安全阀计算示例

1 安全阀计算实例 陈 桦 安全阀系压力容器在运行中实现超压泄放的安全附件之一，也是在线压力容器定期 检验中必检项目。它包括防超压和防真空两大系列，即一为排泄容器内部超压介质防止 容器失效，另一方面则为吸入外部介质以防止容器刚度失效。凡符合《容规》适用范围 的压力容器按 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 图样的要求装设安全阀。 一．安全阀的选用 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 a）根据计算确定安全阀.公称直径.必须使安全阀的排放能力≥压力容器的安全泄放量 b）根据压力容器的设计压力和设计温度确定安全阀的压力等级; c）对于开启压力大于 3MPa 蒸汽用的安全阀或介质温度超过 320℃的气体用的安全阀, 应选用带散热器(翅片)的形式; d）对于易燃、毒性为极度或高度危害介质必须采用封闭式安全阀,如需采用带有提升机 构的,则应采用封闭式带板手安全阀; e）当安全阀有可能承受背压是变动的且变动量超过 10%开启压力时,应选用带波纹管的 安全阀; f）对空气、60℃以上热水或蒸汽等非危害介质,则应采用带板手安全阀 g）液化槽(罐)车,应采用内置式安全阀. h）根据介质特性选合适的安全阀材料:如含氨介质不能选用铜或含铜的安全阀;乙炔不 能选用含铜 70%或紫铜制的安全阀. i）对于泄放量大的工况,应选用全启式;对于工作压力稳定, 泄放量小的工况,宜选用微 启式;对于高压、泄放量大的工况, 宜选用非直接起动式,如脉冲式安全阀.对于容器 长度超过 6m 的应设置两个或两个以上安全阀. j）工作压力 Pw 低的固定式容器,可采用静重式（高压锅）或杠杆重锤式安全阀.移动式 设备应采用弹簧式安全阀. k）对于介质较稠且易堵塞的, 宜选用安全阀与爆破片的串联组合式的泄放装置. l）根据安全阀公称压力大小来选择的弹簧工作压力等级. 安全阀公称压力与弹簧工作 压力关系,见表 1 m） 安全阀公称压力 PN 与弹簧工作压力关系表 表 1 PN 弹簧工作压力等级 2 1.6 0.06～0.1 >0.12 >0.16～0.25 >0.25～0.4 >0.4～0.5 >0.5～0.6 >0.6～0.8 >0.8～1.0 >1.0～1.3 >1.3～1.6 2.5 >1.3～1.6 >1.6～2.0 >2.0～2.5 只能用于大于 1.3MP 6.4 ->1.3～1.6 >1.6～2.0 >2.0～2.5 >2.5～3.2 >3.2～4.0 >4.0～6.4 只能用于大于 1.3MPa 10 >4～5 >5～6.4 >6.4～8 >8～10 只能用于 大于 4.0MPa 安全阀应动作灵敏可靠,当到达开启压力时,阀瓣应及时开启和完全上升,以顺利排放; 同时应具有良好的密封性能,不仅正常工作时保持不漏,而且要求阀瓣在开启复位后及时 关闭且保持密封;在排气压力下阀瓣应达到全开位置,无震荡现象,并保证排出规定的气 量。 二．安全阀计算实例 我们在压力容器设计和定期检验中均要求对安全阀的安全排放能力进行选型或校 验计算。基于以往资料不齐全,往往以大代小,造成不必要的浪费。现拟以 GB150 附录 B-B5.1 b)为依据，用不同介质、压力、温度对安全阀的安全排放量进行选型计算。 例 1：有一空气储罐,DN1000 ㎜，容积 V=5m3 最高工作压力为 0.8MPa，工作温度为 30℃进口管为φ57X3.5,确定安全阀尺寸. 解 1)确定气体的状态条件 设 Po—安全阀出口侧压力（绝压）0.103MPa（近似为 0.1MPa） 则 Pd—安全阀泄放压力（绝压）为 Pd=1.1Pw+0.1+10%P=1.068MPa（GB150附录 B4.2.1） 当安全阀出口侧为大气时: Po/Pd=0.103/1.068=0.0936 而（2/(k+1)）k/(k-1) =（2/(1.4+1)）1.4/(1.4-1)=0.53 ∴ Po/Pd＜（2/(k+1)）k/(k-1) 是属于临界状态条件, 安全阀排放面积 A 按（B5） 计算 A≥ ZT MCKP Ws d 2106.7 −× mm （B5） 式中: C 气体特性系数,查表 B1 或 C=520√k（2/(k+1)(k+1)/(k-1)） K—安全阀额定泄放系数,K=0.9 倍的泄放系数(泄放系数由制造厂提供,一般为 0.75);或按《容规》附件五第二节有关规定中选取. 