某氨貯液器安全閥計算和選型分析

張義萬* 陸 斌

（泰安市質量技術檢驗檢測研究院）

0 引言

液氨具有較高的臨界溫度，在常溫下極易液化，所以常被用作制冷劑，廣泛應用于冷凍行業。在氨制冷系統中，貯液器是重要的承壓設備，其目的是暫存液氨并穩定其在制冷系統中的流量。根據GB/T 7778—2017《制冷劑編號方法和安全性分類》標準中有關制冷劑安全性的分類規定，液氨為B2L 類，即具有高慢性毒性與弱可燃性。當氨氣泄漏在環境中時，遇到極端火災工況，會引發爆炸。在氨貯液器中設置安全閥能有有效防止設備超壓泄漏，保證制冷系統安全運行。

1 安全閥的分類

安全閥的作用是當設備超壓時，安全閥中的閥瓣在介質壓力作用下上移，超壓的流體從間隙中逸出，容器內壓力逐漸降低，一定時間后，在加載機構的作用下，閥瓣重新回落，設備恢復正常運行，根據設備不同的使用環境，需選用相應的安全閥類型，安全閥分類如下。

（1）按加載方式分類可分為重錘杠桿式安全閥和彈簧式安全閥[1]。重錘通過杠桿或直接作用于閥瓣上，其加載載荷有限，并不適用于振動工況，目前已被逐漸淘汰。

彈簧式安全閥是以彈簧力作為加載載荷，作用在閥瓣上，由于彈簧結構簡單，對振動不敏感，所以目前在壓力容器中應用最為廣泛。

（2）按閥瓣開啟高度分類可分為微啟式和全啟式。安全閥開啟高度為大于1/40 喉徑小于1/20 喉徑。全啟式安全閥開啟高度為大于1/4 喉徑。

此外，按照氣體排放方式不同，安全閥還可分為全封閉式與開放式；按作用原理不同，則可分為直接作用式與非直接作用式。

2 安全閥結構及原理簡介

安全閥是壓力容器中重要的超壓泄放附件，現以應用最廣泛的彈簧直接作用微啟式安全閥為例，簡要介紹安全閥結構及原理，其結構如圖1 所示。

圖1 微啟式彈簧安全閥

當設備正常運行時，安全閥閥瓣7 與閥座9 處于接觸狀態，介質無法逸出，當介質由于某種原因導致設備承受壓力過高時，介質作用在閥瓣上的載荷大于彈簧作用在閥瓣上的載荷，此時閥瓣與閥座脫離，介質逸出，并可聽到外逸聲。介質作用在閥瓣上的力繼續增大達到安全閥起跳壓力，安全閥閥瓣達到最大起跳間隙，在一定壓力范圍內，閥瓣保持穩定，介質不斷逸出，設備內壓力持續降低。一定時間后，彈簧載荷超過容器內介質壓力，閥瓣緩慢下移至初始位置，安全閥泄壓結束[2]。

3 安全閥選型

安全閥的選擇需考慮以下6 個方面。

（1）壓力容器中存儲的介質性質

當介質有毒性或可燃易爆時應選擇封閉式安全閥，當介質為空氣、熱水等無毒性，不污染環境的非易燃易爆介質時可以采用對空排放的開放式安全閥。

（2）容器中介質相態

當介質為液態時，優先選用微啟式安全閥，若介質為氣相，例如氮氣，則全啟式安全閥是首先應考慮選用的類型。

（3）根據泄放介質溫度和有無背壓選擇

當介質泄放時溫度能達到或高于300 ℃時，應選擇帶散熱器的安全閥，當安全閥泄放出口處存在背壓時，應優先考慮選擇帶有波紋管結構的安全閥[3]。

（4）根據介質化學性質選擇

當介質具有較強腐蝕性時，安全閥內部閥瓣與閥座應選用耐腐蝕材質。

（5）根據容器設計壓力及設計溫度選擇

根據容器設計壓力和設計溫度，應選擇相應安全閥公稱壓力代號。

（6）安全閥與相鄰管件連接方式

安全閥與相鄰管件通常采用法蘭連接[4]。

本文結合實際工況，并參考標準JB/T 308—2004《閥門 型號編制方法》，首先確定選用彈簧直接作用式安全閥，代號A；又由于本文研究對象氨貯液器的介質為液氨，具有毒性和爆炸性，因此可選用法蘭連接，代號4；結構形式選擇全啟封閉式，代號2；根據其設計參數，設計溫度為50℃，設計壓力為2.15 MPa，閥座密封面選用硬質合金，閥體選用碳素鋼，材質代號分別為Y 與C；考慮到壓力需有一定余量，公稱壓力代號選取25，綜上所述，選用安全閥型號為A42Y-25C。

4 氨貯液器安全泄放量

按照TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》要求，常溫儲存液化氣體的工作壓力（無保冷措施時）為50 ℃飽和蒸氣壓，因此液氨工作壓力為2.03 MPa（絕對壓力），設計壓力取1.06 倍工作壓力，為2.15 MPa，詳細氨貯液器技術參數如表1所示。

表1 氨貯液器技術參數

根據GB 150—2011《壓力容器》中有關壓力容器安全泄放量的規定，不同工況下同一設備安全泄放量不同，在非火災情況下安全泄放量比火災工況下安全泄放量低30%左右。如前所述，在火災環境中液氨有可燃且易爆的性質，所以對此氨貯液器安全泄放量取最大值，即火災工況下的安全泄放量。

氨貯液器無保溫，其安全泄放量Ws可按下式計算：

Ar——容器的受熱面積，對于半球形封頭Ar=3.14D0L，橢圓形封頭的臥式容器Ar=3.14D0（L+0.3D0），立式容器Ar=3.14D0h1（D0為容器外直徑，L為容器總長，h1為容器最高液位），該設備為橢圓形封頭，故Ar=3.14D0（L+0.3D0）；

q——在起跳壓力下的液氨的汽化潛熱 ，查壓力容器介質手冊得到氨氣化潛熱q=251.37 K/kg。

經過計算可得，Ws=2 150.75 kg/h。

5 安全閥最小安全泄放面積

在計算最小泄放面積前，需要進行臨界條件的判定[5]，即：

根據計算分析，得出氨貯液器安全閥全部選型參數，最終提供給生產廠家，再采購符合要求的安全閥型號。

6 安全閥安裝注意事項

（1）安全閥應豎直安裝，并且安裝在氨貯液器上部，能夠防止液氨氣化超壓給設備造成破壞。

（2）與氨貯液器之間管道應短且直，并且管道內徑應大于安全閥進口處內徑。

（3）因為液氨具有毒性，且可燃易爆，安全閥出口應接介質回收裝置，不能對空排放。

（4）為了方便安全閥檢驗與更換，在制定可靠預案前提下，安全閥與貯液器之間應安裝截止閥。

7 結論

安全閥是承壓設備中重要的安全附件，對于保護設備正常工作，具有重要意義，尤其是在介質是易燃易爆或有毒的情況下，做好安全閥選型工作尤為重要。本文以氨貯液器上的安全閥選為例，參照有關標準，綜合考慮液氨的介質屬性，進行了安全閥設計選型工作型為例。