安全阀的工艺计算.docx
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安全阀的工艺计算
安全阀的工艺计算
1各种事故工况下泄放量的运算
1.1阀门误关闭
1.1.1出口阀门关闭,入口阀门未关闭时,泄放量为被关闭的管道最大正常流量。
1.1.2管道两端的切断阀关闭时,泄放量为被关闭液体的膨胀量。
此类安全阀的入口一样不大于DN25。
但关于大口径、长距离管道和物料为液化气的管道,液体膨胀量按式(1.1)运算。
1.1.3换热器冷侧进出口阀门关闭时,泄放量按正常工作输入的热量运算,运算公式见式(1.1)。
1.1.4充满液体的容器,进出口阀门全部关闭时,泄放量按正常工作输入的热量运算。
按式(1.1)运算液体膨胀工况的泄放量:
V=B·H/(Gl·Cp)(1.1)
式中:
V——体积泄放流量,m3/h;
B——体积膨胀系数,l/℃;
H——正常工作条件下最大传热量,kJ/h;
Gl——液相密度,kg/m3;
CP--定压比热,kJ/(kg℃)。
1.2循环水故障
1.2.1以循环水为冷媒的塔顶冷凝器,当循环水发生故障(断水)时,塔顶设置的安全阀泄放量为正常工作工况下进入冷凝器的最大蒸汽量。
1.2.2以循环水为冷媒的其它换热器,当循环水发生故障(断水)时,应认真分析阻碍的范畴,确定泄放量。
1.3电力故障
1.3.1停止供电时,用电机驱动的塔顶回流泵、塔侧线回流泵将停止转动,塔顶设置的安全阀的泄放量为该事故工况下进入塔顶冷凝器的蒸汽量。
1.3.2塔顶冷凝器为不装百叶的空冷器时,在停电情形下,塔顶设置的安全阀的泄放量为正常工作工况下,进入冷凝器的最大蒸汽量的15%。
1.3.3停止供电时,要认真分析停电的阻碍范畴,如泵、压缩机、风机、阀门的驱
动机构等,以确定足够的泄放量。
1.4不凝气的积存
1.4.1假设塔顶冷凝器中有较多无法排放的不凝气,那么塔顶设置的安全阀的泄放量与1.2规定相同。
1.4.2其它积存不凝气的场合,要分析其阻碍范畴,以确定泄放量。
1.5操纵阀故障
1.5.1安装在设备出口的操纵阀,发生故障时假设处于全闭位置,那么所设安全阀的泄放量为流经此操纵阀的最大正常流量。
1.5.2安装在设备入口的操纵阀,发生故障时假设处于全开位置时:
(1)关于气相管道,假如满足低压侧的设计压力小于高压侧的设计压力的2/3,那么安全阀的泄放量应按式(1.5)运算:
W=3171.3(CVl—CV2)Ph(Gg/T)1/2(1.5)
式中
W——质量泄放流量,k8/h;
CVl——操纵阀的Cv值,
CV2——操纵阀最小流量下的Cv值;
Ph——高压侧工作压力,MPa,
Gg---气相密度,kg/m3;
T——泄放温度,K。
假如高压侧物料有可能向低压侧传热,那么必须考虑传热的阻碍。
(2)关于液相管道,安全阀的泄放量为操纵阀最大通过量与正常流量之差,同时要估量高压侧物料有无闪蒸。
1.6过度热量输入
换热器热媒侧的操纵阀失灵全开、切断阀误开,设备的加热夹套、加热盘管的切断阀误开等工况下,以过度热量的输入而引起的气体蒸发量或液体的膨胀量来计。
1.7易挥发物料进入高温系统
1.7.1轻烃误入热油以及水误入热油等工况下,由于产生大量蒸汽,致使容器内的压力迅速上升。
1.7.2由于此事故工况下的泄放量无法确定而且压力升高十分迅速,因此,安装安全阀是不合适的,应设置爆破片。
1.7.3这种工况的爱护措施是确保幸免发生此类事故。
1.8换热器管破裂
1.8.1假如换热器低压侧的设计压力小于高压侧的设计压力的2/3时,那么应作为事故工况考虑。
1.8.2依照1.8.1的条件,安全阀的泄放量按式(1.8)运算出的结果和高压侧正常流量比较,取二者的较小值。
1.8.3换热器管破裂时的泄放量
W=5.6·d2·(Gl×ΔP)1/2(1.8)
式中
W——质量泄放流量,kg/h;
d——管内径,mm;
Gl——液相密度,kg/m3;
ΔP——高压侧(管程)与低压侧(壳程)的压差,MPa。
本公式适用于高压流体为液相。
1.9化学反应失控
