化工裝置中安全閥工藝設(shè)計(jì)及附屬管道應(yīng)力分析

王進(jìn)飛

(杭州制氧機(jī)集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 311308)

0 引言

化工裝置安全閥的工藝設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重點(diǎn)執(zhí)行壓力設(shè)計(jì)工作、輸送介質(zhì)設(shè)計(jì)工作、排放量設(shè)計(jì)工作、泄放能力設(shè)計(jì)工作等，保證工藝設(shè)計(jì)的效果和水平。同時(shí)還需準(zhǔn)確開展附屬管道應(yīng)力的計(jì)算分析活動(dòng)，為安全閥的高效化應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)。

1 化工裝置中安全閥工藝設(shè)計(jì)

1.1 壓力設(shè)計(jì)

安全閥的壓力因素為積聚類型、背壓類型和定壓類型。其中，定壓主要就是安全閥工作壓力需小于或是等級和容器設(shè)計(jì)壓力、管道設(shè)計(jì)壓力；積聚壓力則是定壓與所處容器或是管道設(shè)計(jì)壓力相等的狀態(tài)下，安全閥所需要符合的超壓值標(biāo)準(zhǔn)；背壓則是在安全閥排空管線系統(tǒng)壓力的環(huán)節(jié)，正常工況下的定壓為10%之內(nèi)，火災(zāi)工況下在定壓的20%之內(nèi)。

由于安全閥的壓力對設(shè)備的應(yīng)用性能會(huì)產(chǎn)生直接影響，加之工作介質(zhì)屬于液體，如果閥前的壓力達(dá)到了定壓的標(biāo)準(zhǔn)、閥瓣呈現(xiàn)全開的狀態(tài)、閥前的壓力有所提升，提升到最高狀態(tài)，也會(huì)比定壓高出20%左右。此情況下為確保安全閥工藝設(shè)計(jì)過程中壓力設(shè)計(jì)的合理性，應(yīng)將最高積聚壓力在正常工況環(huán)境中控制為10%之內(nèi)，火災(zāi)工況環(huán)境中控制為定壓的20%之內(nèi)。同時(shí)還需結(jié)合工藝管道的工藝系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求，將工藝管道中的安全閥最高聚集壓力控制在定壓的30%內(nèi)，使得安全閥超壓20%以上的情況下能夠符合排放量的基本要求。另外，工藝設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中還需注意安全閥的閥前壓力已經(jīng)達(dá)到定壓指標(biāo)的狀態(tài)，可隨時(shí)將安全閥打開，當(dāng)壓力上升超壓3%的時(shí)候則將安全閥全部打開。而如果壓力降低到比定壓低4%之后，則需要將閥彈回閥座，停止排放的操作。

1.2 結(jié)合輸送介質(zhì)的設(shè)計(jì)

在化工生產(chǎn)和石化生產(chǎn)的過程中，安全閥對裝置安全性會(huì)產(chǎn)生一定的影響。由于各類裝置和管道的輸送介質(zhì)存在差異性，因此需結(jié)合輸送介質(zhì)的特點(diǎn)科學(xué)選擇安全閥的類型：其一，在對不可壓縮流體進(jìn)行排放的環(huán)節(jié)，采用微啟類型的安全閥設(shè)備；而對可壓縮流體進(jìn)行排放，則采用全啟類型的安全閥設(shè)備。其二，如果介質(zhì)內(nèi)部存在腐蝕性的物質(zhì)或是容易結(jié)垢，可能會(huì)使得安全閥的彈簧不正確運(yùn)行。此情況下應(yīng)使用波紋管安全閥設(shè)備，但是此類設(shè)備不適合應(yīng)用在蠟液介質(zhì)、含焦粉介質(zhì)和重石油餾分介質(zhì)領(lǐng)域。其三，先導(dǎo)性設(shè)備在應(yīng)用期間密封效果良好，可以將其劃分成為以下類型：流動(dòng)類型的導(dǎo)閥在應(yīng)用期間會(huì)持續(xù)性排放少量介質(zhì)，因此不適合應(yīng)用在含有毒有害物質(zhì)的輸送介質(zhì)環(huán)境中；不流動(dòng)類型的導(dǎo)閥則適合應(yīng)用在含有毒有害物質(zhì)的介質(zhì)環(huán)境。其四，除了波紋類型的設(shè)備能夠進(jìn)行水分介質(zhì)、蒸汽介質(zhì)和空氣介質(zhì)排放之外，其他的設(shè)備都必須使用帶有封閉功能的彈簧罩。其五，在輸送介質(zhì)溫度超出300 ℃的情況下，則需要使用帶有散熱片的彈簧安全閥，在輸送介質(zhì)為水蒸氣或者是空氣的情況下，才能使用帶有扳手的安全閥。

