石油化工裝置安全閥的配管設計

陳漢玉

（中國石化集團洛陽石化工程公司配管室，河南 洛陽 471001）

一、前言

石油化工裝置是由機、泵、閥和不同的容器等設備，按這些設備各自的功能，由管道將它們有機地結合在一起。盡管這些設備按各自的標準進行過嚴格地檢驗驗收，但是，每年的泄漏、爆炸事故仍有發生。在石油化工生產過程中，由于閥門誤操作、循環水故障、電力故障、外部火災等原因，致使生產系統壓力超過容器和管道的設計壓力，而發生事故，故在石油化工裝置中幾乎全部的壓力設備和管道都需要設置安全閥,由于安全閥可以不依賴任何外部能源而動作，所以常常作為受壓設備的最后一道保護裝置。從這個意義上說，它的作用是不能用其他保護裝置來代替的。因而安全閥是保護設備、管道在不正常操作情況下免遭破壞的重要設施。

通常，在工程設計中人們一般只重視安全閥設定壓力與排量,而忽視安全閥的配管設計,其中包括不注意安全閥的出口朝向、與匯總管的交接,安全閥的安裝標高及火炬總管的坡度、坡向等。殊不知安全閥配管設計的正確與否對安全閥能否在設定的壓力與排量下工作影響極大,合理的安全閥管道設計是安全閥的正常運行的保證。因此,要使安全閥真正起到保護設備與管道的作用,一定要重視安全閥的配管設計。現根據工程實踐,就安全閥的配管設計提出應考慮的主要問題,供同行在設計中參考。

二、安全閥進口管道的設計

1.滿足安全閥開啟流速要求

安全閥按開啟高度分類有微啟式和全啟式及中啟式三種開啟方式

（1）微啟式安全閥

微啟式安全閥主要有開啟高度大于等于1/40流道直徑和開啟高度大于等于1/20流道直徑的兩種。微啟式安全閥的動作特性是比例作用式的。

（2）全啟式安全閥其開啟高度大于等于1/4流道直徑。此時，簾面積大于流道面積。這種安全閥的動作特性屬于兩段作用式。

（3）中啟式安全閥

開啟高度介于微啟式與全啟式之間。其動作特性通常相當于安全泄放閥。

對于液壓系統上用的安全閥，采用微啟式，而對大型石油化工工藝流程中用的安全閥，普遍采用全啟式，安全閥的配管，入口管道直徑不小于安全閥的入口直徑；要求壓力容器與泄壓閥之間的所有管道和管件通孔的面積應與安全閥入口的面積相同。在一般設計工程中入口隔離閥的最小流道面積選用等于或大于安全閥的入口面積。

2.保證安全閥運行平穩、可靠

影響安全閥可靠運行的主要原因如下。

（1）入口管道的阻力降太大，安全閥產生顫振，安全閥既要滿足正常的液流運行，又要防止容器和管道內的壓力超壓，起到保護作用。一般情況，安全閥設定的開啟壓力，為正常流程工作壓力的1.15倍，排放壓力為1.05～1.15倍的開啟壓力。回座壓力應≥0.8倍的開啟壓力。安全閥開始排放前，安全閥入口靜壓力即為容器內的靜壓力；當安全閥開始排放后，由于安全閥入口管道內動壓頭損失，安全閥入口靜壓力低于容器內的靜壓力；此時，若安全閥入口管道壓降過大，安全閥入口靜壓力低于安全閥回座壓力時，安全閥即刻關閉，一旦安全閥關閉，安全閥入口管道內無介質流動，則安全閥入口管道內的動壓頭損失為零；安全閥入口靜壓力回升到容器內靜壓力，當超過安全閥的定壓時，安全閥再次開啟；如此，安全閥反復啟閉，產生顫振。這種顫振會使安全閥密封泄漏，提前開啟或某些零件以及入口和出口管道出現過早的疲勞損壞。在國內外標準中均限制了入口管道的阻力降，且要求很嚴：國內標準GB/T12241-2005《安全閥一般要求》、HG/T20570.2-95《安全閥的設置和選用》規定：入口管道的阻力降不大于安全閥設定壓力（表壓）3%。因此在任何情況下，該壓力降都不得超過整定壓力的3%或最大允許啟閉壓差的1/3（以兩者中的較小值為準）。