1.9.1关于放热的化学反应,假如温度、压力和流量等自动操纵失灵/使化学反应失控,形成〝飞温〞,这时产生大量的热量,使物料急剧大量蒸发,形成超压。
这类事故工况,安装安全阀不管在反应时刻,依旧在泄放速率方面均不能满足要求,应设置爆破片。
1.9.2假如专利所有者能提供准确的化学反应动力学关联式,推算出事故工况下的泄放量,那么能够在专利所有者和建设方的同意下设置安全阀。
1.10外部火灾
1.10.1本规定适用于盛有液体的容器暴露在外部火灾之中。
1.10.2容器的潮湿面积(A)
容器内液面之下的面积统称为潮湿面积。
外部火焰传入的热量通过潮湿面积使容器内的物料气化。
不同型式设备的潮湿面积运算如下:
(1)卧立式容器:
距地面7.5m或距能形成大面积火焰的平台之上7.5m高度范畴内的容器外表面积与最高正常液位以下的外表面积比较,取两者中较小值。
a.关于椭圆形封头的设备全部外表面积为:
Ae=πD0(L+0.3D0)(1.10—1)
Ae——外表面积,m2;
Do——设备直径,m;
L——设备总长(包括封头),m。
b.气体压缩机出口的缓冲罐一样最多盛一半液体,潮湿表面为容器总表面积的50%。
c.分馏塔的潮湿表面为塔底正常最高液位和7.5m高度内塔盘上液体部分的表面积之和。
(2)球型容器:
球型容器的潮湿面积,应取半球表面积或距地面7.5m高度下表面积二者中的较大值。
(3)潮湿面积包括火灾阻碍范畴内的管道外表面积。
1.10.3容器外壁校正系数(F)
容器壁外的设施能够阻碍火焰热量传至容器,用容器外壁校正系数(F)反映其
对传热的阻碍。
(1)依照劳动部颁发的«压力容器安全技术监察规程»(1991年1月1日施行)
中规定:
a.容器在地面上无保温:
F=1.0
b.容器在地面下用砂土覆盖:
F=0.3
c.容器顶部设有大于10l/(m2·min)水喷淋装置:
F=0.6
d.容器在地面上有完好保温,见式(1.10—4)。
(2)依照美国石油学会标准API—520:
a.容器在地面上无保温:
F=1.0
b.容器有水喷淋设施:
F=1.0
c.容器在地面上有良好保温时,按式(1.10—2)运算:
(1.10—2)
式中:
λ——保温材料的导热系数,kJ/(m·h·℃);
do——保温材料厚度,m;
t——泄放温度,℃。
d.容器在地面之下和有砂土覆盖的地上容器,(F)值按式(1.10—2)运算,将其中的保温材料的导热系数和厚度换成土壤或砂土相应的数值。
另外,保冷材料一样不耐烧,因此,保冷容器的外壁校正系数(F)为1.0。
1.10.4安全泄放量
(1)依照劳动部颁发的«压力容器安全技术监察规程»(1991年1月1日施行)中规定:
a.无保温层
(1.10—3)
式中:
W-泄放量,kg/h:
Hl-泄放条件下的汽化热,kJ/kg:
A-润湿面积,m2;
F-容器外壁校正系数,取1.10.3
(1)中的取值
b.有保温层
(1.10—4)
式中:
t-泄放温度,℃:
λ-保温材料的导热系数;
d0-保温材料的厚度,m。
(2)依照美国石油学会标准API-520中规定:
关于有足够的消防爱护措施和
有能及时排走地面上泄漏的物料措施时,容器的泄放量为:
(1.10—5)
否那么,采纳式(1.10—6)运算:
(1.10—5)
式中符号同式(1.10—3),F取1.10.3
(2)中的取值。
2最小泄放面积的运算
2.1运算的最小泄放面积为物料流经安全阀时通过的最小截面积。
关于全启式安全阀为喉径截面积,关于微启式安全阀为环隙面积。
2.2依照劳动部颁发的«压力容器安全技术监察规程))(1991年1月113施行)中规定:
(1)关于气体、蒸汽在临界条件下的最小泄放面积为:
(2.2—1)
式中:
a——最小泄放面积,mm2;
W——质量泄放流量,kg/h,
X——气体特性系数;
P——泄放压力,MPa
Z——气体压缩因子,
T——泄放温度,K;
M——分子量。
流量系数(C0)由制造厂提供。
假设没有制造厂的数据时,关于全启式安全阀C0=0.6~0.7;关于带调剂圈的微启式安全阀:
