

工況說明：在氧氣壓縮機排氣管道上設封閉式全啟安全閥，回收超壓排放氧氣至進氣壓力為0.1 MPa 的進氣管，安全閥處氧氣壓力1.5 MPa、氣體溫度為35℃，排放氧氣量為60。（注：在0℃，0.101 325 MPa 下，氧氣的密度為1.428 9 kg/m3。）

計算安全閥的口徑，就要考慮危險工況時，超壓保護的各種危險工況。如果存在多個危險工況，那么就必須要對這些工況進行分析計算，根據(jù)超壓所產生的壓力和介質泄放量來計算，最后選擇流通面積最大值。

3.1 按照GB/T 150—2011《壓力容器》計算泄放面積

排放氣體或蒸汽時，選用全啟式安全閥[3]。首先，判斷是臨界條件，還是亞臨界條件；氧氣是雙原子分子，所以計算得氣體絕熱指數(shù)或者查表4，同樣可以得到k=1.4；故計算得到

因為安全閥處氧氣壓力1.5 MPa，大于1.0 MPa；所以從表2中，選用公式Pf≥1.15P計算泄放壓力Pf；進而求得

5G無線光模塊的需求分析和關鍵技術…………………………………………………………張華，黃衛(wèi)平 24-4-51

表4 部分氣體的性質[1]Tab.4 Properties of some gases

或者查表1同樣可得C=356；

故容器的安全泄放量

其中，K為安全閥的泄放系數(shù)，與安全閥結構有關，通常由安全閥制造廠提供；無參考數(shù)據(jù)時，全啟式安全閥可按K=0.6～0.7；對于帶調節(jié)圈的微啟式安全閥可按K=0.4～0.5；對于不帶調節(jié)圈的微啟式安全閥可按K=0.25～0.35[3]。

壓縮因子Z的求解過程：

式中Td——泄放介質的溫度，K；

Tc——介質的臨界溫度，K；

Pc——介質的臨界壓力，MPa。

根據(jù)求得的對比溫度Tr、對比壓力Pr，查圖1得壓縮因子Z=1.08

圖1 氣體壓縮系數(shù)[1]Fig.1 Gas compressibility factor

又因為A==0.785 d2=476mm2，故得安全閥喉徑d=24.62 mm。

查表3，對于全啟式安全閥，喉部直徑取25 mm，安全閥公稱直徑取40 mm。

3.2 按照《動力管道設計手冊》計算泄放面積

根據(jù)《動力管道設計手冊》中，對于氧氣管道安全閥泄放面積計算的說明，介質為氣體并且時，氧氣系統(tǒng)中，

又因為A==0.785d2=402mm2，故求得安全閥喉徑d=22.63 mm。

查表3，對于全啟式安全閥，喉部直徑取25 mm，安全閥公稱直徑取40 mm。

4 初步定徑和最終定徑

安全閥計算選型過程，分為初步定徑和最終定徑。

4.1 初步定徑

對比兩種安全閥喉徑的計算結果，方法一采用HG/T 20570.2-95《安全閥的設置和選用》、GB/T 150—2011《壓力容器》中的方法計算安全閥喉徑面積為476 mm2，安全閥喉徑d=24.62 mm；方法二采用《動力管道設計手冊》中的方法計算安全閥喉徑面積為402 mm2，安全閥喉徑d=22.63 mm。采用兩種方法均能得到，全啟式安全閥喉部直徑取25 mm，安全閥公稱直徑取40 mm 的結果。

方法一計算過程繁瑣，需要通過計算對比溫度Tr、對比壓力Pr，查圖求得壓縮因子Z；并且需要安全閥制造廠提供安全閥泄放系數(shù)K，無參考數(shù)據(jù)時，全啟式安全閥可按K=0.6～0.7；在沒有安全閥制造廠提供準確泄放系數(shù)K的情況下，計算得出的安全閥喉部面積及喉徑將會存在微小的偏差。方法二計算過程簡便，能快速計算出氧氣系統(tǒng)安全閥喉部面積及喉徑。

同樣地，對于油氣（相當于正庚烷氣）、空氣、飽和蒸汽、過熱蒸汽、氫氣、水（安全閥出口背壓為放空時），在《動力管道設計手冊》中均有對應的公式，可以方便簡捷的計算出安全閥的喉徑面積。

4.2 最終定徑

當采用GB/T 150—2011《壓力容器》中的計算公式A=計算安全閥喉徑時，需要用到泄放系數(shù)K，而不同品牌供應商安全閥的泄放系數(shù)K 不同；因此，在安全閥招標前，只能初步估算安全閥喉徑。最終的喉徑及喉部面積，需要根據(jù)供應商提供的安全閥真實泄放系數(shù)K 計算。安全閥廠商按照喉徑的不同，將安全閥劃分為不同等級的產品。根據(jù)計算得到的最小喉徑，并參考安全閥廠商的產品列表，選擇一個略微大于最小喉徑的安全閥作為最終定徑。安全閥的進口管道直徑要大于等于安全閥的進口直徑，并且安全閥的出口管道直徑也要大于等于安全閥的出口直徑，安全閥的出口管道接向安全地點[5]。

5 安全閥結構型式選擇所考慮的工況因素

5.1 背壓

安全閥的背壓分為靜背壓和動背壓。靜背壓是指安全閥未起跳時閥出口處的壓力；動背壓是指安全閥起跳后，由于流體的流動引起的摩擦壓力降值[3]。對于背壓較小的工況，可以選用彈簧式安全閥；對于0.1＜≤0.3的工況，可以選擇背壓平衡式安全閥，設定壓力由彈簧控制，用活塞或波紋管減少背壓對其動作性能的影響；對于 0.3＜≤0.8的工況，可以選用導閥式安全閥，其設定壓力由導閥控制，其動作性能基本上不受背壓的影響。本文工況中，氧氣管道系統(tǒng)背壓為0.1 MPa，≤0.1，所以可以選用彈簧式安全閥。

5.2 工作壓力與整定壓力（開啟壓力）的壓差

安全閥的正常工作壓力與整定壓力之間要有足夠的壓差，否則，當工藝系統(tǒng)開停車等壓力波動的情況下，系統(tǒng)壓力會超過正常工作壓力值，如果正常工作壓力與安全閥整定壓力之間的壓差裕度不夠，將會造成安全閥泄漏開啟。對于不同類型的安全閥，由于內部結構存在差異，所以密封性不同；先導式安全閥的密封性優(yōu)于彈簧式安全閥。在表2中，規(guī)定出了工作壓力和開啟壓力之間壓差，對于工作壓力小于等于1.0 MPa 的工況，工作壓力與開啟壓力之間的壓差為0.05 MPa；對于工作壓力大于1.0 MPa 的工況，工作壓力與開啟壓力之間的壓差為0.05 倍的工作壓力。本文工況中，氧氣管道系統(tǒng)壓力為1.5 MPa，所以安全閥的開啟壓力定為1.575 MPa。

6 結束語

對于不同的介質狀態(tài)，定徑計算所需要的參數(shù)不同。除了必需的工藝參數(shù)，包括整定壓力、允許超過壓力、總背壓、所需排放量外，對于液態(tài)物質，還需要確定密度、黏度等參數(shù)；對于過熱蒸汽，還需要確定排放溫度等參數(shù)。以上介紹的安全閥計算所采用的公式，基本原理均相同，需要根據(jù)具體工況，選取計算公式及方法求取安全閥喉徑及喉部面積。