3 2)容器安全泄放量的计算: 盛装压缩气体或水蒸汽的容器安全泄放量,按下列规定来确定 a.对压缩机贮罐或水蒸汽的容器,分别取压缩机和水蒸汽发生器的最大产气量; b.气体储罐等的安全泄放量按(B1)式计算 Ws=2.83×10-3ρυd2 ㎏/h (B1) 式中 ρ为排放压力下的气体密度. ρ=M（分子量）×Pw’(排放绝对压力)×273/(22.4×(273+t)) 空气 M=28.95 排放绝对压力 Pw’=10.68 ㎏/㎝ 2 代入上式得 ρ=28.95×10.68×273/22.4×303=12.44 ㎏/m3 υ—容器在工作压力下的进口管的气体流速 m/s;查表 2得υ=10～15m/s 一些常用气体流速范围 表 2 流体名称/输送压力 MPa 流速范围 m/s 流体名称/输送压力 MPa 流速范围 m/s 压缩空气 0~0.1 ＞0.1~＜0.6 ＞0.6~＜1.0 ＞1.0~＜2.0 ＞2.0~＜3.0 一般气体（常压） 氧气 ＜0.6 0.05~0.6 饱和水蒸汽（主管） （支管） 低压蒸汽 ＜1.0 低压蒸汽 ＜1.0 低压蒸汽 ＜1.0 10~15 10~20 10~15 8~10 3.0~6.0 10~20 5.0~10.0 7.0~8.0 30~40 20~30 15~20 20~40 40~60 饱和水蒸汽（主管） （支管） 煤气（初压）2KPa （初压）6KPa 氨气 ≤0.6 1.0~2.0 液氨 氮气 5~10 乙炔气 氢气 自来水 （主管） （支管） 易燃气体 40~60 35~40 0.75~3.0 3~12 10~20 3.0~8.0 0.3~1.0 2.0~5.0 2.0~8.0 ≤8.0 1.5~3.5 1.0~1.5 ≤1.0 取υ=10m/s. 将上述ρ、ν、d代入得 4 Ws=2.83×10-3×12.44×15×502 =1320.2 ㎏/h 则 A= 3031 95.28071.17.0365106.7 2.1320 2 ××××× − =205.4mm2 若采用带板手全启式安全阀 A=0.785d02=205.4mm2 d0=(205.4/0.785)1/2=16.2 ㎜ 根据统计概算,全启式安全阀的喉径 d0 与公称直径 DN 之比约为 0.625, 而微启式安全阀的喉径 d0 与公称直径 DN 之比约为 0.8. ∴选用公称直径 DN32 的全启式带板手安全阀. 安全阀公称直径与喉径关系 表 3 安全阀公称压力\公称直径 DN 15、20、25、32、40、50、80、100 PN (MPa)1.0、2.5、4.0、6.4 do 20、25、32、50、65 PN (MPa)10.0 20、25、32、40、50 全 启 式 PN (MPa)16、32 12、20 PN (MPa)1.6、2.5、4.0、6.4 do 12、16、20、25、32、40、65、80 PN (MPa)16、32 do 8 12 微 启 式 PN (MPa)16、32 14/16 例 2.将例题 1的介质改为蒸汽。 解：在压力容器中，绝大多数安全阀的出口侧压力与它的泄放压力之比即 Po/pd 都 小于理论值 0.528。（此值由空气作试验介质求得 Po/pd=0.528）属于临界状态。 Pd——安全阀的泄放压力（绝压） Pd=1.1×P＋0.1MPa=1.1×1.1Pw＋0.1=1.21×0.8＋0.1=1.068MPa 查得ρ=5.388Kg/m3. K=455°(t=182℃) ∴WS=2.83×10-3ρνd2=2.83×10-3×5.388×25×502=953Kg 最小排放面积 A 5 A= ZT MCKP Ws d 2106.7 −× 其中蒸汽在工作温度和压力下的压缩系数 Z。