安全阀计算与选型 1. 确定安全阀类型 根据卸放介质物性、卸放量确定安全阀类型。 2. 确定安全阀公称压力 根据介质操作条件确定 PN，选定弹簧工作所承受的压力级。 3. 安全阀计算 3.1 由工艺计算软件（hysis,pro II,aspen）计算获得介质基本物性数据（比重ρ，分子量 M， 粘度μ，泄放量 Gv，气体特性系数 C，流量系数 Kf，压缩系数 Z，最高泄放压力 Pm，泄放 温度 Ti，操作压力 P0，整定压力 Ps）。 3.2 计算公式： 安全阀的计算参照 GB/T 12241-2005（它与 ISO 4126 安全阀一般要求计算方式相同） 中 的公式并依据实测额定排量系数来计算安全阀的额定排量，进而确定安全阀的口径，是比 较可靠的计算方式。具体计算公式见 GB/T 12241-2005 6.3 节/6.5 节。 3.2.1 介质为气体或蒸汽 1）临界流动下的理论排量计算 在以下条件下达到临界流动： 临界流动下的理论排量计算公式： 2）亚临界流动下的理论排量计算： 在以下条件下达到亚临界流动： 亚临界流动下的理论排量计算公式： 3）Excel 表格计算安全阀卸放面积 A0（作者 Huang WenJia） 1 3.2.2 介质为液体的理论排量计算 3.3 将必须的介质物性数据编入 Excel 表格，并在安全阀卸放面积栏编好计算公式（见安全阀 计算 excel 表格）。 安全阀的选用与计算实例 安全阀系能承受压力的容器在运行中实现超压泄放的安全附件之一，也是在线能承受压力的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》适合使用的范围的能承受压力的容器按设计图样的 要求装设安全阀。 一．安全阀的选用 1. 安全阀各种参数的确定 a）确定安全阀公称压力。 根据阀门材料、工作时候的温度和最大工作所承受的压力选定公称压力。 b) 确定安全阀的工作所承受的压力等级。 根据能承受压力的容器的设计压力和设计温度选定工作所承受的压力等级。安全阀的工作所承受的压力与弹簧的工作压 力级有着不同的含义，不能混为一谈。工作所承受的压力是指安全阀正常运行时阀前所承受的静压力， 它与被保护系统或设备的工作所承受的压力相同。而弹簧的工作所承受的压力级则是指某一根弹簧所允许使用 的工作所承受的压力范围，在该压力范围内，安全阀的开启压力（即整定压力）可以通过改变弹簧的 预紧压缩量进行调节。同一公称压力的安全阀，根据弹簧设计要求，可以分为多种不同的工 作压力级。具体划分见下表，划分的前提是能足以保证各个工作所承受的压力级的压力上限与下限均 能符合有关标准所规定的动作性能指标。 选用安全阀时，应根据所需开启压力值确定阀门的工作所承受的压力级。 表1 安全阀公称压力PN 与弹簧工作所承受的压力关系表 PN 弹簧工作所承受的压力等级 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 2 c）确定安全阀的排放压力 Pd。 安全阀的排放压力一般为整定压力（开启压力）的 1.1 倍，蒸汽锅炉安全阀的排放压力为整 定压力的 1.03 倍。 d）确定安全阀的通径。 根据必需排放量来确定，安全阀的排放能力≥必需排放量。被保护系统所必需的排放量是指 系统发生异常超压时为防止超压所必须排除的量，它是由系统或设备的工作条件、容量以及 可能引起超压等因素决定的。 e）材质的确定 选用安全阀的材质应考虑介质的工作温度、工作所承受的压力，介质性能以及材料的工艺性，经济性 等多种因素。一般情况下用户可根据生产单位提供的安全阀样本中列举的不同型号安全阀的 工作温度、压力范围以及代表性使用介质的种类进行选用。对材质有特殊要求时，可在订货 时与生产单位协商解决。 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。 2. 安全阀特殊结构的确定 1）带散热器安全阀的选用 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。 2）波纹管安全阀 对承受附加背压力的安全阀，而且其背压力变化量超过整定压力 10％时，应选用这种安全阀。 另外对使用有腐蚀性介质的安全阀，为防止弹簧及导向机构受介质腐蚀，也应选用波纹管安 全阀。 3）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。 4）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。 5）液化槽(罐)车,应采用内置式安全阀。 6）对于泄放量大的工况,应选用全启式;对于工作所承受的压力稳定, 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。 7）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。 8）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. 3 3. 安全阀的主要性能指标 1）安全性。阀门出厂时按国家相关标准进行了强度试验与密封试验，确保阀门的机械性能符合 国 家标准的要求。 2）灵敏性。阀门的起跳条压力、回座压力，在国家标准及用户要求的范围内，起跳压力准确、 起跳迅速，回座压力稳定。 3）密封性。阀门回座后密封性能优良，无泄漏。 4）有排放量要求的安全阀，阀门起跳后排放量达到国家标准规定的要求之机械特性，阀门的密 封性能及其它性能保持稳定，不发生变化。 二. 一般安全阀订货须知 订购一般安全阀应注明下列各项内容： 1）安全阀的型号、公称通径、公称压力 2）安全阀的工作压力级或开启压力（整定压力）值 3）阀体材质及密封面材质 4、特殊规格安全阀订货须知 订购特殊安全阀时，除应注明安全阀的型号、公称通径以及开启压力之外，尚需注明以下各 项： （1）安全阀排放压力的最高值及回座压力（或启闭压差）最低值； （2）被保护系统或设备的必须排量及拟装设阀门的数量； （3）使用介质及其重度（液体）或分子量（气体）； （4）阀门进口介质温度； （5）阀门承受背压的类型及数值； （6）其他要求。 三．