1.3 排放量設(shè)計(jì)

排放量的設(shè)計(jì)需要按照各類事故工況計(jì)算，主要就是閥門誤關(guān)閉工況、循環(huán)水故障工況、電力故障工況、冷凝器冷卻故障工況、回流與出料故障工況等，結(jié)合各個(gè)事故的工況設(shè)計(jì)排放量，確保不會(huì)出現(xiàn)安全閥的工藝系統(tǒng)問題。

(1)冷凝器冷卻故障工況下的設(shè)計(jì)。此類故障問題出現(xiàn)的原因就是冷凝器本身喪失了全部的冷凝功能或者是喪失部分的冷凝功能。全部冷凝功能的喪失工況下，設(shè)備排放量應(yīng)設(shè)計(jì)到正常組分與溫度指標(biāo)之下的正常進(jìn)料蒸汽量；而喪失部分冷凝功能，則需要結(jié)合回流罐的容量特點(diǎn)、事故處理的情況、冷凝器故障導(dǎo)致塔負(fù)荷所受到的影響等因素，明確是否需要增加回流負(fù)荷。

(2)回流與出料故障工況下的設(shè)計(jì)。塔頂回流工況下設(shè)計(jì)安全閥的排放量，應(yīng)將其控制在正常操作溫度之下頂層塔盤蒸汽量和塔頂冷凝器冷凝量之間的差的范圍之內(nèi)，在塔底出料泵不運(yùn)行或者是閥門已經(jīng)關(guān)閉的情況下所產(chǎn)生的蒸汽數(shù)量應(yīng)該和泵抽回流數(shù)量所消耗的熱量形成的蒸汽量相同。一般情況下，在回流冷凝器設(shè)備出現(xiàn)冷卻水故障問題時(shí)，會(huì)引發(fā)蒸餾塔超壓的現(xiàn)象，也可能會(huì)使得蒸餾系統(tǒng)短時(shí)間出現(xiàn)回流故障現(xiàn)象。如果出現(xiàn)事故問題應(yīng)全部或是部分開啟入口閥門，設(shè)置相應(yīng)的泄壓結(jié)構(gòu)預(yù)防出現(xiàn)超壓的現(xiàn)象；如果相同的事故導(dǎo)致多個(gè)出口閥門關(guān)閉，但是入口閥門依然開啟，就應(yīng)將排放量控制在最高入口流量減去依然開啟的出口閥門最高流量；如果發(fā)生了外部火災(zāi)事故，化工裝置的容器設(shè)備直接在火焰前暴露，根據(jù)傳入容器的熱量對安全閥的排放量進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)按照各類情況設(shè)計(jì)排放量。例如：沒有絕熱材料保溫的液體容器，在容器存在完善消防基礎(chǔ)設(shè)施與較為良好的下水系統(tǒng)情況下，所設(shè)計(jì)的安全閥排放量應(yīng)為155400FA0.82/L，如果容器不存在完善消防設(shè)置和可靠的下水系統(tǒng)，需要將設(shè)備的排放數(shù)量控制為255500FA0.82/L，其中：F為容器外壁校正的數(shù)據(jù)值；A為容器濕表面積數(shù)據(jù)值；L為液體在泄壓過程中氣化潛熱數(shù)據(jù)值。在火災(zāi)的環(huán)境之下，安全閥的有效通過面積應(yīng)控制為19F·As/(pl/105)1/2，其中：F為安全閥工作系數(shù)；As代表容器暴露外部表面積；pl代表的是安全閥設(shè)備的入口壓力指標(biāo)，屬于定壓的1.1倍或者1.2倍。