可根据高鸿华主编《压力容器安全技 术问题》第 71 问中的 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 进行计算：（注 1） Z= RT MPν = 455848 18101856.068.10 4 × ××× =0.93 式中：R——848Kg·m/Kmol·K T——蒸汽绝对温度 K ν——蒸汽比容 M——分子量。 蒸汽 k=1.135 ∴A= 45593.0 18068.17.0331106.7 953 2 ××××× − =245.7mm2 do= 4 π A = 785.0 7.245 =17.7 ㎜ 取 DN=32 的安全阀。（do=20 ㎜） 注 1、介质压缩系数可按 GB150 附录 B 章进行计算，一些常用介质的临界特性，由表 4 查得 某些气体的主要物理特性 表 4 名称 分子量 临界温度 t℃ 临界压力 Patm(绝压) K=Cp/Cv 氢 H2 2.02 -239.9 12.8 1.407 氧 O2 32 -118.8 49.71 1.4 空气 29 -140.8 37.25 1.4 氧化氮 NO 30 -94 67.2 1.4 二氧化碳 CO2 44 31.1 72.9 1.30 水蒸汽 H2O 18.2 374.1 225.4 1.3(过热)1.135 氨 NH3 17.03 132.4 111.5 1.29 硫化氢 H2S 34.09 100.4 88.9 1.3 6 氟-12 CF2Cl2 120.09 111.7 39.6 1.14 氯 Cl2 70.91 144.0 76.1 1.36 丙烷 C3H8 44.09 96.84 42.01 1.133 丁烷 C4H10 58.12 152.01 37.47 1.094 苯 C6H6 78.11 287.6 48.7 1.18 乙炔 H2C2 26.04 36.3 61.6 1.238 异丁烷 58.12 58.12 36.00 1.079 上述的工况。同样可以用（B7）式进行计算。该式在计算时略去繁锁系数 Z 的计算， 当 Pd≤10Mpa 时 A= KPd Ws 23.5 = 068.17.025.5 953 ×× =242.8mm 2 do= 4 π A = 785.0 8.245 =17.6 ㎜ 众所周知，压缩系数 Z是反映了真实气体在压力、温度和比容之间的关系上和理想 气体的差异。在常温及压力不太高的情况下，真实气体与理想气体的差异不大。即压缩 系数 Z≈1，而一般常用的二原子气体，如空气、氧、氮、氢及一氧化碳等气体的绝热指数 K 均为 1.4。因此，安全阀排量计算公式简化为下式： W=27KPdA T M 用例题 1的工况，代入后即得 A= 303 95.78067.17.027 .1320 ×× =205.4mm2 Do= 4 π A = 785.0 4.205 =16.2 ㎜ 与例题 1 的详细计算相差极小，另一方面应注意的是，如合成氨的循环机的安全阀， 由于出口侧的压力很大。因而压力比 Po/Pd>(2/(k+1) )k/(k-1)属于处在亚临界状态，则应用 式(B6)来计算安全阀泄放量。但锅炉系统的安全阀选型计算要以《锅规》所给出的公式 及系数进行计算。 7 例 3：液化石油气贮罐，筒体内径 Di=1600 ㎜,长度 L=6000 ㎜，壁厚δn=16 ㎜,V=13.3m3,封头形式为椭圆，介质组分为: 丙烯 50%、丙烷 15%、正异丁烯 15%、正 异丁烷 15%、残液 5%.液化石油气组分见表 5。 液化石油气单一成分组分及汽化潜热 表 5 重量组分 X1 丙 烷 C3H8 丙 烯 C3H6 正 异 丁 烯 正 异 丁 烷 残液 50℃汽化潜热 kJ/kg 285.5 285.96 343.7 317.8 337 液化石油气贮罐，一般不设保温且夏日均配备水喷淋予以冷却。 