安全阀反力计算及出口管道设计浅析_谭永新

图 １ 中 Ｂ 图，放空管水平出口，泄放时必然 以水平推力的形式作用到管道出口，由于管道上 没有反方向支架来承受此反力，则此力必然通过 管道以力矩形式作用到安全阀和设备管口处，当 反力大到一定程度时，甚至会导致法兰变形、管 口撕裂。
以上分析可见，图 Ａ 和图 Ｂ 的管道设计从安 全角度来讲是不合理的，但此种配管在很多工程 设计文件中经常见到，有些已经随着安全阀泄放 而引起了事故，甚至造成了触目惊心的破坏，也 留下了深刻的教训。因此，在设计安全阀出口管 道时，一定要考虑到反力的影响，必须采取措施 保证反力不会对安全阀及其连接的设备管口产 生破坏，以保证化工装置的安全、正常运行。
造成破坏、避免管道积液等。我们重点从保证安 全阀反力不会产生破坏这方面，分析出口管道的 合理设计。
在安全阀出口放空管设计时，有的在管口处 加两个 ９０ 度弯头，使放空管最终管口朝下；或者 加一个 ９０ 度弯头，使管口水平排放。见图 １。
Ａ
Ｂ
图 1 安全阀排放管连接示意图
第３期
谭永新等：安全阀反力计算及出口管道设计浅析
A０— ——泄放管出口截面积，ｍ ｍ ２； P２— ——泄放管出口静压力，Ｍ Ｐａ（表）； k———绝热指数。
而在 Ａ ＰＩ－５２０（２００３ 版）中，安全阀反力计算
公式为：
姨 F＝１２９W
kT （k＋１）M
＋０．１（AP）
式中
（２）
F— ——泄放反力（Ｎ）； W— ——气体或蒸汽的流量（ｋｇ／ｓ）； k———出口条件下的绝热系统； T— ——出口温度（Ｋ）； M—— —流体分子量； A— ——泄放管出口面积（ｍ ｍ ２）； P— ——泄放口压力（ｂａｒ）。 我们可以看出，以上两个公式是有些差异 的。下面我们通过一个实例计算，对两个公式的 计算结果进行对比。 例题：某加热器需设置两个喉径为 ６５ｍ ｍ 的 全启式安全阀，该安全阀各项参数见表 １。
从计算结果可以看出，ＴｈｒｕｓｔａｔＶ ｅｎｔＰｉｐｅ Ｅ ｘｉｔ （放空管管口处反力）＝ １０ ５４８．１２８Ｎ
计算结果与公式（２）比较接近。 从 Ｈ Ｇ ／Ｔ２０５７０－９５《化工装置工艺系统工程 设计规定》中的《安全阀的设置和选用》一章引用 标准中可知，公求（１）也来源于 Ａ ＰＩ－５２０，按理说 二者计算结果应该一致。但为什么却出现了差 异，据笔者分析，可能从 Ａ ＰＩ－５２０ 引用该计算公 式时，由于单位转换出现了一些问题，导致了它 与源公式计算结果的不同。当然，这还需要该标 准相关内容编者的认可。 按以上分析我们可以推断出，公式（２）的计 算结果应该是比较可信的。 3 安全阀出口管道的设计 安全阀出口管道设计时，需要考虑的因素很 多，例如：满足介质流速要求、防止背压过大影响 安全阀启动、保证安全阀反力不会对阀门及管道
安全阀的计算和选用在很多规范及手册上 都有详细讲述，在此不再赘述。现根据多年工程 设计经验，着重在安全阀反力计算及出口管道的 设计两方面进行深入探讨。 2 安全阀反力计算
安全阀阀瓣开启泄放时，管道内流体的快速 流动会对排放管道产生一定的作用力，并通过排 出管道传至安全阀，且以力矩的形式通过管道作 用在安全阀的设备接口。因此需要对这种力和力 矩进行计算，以保证安全阀进出口管道及设备接 口、法兰的安全。
表 1 安全阀参数表
安全阀 型号
喉径 ／ｍ ｍ
Ａ ４２Ｙ －４０ ６５
泄放量 公称直径 公称压力 起跳压力 出口直径 泄放管口压力 操作压力 操作温度
／ｋｇ／ｈ
／ｍ ｍ
／Ｍ Ｐａ ／Ｍ Ｐａ
／ｍ ｍ
／Ｍ Ｐａ
／Ｍ Ｐａ
／℃
４２ ５００ １００
４
２．７５
１２５
０．２７５
２．５
２５０
２
氮肥技术
２０１１ 年第 ３２ 卷
（收稿日期：２０１１－０４－１２）
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图 2 排放至开放系统的安全阀放空管设计示意图