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，工作时候的温度为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） 4 则Pd—安全阀泄放压力（绝压）为 Pd=1.1Ps+0.1 =1.1×1.1Pw＋0.1=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 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. 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=2.83×10-3ρυd 2 ㎏/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 ㎏/m 3 υ—容器在工作所承受的压力下的进口管的气体流速 m/s;查表 2 得υ=10～15m/s 表2 一些常用气体流速范围 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 饱和水蒸汽（主管） 30~40 0~0.1 10~15 （支管） 20~30 ＞0.1~＜0.6 10~20 煤气（初压）2KPa 0.75~3.0 ＞0.6~＜1.0 10~15 （初压）6KPa 3~12 ＞1.0~＜2.0 8~10 氨气 ≤0.6MPa(g) 10~20 ＞2.0~＜3.0 3.0~6.0 1.0~2.0MPa(g) 3.0~8.0 一般气体（常压） 10~20 液氨 0.3~1.0 氧气 ＜0.6 5.0~10.0 氮气 5～10MPa(a) 2.0~5.0 5 0.05~0.6 7.0~8.0 乙炔气 2.0~8.0 饱和水蒸汽（主管） 30~40 氢气 ≤8.0 （支管） 20~30 自来水 0.3MPa(g) （主管） 1.5~3.5 低压蒸汽 ＜1.0 15~20 （支管） 1.0~1.5 低压蒸汽 ＜1.0 20~40 易燃气体 ≤1.0 低压蒸汽 ＜1.0 40~60 取υ=15m/s. 将上述ρ、ν、d 代入得 Ws=2.83×10-3×12.44×15×50 2=1320.2 ㎏/h 则 =205.4mm 2 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 全 启 PN (MPa)10.0 20、25、32、40、50 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 微 启 PN (MPa)16、32 Do 8 12 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） 6 Pd=1.1×Ps＋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/h 最小排放面积 A 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 问中的公式进行计算：（注 1） 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 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 表4 某些气体的主要物理特性 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 氟-12 CF2Cl2 120.09 111.7 39.6 1.14 7 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 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(M/T) 0.5 用例题 1 的工况，代入后即得 Do=(205.4/0.785)0.5=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。 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。 表5 液化石油气单一成分组分及汽化潜热 重量组分 X1 丙 烷C3H8 丙烯C3H6 正异丁烯 正异丁烷 残液 8 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=2.55×105 F At×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=301.9 KJ/㎏ ∴安全泄放量 W’= 2.55x105 F A0.82 /r = 2.55x105x1x37.90.82 /301.9=16640 ㎏/h t 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。在正常的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 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) ∴ 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)Vd2Pd/T =7.55×1.293×15×1002×1.31/293=6.55×103 ㎏/h 式中：ρo——气体在标准状态下的密度㎏/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）,Pd=1.1x1.1xPw+0.1=1.31MPa, T——容器的排放温度（绝对）K ,T=273+20=293K d——容器的总进气管内径㎜ 9 实际上W＇=7.55ρoVd2Pd/T 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《制冷装置用能承受压力的容器》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(D0L)0.5 （B.1） 式中C1=35(1/P)0.5 （B.2） D0－－容器外径m L—— 容器长度m 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。 10

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