1.4 泄放能力設(shè)計(jì)

(1)有效通過面積的合理計(jì)算。如果使用全啟類型的安全閥設(shè)備，則需要按照0.785D2的公式計(jì)算有效通過面積，其中D為噴嘴口位置的直徑指標(biāo)。如果采用的是微啟類型的安全閥設(shè)備，則需要利用公式πDL計(jì)算，其中：D為閥座部分的直徑；L為閥芯的開啟高度。在閥座處于斜面狀態(tài)的時(shí)候也需要使用公式πDLsinθ計(jì)算，其中θ為斜面的角度。

(2)合理計(jì)算泄放能力。如果排放介質(zhì)屬于氣體或者是蒸汽，就應(yīng)按照公式計(jì)算：

式中：W為排放量數(shù)據(jù)值；A為安全閥設(shè)備的有效通過面積；p為定壓指標(biāo)；T為排出氣體絕對溫度數(shù)據(jù)值；M為氣體相對分子質(zhì)量的數(shù)據(jù)值，如若需要進(jìn)行混合物介質(zhì)的排放，就應(yīng)將M看作是平均相對分子質(zhì)量的數(shù)據(jù)值；Kb為背壓在泄放能力所形成作用的修正性參數(shù)。

如果設(shè)備需要將蒸汽當(dāng)作是唯一的介質(zhì)，就應(yīng)按照公式計(jì)算：

如果介質(zhì)屬于液體，計(jì)算公式為：

式中：p1為定壓指標(biāo)；p2為背壓指標(biāo)；G為液體相對密度指標(biāo)；Kb為積聚壓力修正的系數(shù)[1]。

1.5 配管設(shè)計(jì)

配管的設(shè)計(jì)工作中應(yīng)遵循以下原則：其一，將安全閥設(shè)計(jì)到維修便利的位置，設(shè)置獨(dú)立性的檢修平臺(tái)，針對性設(shè)計(jì)配管的形式；其二，出口管道、入口管道應(yīng)具有走向柔性的特點(diǎn)，上面設(shè)置切斷閥設(shè)備，使用閘閥同時(shí)做好鉛封處理，閥桿處于水平的方向，不能朝著上部分，以免閥桿和筏板因?yàn)殇N釘腐蝕或者是松動(dòng)出現(xiàn)下滑的現(xiàn)象；其三，入口管道、出口管道的配管不可以有袋形管，尤其需要注意氣體安全閥的設(shè)備，入口的管線不可以設(shè)置下凹類型的袋形管，以免引發(fā)安全閥應(yīng)用的問題或是不足。

1.6 出入管道設(shè)計(jì)