C0=0.4~0.5;关于不带调剂圈的微启式安全阀:
C0=0.25~0.35。
气体特性系数(X)见附表1。
气体压缩因子(Z)查附图2。
(2)依照运算的最小泄放面积(a),运算安全阀喉径(d1)或阀座口径(D)
a.关于全启式安全阀
(2.2—2)
b.关于平面密封型微启式安全阀
(2.2—3)
c.关于锥面密封型微启式安全阀
(2.2—4)
式中:
d——安全阀喉径,mm
h——安全阀开启高度,mm
D——安全阀的阀座口径,mm
—密封面的半锥角,度。
2.3依照美国石油学会标准API—520中的规定如下:
2.3.1临界条件的判定
假如背压满足式(2.3—1),那么为临界流淌,否那么为亚临界流淌。
(2.3—1)
式中:
Pb——背压,MPa
Pcf——临界流淌压力,MPa
P——泄放压力,MPa
K——绝热指数。
2.3.2气体或蒸气在临界流淌条件下的最小泄放面积
(2.3—2)
式中
a——最小泄放面积,mm2;
W——质量泄放流量,kg/h;,
Co--流量系数;
X——气体特性系数;
P——泄放压力,MPa
Kb一背压修正系数;
T——泄放温度,K;
Z——气体压缩因子;
M——分子量。
流量系数(Co)由制造厂提供,假设没有制造厂的数据,那么取Co=0.975。
系数(X)
式(2.3—3)运算或查附表1。
(2.3-3)
背压修正系数(Kb)仅用于波浪管背压平稳式安全阀(查附图1)临界流淌条件下,关于弹簧式安全阀Kb=1.0。
气体压缩因子(Z)查附图2所示。
部分物料的绝热指数(k)见附表2,假设没有k的数据,那么X=315。
2.3.3气体或蒸气在亚临界条件下的最小泄放面积
(1)式(2.3—4)适用于导阀式安全阀和弹簧设定时考虑了静背压的阻碍的弹簧式安全阀,在亚临界流淌条件下的最小泄放面积的运算;
(2.3—4)
亚临界流淌系数(Kf)查附图3。
流量系数(Co)值由制造厂提供,假设没有制造厂数据时,Co=0.975,其它符号同前。
(2)简便运算弹簧式安全阀在亚临界流淌条件下的最小泄放面积时,可先按临界流淌条件下的式(2.3—2)运算,再将运算结果除以按图附图4查得的背压修正系数(Kb),即为亚临界条件下的最小泄放面积。
(3)背压平稳式安全阀在亚临界流淌时的最小泄放面积按式(2.3—2)运算,但背压修正系数(Kb)应由制造厂提供。
2.3.4水蒸汽
(2.3—5)
流量系数(Co)值由制造厂提供,假设无制造厂数据时,Co=0.975。
过热蒸汽过热系数(Ksh)查附表3,关于饱和蒸汽,Ksh=1.0。
Napier系数(KN)按下述要求选取:
P≤10.44MPa时,KN=1.0
10.44Mpa<P≤22.17MPa时,KN=
其余符号意义同前。
2.3.5液体
(2.3—6)
超压系数(Kp)查附图5所示。
背压修正系数(Kw),对弹簧式安全阀Kw=1.0;关于波浪管背压平稳式安全阀,Kw查附图6。
粘度修正系数(KV)查附图7。
流量系数(Co)关于按美国机械工程师协会ASME第Ⅷ部分第1分篇或国标GBl50—89设计的容器上安装的安全阀,Co=0.65,
其它(如管道上)安装的安全阀,Co=0.62。
运算泄放压力(P)时所用的超压,关于按ASME第Ⅷ部分第1分篇或国标GBl50—89设计的容器,超压为10%,其它(如管道上)安装的安全阀,超压为25%。
其余符号同前。
2.3.6两相流体
(1)气—液平稳态的两相流体,流经阀体时部分液体要产生闪蒸,闪蒸现象会降低阀门的质量流通能力。
泄放量的运算方法如下:
a.确定闪蒸量:
分别运算液相自泄放压力经绝热过程至临界压力下和至背压下的闪蒸量,取小者。
b.用闪蒸的气量和泄放时混合物中的气量之和,依照背压情形及安全阀的型式等,按照式(2.3—2)或(2.3—4)运算气相所需的最小泄放面积。
c.依照式(2.3—6)运算液相所需的最小泄放面积。
d.将b和c项的运算结果相加,即为所需的最小泄放面积。
(2)背压对安全阀的上述运算过程有专门大的作用,因此:
a.应认真运算泄放管道中两相流体的压力降,
b.管道压力降的产生,会使部分液体连续气化,