解：对无绝热材料保冷层的压力容器其安全泄放量按（B3）计算。 W=2.55×105FAt×0.82/q kg/h 式中：F—系数，对于地面上的容器，F=1 At—容器受热面积，椭圆封头的卧式贮罐 At=πD0(L+0.3 D0)=3.14×1.632（6.916+0.3×1.632）=37.9 ㎡ 50℃汽化潜 r=∑Xiri=285.5×0.15＋285.96×0.5＋343.7×0.15＋317.8×0.15 ＋337×0.05=301.9KJ/㎏ ∴安全泄放量 W’= r AF 82.051055.2 ⋅⋅× = 9.301 9.3711055.2 82.05 ××× =16640 ㎏/h 安全阀的泄放能力计算 对于贮罐的筒体长度≥6m 时，应设置两个安全阀。在一般情况下分半值来计算较为 合理。这样才不致于使安全阀选得过于大型而造成浪费。安全阀的最小排气面积 A为 A= ZT MCKP W d 2106.7 2 −× = 32367.0 4408.26.0337106.7 8320 2 ××××× − =577.3mm2 8 式中 Pd=1.1P＋0.1=1.1×1.8＋0.1=2.08MPa M 分子量=44 (以主要成分丙烷) ∴do= 4 π A = 785.0 3.577 =27.12 ㎜ 选用 DN40A42H—4.0 的全启式安全阀两只。（此档安全阀最小公称直径为 40） 由两台或两台以上的装置集中输气到一个贮罐（集中罐）。或由一台设备分别输气 到几个贮罐（分气罐）时。贮罐的安全泄放量的计算见例 4。 例 4、由两台空气压缩机同时向体积为 V=100m3 的集气罐输气。其输气压力为 Pw=1.0MPa；t 为常温。进气管为φ108×4。此时贮罐的安全泄放量。 ∵在 Pw=1.0Mpa；t=20℃时，ρ=12.87 ㎏/m3。取进气管的气体流速为ν=15m/s ∴贮罐的安全泄放量 W 为 W‘=7.55(ρo)Vd2 T Pd =7.55×1.293×15×1002× 293 31.1 =6.55×103 ㎏/h 式中：ρo——气体在 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 状态下的密度㎏/m3；空气在标准状态下的 P=12.87 ㎏/m3 Pd——容器的排放压力 MPa（绝对） T——容器的排放温度（绝对）K d——容器的总进气管内径㎜ 实际上 W＇=7.55ρoVd2 T Pd 与 W=28×10-3ρVd2 是等效的，不同处在于不用去求取 气体在排放状态下的密度ρ（㎏/m3）。 除上述的一些常见的贮罐外，我们还遇到如蒸发器、反应器之类由于器内液体受热 蒸发而增大压力，或由于化学反应而使介质气化。 体积增大内压升高，其安全泄放量应分别根据输入载热体的放出热量或器内化学反 应可能生成的最大气量，以及反应所需的时间来决定。 另外,JB/T4750－2003《制冷装置用压力容器》B.4 安全阀及爆破片口径中介绍了配 备在容器上的安全阀口径计算方法，我们可以在设计中参考选用。 d=C1 LD0 （B.1） 式中 C1=35 2 1 1 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ P （B.2） D0－－容器外径 m L—— 容器长度 m 9 P—— 为设计压力 MPa 两个以上容器连通时，其安全阀口径是将各自容器的 D0L 值之和代入（B.1）式进 行计算。 参 考 资 料 《压力容器安全技术监察规程》 《压力容器安全技术问答》劳动人事出版社 GB150—1998《钢制压力容器》学苑出版社 《锅炉压力容器安全工程学》北京经济学院出版社 《燃气压力容器》中国建筑工业出版社 《化工 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 设计手册》上海科学技术出版社 JB/T4750－2003《制冷装置用压力容器》国家经济贸易委员会