出入管道的設(shè)計(jì)工作中應(yīng)保證每一部分的管道符合標(biāo)準(zhǔn)：

(1)安全閥的入口管道設(shè)計(jì)。其一，安全閥應(yīng)該在容器頂部位置或是出口管道垂直向上的方向設(shè)置，盡量減小配置管線的長度，和被保護(hù)的化工裝置、管道之間相互接近。如果距離很長應(yīng)在設(shè)備接口位置、管道和安全閥入口的位置設(shè)置法蘭，將安全閥通過流量較高所出現(xiàn)壓力損失控制在安全閥整定壓力的3%之內(nèi)，重復(fù)性計(jì)算管線的直徑。其二，明確管線液體壓力非常穩(wěn)定、和波動(dòng)起點(diǎn)之間距離很遠(yuǎn)的位置，在其中設(shè)置安全閥。其三，采用全啟類型的安全閥設(shè)備，排放介質(zhì)屬于蒸汽或是氣體的情況下，將安全閥垂直安裝在氣相空間。使用微啟類型安全閥設(shè)備對液體介質(zhì)進(jìn)行排放，則將安全閥垂直設(shè)置在液相區(qū)間。其四，在配管的過程中設(shè)置長半徑彎頭裝置。其五，入口管道如果和不同直徑的管道相互銜接，應(yīng)與安全閥入口之間貼近，管線的直徑應(yīng)比安全閥入口管道直徑高。

(2)出口管道的設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，考慮到閥體性能可能會(huì)受到背壓因素的影響，應(yīng)將背壓控制在定壓特定值的范圍之內(nèi)，如果使用彈簧類型的安全閥設(shè)備，普通型背壓應(yīng)控制在定壓的10%之內(nèi)，波紋管型背壓控制在定壓的30%之內(nèi)。如果使用先導(dǎo)類型的安全閥設(shè)備，背壓控制為定壓的60%之內(nèi)[2]。

在設(shè)計(jì)排入密閉系統(tǒng)管道的過程中，考慮到如果安全閥的出口管線排入封閉系統(tǒng)總管，為預(yù)防配管管線出現(xiàn)袋形的問題，必須要設(shè)置能夠進(jìn)行罐體和總管分離的坡向。由于石油化工裝置多數(shù)排除口的位置都會(huì)和火炬總管之間相互銜接，再此狀況之下就需要確保其順著流向45°的角度進(jìn)行傾斜銜接，使得連接的位置質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)防出現(xiàn)液體倒流的問題，這樣在一定程度上還能降低背壓指標(biāo)；如果在泄壓管道的內(nèi)部排入液化烴類型的物質(zhì)，考慮到介質(zhì)汽化的過程中會(huì)形成低溫作用，可使用低溫鋼材料處理，設(shè)置管線保溫的設(shè)施、伴熱的設(shè)施；如果泄壓管道需要使用蒸汽吹掃，就必須要結(jié)合吹掃期間所形成的熱膨脹作用做好管線的設(shè)計(jì)工作；對于濕氣體泄壓系統(tǒng)而言，其中的排放管內(nèi)部區(qū)域不可以出現(xiàn)袋形積液的現(xiàn)象，將安全閥的安裝高度控制在比泄壓系統(tǒng)高的位置，如果受到限制不能確保安裝高度符合要求，就必須要將安全閥的出口設(shè)置在比泄壓總管低的位置，在容易接近的區(qū)域設(shè)計(jì)手動(dòng)放液閥設(shè)備，避免出現(xiàn)袋形管段積液的現(xiàn)象[3]。

1.7 工藝設(shè)計(jì)

工藝設(shè)計(jì)期間應(yīng)結(jié)合設(shè)備的錯(cuò)誤操作狀況、故障狀況等，在化工裝置中準(zhǔn)確研究此類事故問題，按照具體情況合理計(jì)算和選擇應(yīng)用安全閥設(shè)備。例如我國化工企業(yè)中的環(huán)氧乙烷裝置中使用輕組分塔頂安全閥設(shè)備，應(yīng)設(shè)計(jì)設(shè)備的工藝包，在其中明確火災(zāi)工況、塔底再沸器換熱管破裂工況的工藝標(biāo)準(zhǔn)要求。同時(shí)按照塔頂冷凝器冷卻水的故障工況特點(diǎn)做好設(shè)計(jì)工作，考慮到出現(xiàn)此類故障問題塔頂位置出現(xiàn)壓力異常現(xiàn)象、不凝氣的現(xiàn)象，此時(shí)需要利用塔頂?shù)陌?全閥設(shè)備將其泄放到安全的位置，此工況下應(yīng)將安全閥的泄放量設(shè)計(jì)成為13170 kg/h，最低泄放面積控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)[4]。