c.来自冷冻(如液化气的排放)的物料排放系统,在排放管道中有时会产生液滴和低温;
d.关于气相处于临界条件下泄放时,运算液相泄放量时背压取临界压力(Pcf)(见式2.3—1)。
3储存气体容器的安全阀
3.1无潮湿表面的容器在外部火灾情形下,容器将在短时刻内由于金属材料的软
化而发生破坏。
设置安全阀将不能独立爱护这类容器不受损坏,仅能在短时刻内(金属软化之前)起作用。
因此要采取其它的方法如外保温、水喷淋或自动/手动泄压系统(安装操纵阀)。
3.2无潮湿表面的容器在外部火灾情形下的泄放量
(3.2-1)
暴露面积(A1)为距地面或能形成大面积火焰的平台上方7.5m以下的容器外表面。
金属壁温(Tw):
关于碳钢为593℃(866K)
泄放温度(T)依照理想气体状态方程运算。
9.0.3最小泄放面积
(3.3-1)
泄放阀因子(
)按式(3.3-2)运算,
的最小值为0.01。
假如
没有足够的数据进行运算,那么
取0.045。
(3.3—2)
上式中流量系数(Co)由制造厂提供。
假设没有制造厂的数据时,Co取0.975。
气体特性系数(X)查附表1。
上述各式的其它符号同前。
4安全阀出口反力的运算和反力数据表
4.1安全阀出口反力的运算
物料泄放时,流体的流淌会对排放管道产生一作用力,并通过排出管道传至安全阀;进而以力矩的形式通过安全阀入口管道传至设备接管。
那个力和力矩是否对安全阀的进出口管道和设备的接管、法兰产生不良阻碍(如容器是否要补强等),需要进行详细的运算后确定。
作用力的大小与物料泄放至大气依旧泄放至密闭系统有专门大关系。
4.1.1
气相物料泄放至大气关于可压缩流体(气体或蒸汽)临界稳态流淌,且物料流经安全阀后经一段水平管、一个90o长半径弯头、一段垂直立管排入大气,如图4.1所示,作用力(f)按式(4.1—1)运算:
(4.1—1)
式中:
f——泄放反力,N,
Ao——泄放管出口截面积,mm2,
P2——泄放管出口静压力,MPa(表);
k——绝热指数。
其余符号意义同前。
4.1.2气相物料泄放至密闭系统泄放至密闭系统的稳态流淌,在排出管中一样可不能产生大的作用力和力矩,仅运算管径突然扩大位置的作用力。
假如需要运算泄放至密闭系统的作用力,那么应采纳复杂的非稳态分析方法,可从专门资料中查阅。
4.2液相物料的泄放反力液体泄放时在安全阀出口中心线处的水平反力(f)按式(4.2—2)运算:
(4.2—2)
式中:
f——泄放反力,N,
P——泄放压力,MPa;
a2——安全阀喉径面积,mm2。
4.3出口管道由于泄放时的作用力、振动和自身的自重、热胀冷缩等缘故,应设支架支撑。
附表1:
气体特性系数表
k
X
k
X
k
X
k
X
1.01
1.02
1.03
1.04
1.05
1.06
1.07
1.08
1.09
1.10
1.1l
1.12
1.13
1.14
1.15
1.16
1.17
1.18
1.19
1.20
1.2l
1.22
1.23
1.24
1.25
1.26
1.27
1.28
1.29
1.30
317
318
319
320
321
322
323
325
326
327
328
329
330
33l
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
1.31
1.32
1.33
1.34
1.35
1.36
1.37
1.38
1.39
1.40
1.41
1.42
1.43
1.44
1.45
1.46
1.47
1.48
1.49
1.50
1.51
1.52
1.53
1.54
1.55
1.56
1.57
1.58
1.59
1.60
348
349
350
351
352
353
353
354
355
356
357
358
359
360
360
361
362
363
364
365
365
366
367
368
369
369
370
371
372
373
1.61
1.62
1.63
1.64
1.65
1.66
1.67
1.68