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1 前言 安全阀是化工装置压力容器、压力管道超压
保护的重要设施。在装置运行过程中，当遇到阀 门误关、火灾、冷却介质停供、电力故障而导致系 统压力超过安全阀设定压力时，阀瓣开启泄压， 保护系统设备及管道不因超压而发生事故。
大多数化工装置系统操作压力较高，比如合 成氨装置中氨合成操作压力可达 ２０～３０Ｍ Ｐａ，一 般的中压蒸汽也在 ２．５Ｍ Ｐａ 左右。而且化工物料 多是可燃易爆介质，如果安全阀设计考虑不周， 超压泄放时易引起火灾、爆炸等事故。因此从系 统安全的角度出发，安全阀的合理计算与设计对 化工装置来说是非常重要的。
２０１１ 年第 ３２ 卷第 ３ 期
氮肥技术
１
安全阀反力计算及出口管道设计浅析
谭永新 王金玉 杨 明 （山东天浩化工设计有限公司 济南 ２５０１０１）
摘 要 简要介绍通过验证安全阀反力计算公式，认为 Ａ ＰＩ－５２０（２００３ 版）中的公式比较可信。同时在安全阀出口管道的 设计方面进行了深入探讨。 关键词 安全阀 反力计算 出口管道 设计
建议排放至开放系统的安全阀放空管设计 见图 ２。
带排气筒的安全阀放空管设计见图 ３。
图 3 带排气筒的安全阀放空管设计示意图
在这两种管道布置中，安全阀出口管端部都 是垂直向上，泄放时产生的反力则是垂直向下 的。由于管道上设有承受垂直反力的管架，因此 反力产生的力和力矩不会作用到安全阀及连接 的管口或管道上，从而保护了安全阀及连接的管 口或管道的安全。
对安全阀出口进行反力计算，按照公式（１） 计算反力：
姨 f＝１．０２×１０－６×W×
kT （k＋１）M
＋１０×A０×P２
姨 ＝１．０２×１０－６×４２ ５００× １．２８×５２３ ２．２８×４４
＋１０×０．７８５×１２５２×０．２７５
≈３３ ７３０．５８Ｎ
按照公式（２）计算反力：
姨 f＝１２９W
kT （k＋１）M
＋０．１（AP）
姨 ＝１２９× ４２ ５００ １．２８×５２３ ＋０．１ ３ ６００ ２．２８×４４ ×０．７５８×１２５２×２．７５ ≈７ ３０７．０８Ｎ 由上可见，两个公式计算结果差别比较大。 公式（１）的计算结果几乎是公式（２）的五倍。 究竟哪一个公式的计算结果更为可信呢？我 们再用管道应力分析软件 Ｃ Ａ Ｅ ＳＡ Ｒ Ⅱ中的安全阀 泄放反力计算单元来进行验证。 Ｃ Ａ Ｅ ＳＡ Ｒ Ⅱ计算结果如下：
３
这样设计的理由是：弯头有效防止了雨水及 灰尘进入放空管内。但把上面两种设计做深入分 析时，就会发现在安全阀反力存在的情况下，如 此设计是存在安全隐患的。
图 １ 中 Ａ 图，放空管出口向下，泄放时出口 处的反力则向上作用，由于弯头 １ 处没有支架承 受反力，则反力最终必然以力和力矩的形式作用 在安全阀 ２ 和管口 ３ 处，容易造成安全阀、管口 及法兰的破坏。
小小安全阀看似简单，实则关系到化工装置 运行的安全，作为系统超压保护的一道安全措 施，工程设计人员一定要严谨计算、精心设计，使 安全阀在关键时刻起到应有的作用，从而保证系 统的安全。
参考文献 １ 原 化 部 工 艺 系 统 设 计 技 术 中 心 站 主 编 ．Ｈ Ｇ ／Ｔ
２０５７０－９５，化工装置工艺系统工程设计规定（二）．化学 工业部发布，１９９６．５ ２ 美国石油研究协会 《． Ａ ＰＩＲ Ｅ Ｃ Ｏ Ｍ Ｍ Ｅ Ｎ Ｄ Ｅ Ｄ ＰＲ Ａ Ｃ ＴＩＣ Ｅ ５２０》（第五版）．２００３．８
通常设计人员一般采用《安全阀的设置和选 用》（Ｈ Ｇ ／Ｔ２０５７０．２－９５）中 １４．０．１－１ 式进行反力计 算：
姨 f＝１．０２×１０－６×W×
kT （k＋Hale Waihona Puke Baidu）M
＋１０×A０×P２（１）
式中
f—— —泄放反力，Ｎ ；
W— ——质量泄放流量，ｋｇ／ｈ；
T— ——泄放温度，Ｋ ；
M—— —分子量；