2 化工裝置中安全閥附屬管道應(yīng)力分析

2.1 排氣形式

排氣形式的分析主要為：(1)開式排氣系統(tǒng)。在安全閥處于開啟狀態(tài)的階段，氣體會(huì)直接排放到放空管或者是大氣環(huán)境，此類系統(tǒng)需要符合標(biāo)準(zhǔn)要求：t≤4D0，m≤6D0，其中：t為安全閥設(shè)備入口管線位置到放空管中心線位置之間的距離；D0為排氣管外徑的指標(biāo)；m為出口位置到排氣管中心線之間的距離。(2)采用閉式的排氣系統(tǒng)，在安全閥處于開啟狀態(tài)的情況下，氣體會(huì)利用和安全閥之間互相連接的排氣管道直接排放到遠(yuǎn)地，此類排氣形式適合應(yīng)用在爆炸風(fēng)險(xiǎn)、可燃?xì)怏w與有毒氣體的排氣環(huán)境[5]。

2.2 反作用力

反作用力的分析應(yīng)明確安全閥排氣管的反作用力情況：(1)開式排氣系統(tǒng)。重點(diǎn)研究排氣彎頭的狀況，在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的工況中安全閥設(shè)備開啟階段的反作用力主要涉及到動(dòng)量類型和壓力類型的效能，計(jì)算公式為：

式中：F為排氣彎頭的反作用力；G為質(zhì)量流率，需要結(jié)合安全閥開啟狀態(tài)之下最高流率的1.1倍指標(biāo)計(jì)算；W為出庫流速數(shù)據(jù)值；P為靜壓數(shù)據(jù)值；f為流通面積數(shù)據(jù)值；Pa為大氣壓力數(shù)據(jù)值。

同時(shí)還需重點(diǎn)分析放空管的情況，在安全閥處于開啟狀態(tài)的時(shí)候，反作用力影響會(huì)導(dǎo)致支架承受垂直、水平方向不平衡的合力矩，如若放空管的出口位置是斜面的形狀，反作用力就會(huì)沿著斜面形成法向作用，在設(shè)計(jì)過程中為預(yù)防出現(xiàn)“反噴”的問題，應(yīng)按照公式計(jì)算：

(2)閉式類型的排氣系統(tǒng)，排出口在穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的狀況之下，會(huì)形成很高的反作用力，應(yīng)準(zhǔn)確開展計(jì)算工作，明確管系各個(gè)位置的受力情況，增強(qiáng)自平衡性能。考慮到安全閥開啟的階段受到氣流不穩(wěn)定性因素的影響，管系可能會(huì)承受很高的沖擊力，導(dǎo)致正常運(yùn)行受到危害，因此需要根據(jù)具體情況科學(xué)計(jì)算數(shù)據(jù)值，準(zhǔn)確做好分析工作[6]。

3 結(jié)語

綜上所述，石油化工裝置安全閥工藝設(shè)計(jì)的過程中應(yīng)重點(diǎn)強(qiáng)化壓力設(shè)計(jì)，按照各類輸送介質(zhì)的特點(diǎn)合理開展設(shè)計(jì)工作，嚴(yán)格控制排放量與泄放能力，做好配管設(shè)計(jì)和出入管道的設(shè)計(jì)，增強(qiáng)工藝設(shè)計(jì)的效果，在此期間還需重點(diǎn)分析安全閥附屬管道應(yīng)力情況明確排放用力和反作用力，按照各類應(yīng)力的特點(diǎn)科學(xué)進(jìn)行計(jì)算、分析與設(shè)計(jì)，完善整體的安全閥設(shè)計(jì)方案和計(jì)劃，促使其穩(wěn)定、安全應(yīng)用。