1.69
1.70
1.71
1.72
1.73
1.74
1.75
1.76
1.77
1.78
1.79
1.80
1.8l
1.82
1.83
1.84
1.85
1.86
1.87
1.88
1.89
1.90
373
374
375
376
376
377
378
379
379
380
38l
382
382
383
384
384
385
386
386
387
388
389
389
390
39l
39l
392
393
393
394
1.9l
1.92
1.93
1.94
1.95
1.96
1.97
1.98
1.99
2.00
395
395
396
397
397
398
398
399
400
400
附表2:
部分物料的物性表
物料
分子量
比重
临界压力
MPa
临界温度
K
绝热指数
气相
液相
醋酸
丙酮
乙炔
空气
氨
氩
苯
1,3一丁二烯
丁烷
异丁烷
二氧化碳
二硫化碳
一氧化碳
氯
环己烷
癸烷
乙烷
乙醇
氯乙烷
乙烯
氟利昂11
氟利昂12
氟利昂22
氟利昂114
氦
己烷
氯化氢
氢
硫化氢
煤油
甲烷
甲醇
丁烷
氯甲烷
天然气
硝酸
一氧化氮
氮
二氧化氮
壬烷
辛烷
氧
戊烷
丙烷
丙烯
水蒸汽
苯乙烯
二氧化硫
硫酸
甲苯
60.05
-
26.04
28.97
17.03
39,94
78.1l
54.09
58.土2
58.12
44.01
76.13
28.00
70.90
84.16
142.28
30.07
46.07
64.52
28.05
137.37
120.92
86.48
170.93
4.00
86.17
36.50
2.016
34.07
-
16.04
32.04
72.15
50.49
19
-
30.00
28.00
44.00
128.25
114.22
32.00
72.15
44.09
42.08
18.02
104.14
64.06
-
92.土3
2.071
-
0.898
1
0.587
1.381
2.89
1.922
2.007
2.007
工.53
2.628
0.967
2.45
2.905
4.91
1.05
1.59
2.22
0.997
4.742
4.174
2.985
5.90
0.138
2.97
1.27
0.070
1.19
-
0.555
1.11
2.49
1.742
0.656
-
L036
0.967
1.519
4.43
3.94
1.10
2.49
1.55
1.476
0.622
3.60
2.26
-
3.18
1.049
0.791
-
-
0.817
1.65
0.879
0.621
0.579
0.557
1.101
1.263
0.814
1.56
0.779
0.734
0.546
0.789
0.903
0.566
1.494
1.486
1.419
1.538
-
0.659
-
0.0709
-
0.815
0.415
0.792
0.625
0,952
-
1.502
1.269
1.026
1.226
0.718
0.707
1.426
0.631
0.585
0.609
1.00
0.906
1.434
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-
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-
-
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-
-
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1.07
1.13
1.15
1.324
1.07
1.29
-
1.09
附
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
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