結合 API標準，國內標準中的壓力降應理解為管道總阻力降，包括：管道摩擦阻力降、管道靜壓力降、管道速度阻力降。管道摩擦阻力降由兩部分組成：一部分是流體在管道內流動，由流體與管壁摩擦而引起的阻力降；另一部分是流體通過管件的變徑、變方向的部位和閥門時引起的阻力降。由于管道進出口標高不同而產生的壓力降稱為管道靜壓力降。由于管道或系統的進、出口端截面不等使流體流速變化所產生的壓差稱為速度壓力降。若安全閥入口管道的總壓力降超過安全閥整定壓力的3%，可增大入口管徑以降低壓力降。

（2）安全閥距離壓力波動源太近影響安全閥的正常運行

通常安全閥應安裝在受保護的設備或管道附近，這樣到泄壓裝置入口所產生的壓力損失會在允許的范圍之內。但是，如果壓力源處存在著壓力波動，且壓力的峰值接近于安全閥的整定壓力，這時安全閥應安裝在遠離此壓力源且壓力較穩定的地方。在行業標準HG/T20570.2-95《安全閥的設置和選用》對此有明確規定。

（3）管道應力對安全閥及其相連管道的破壞

核算在工作溫度范圍內管道是否需要補償；同時要核算與安全閥入口管道相連的工藝管道熱脹冷縮的長度變化。通常運用計算機來計算是否需要補償，常用的軟件為 CAESAR。

三、安全閥出口管道的設計

1.滿足安全閥流速要求

由于化工流程中輸送的介質大都為易燃、易爆、劇毒、強腐蝕性液體，為防止環境污染。安全閥開啟后排放的液體必須嚴格控制，在國內化工行業標準、國外ASME標準中也有相關要求。行業標準HG/T20570.2-95《安全閥的設置和選用》明確規定：安全閥出口管道直徑不小于安全閥的出口直徑；在ASME第 VIII卷也有要求：推薦出口隔離閥的最小流道面積應等于或大于泄放閥的出口面積。因此安全閥管道設計時，排放管的通道截面積應不小于安全閥出口截面積。當多臺安全閥向一個總管排放時，排放總管的截面積應保證能夠接受所有可能同時向其排放的安全閥的總排放量。

2.保證安全閥運行平穩、可靠

（1）背壓過大造成安全閥開啟壓力偏差，流量下降，不穩定性增加。背壓是指由排放系統中的壓力而在泄壓裝置出口處產生的壓力，分為附加背壓和排放背壓：附加背壓是指要求泄壓裝置操作時，泄壓裝置出口側的靜態壓力，是由排放系統中來自其他壓力源的壓力產生的，可能是固定的或可變的；排放背壓是指泄壓裝置開啟后，因介質流動而造成泄壓裝置出口側壓力的增加。從背壓定義可理解背壓傾向于減小閥門開啟的提升力，還會使安全閥產生顫振和頻跳。

在常規安全閥（非平衡彈簧承載式安全閥）使用中，附加背壓為恒值時，可降低彈簧載荷以補償附加背壓，這時，建議排放背壓不應超過允許的超壓，當允許的超壓為 10%時，排放背壓不能超過整定壓力的10%。在安全閥出口管道配置時，首先根據工藝流程圖所給管徑、安全閥的形式和整定壓力以及最終管道走向布置，核算背壓是否符合規范要求。一般總背壓不大于10%整定壓力時選用非平衡彈簧承載式安全閥；總背壓大于 10%整定壓力，小于50%整定壓力時選用平衡波紋式安全閥；當總背壓大于5%整定壓力時，可選用先導式安全閥。

（2）排放管道中靜載荷以及排放時反作用力產生的入口應力

不正確的安全閥排放管道設計會產生應力并傳遞給安全閥及其入口管道。可通過正確的安裝和支撐方式、合適的管道撓度設置來消除應力對系統的破壞。安全閥的排放系統分為開式和閉式兩種，計算其應力分析采用不同的方法。

3.滿足工藝要求

在三種情況下,除了對安全閥的進出口管道應予以伴熱外,安全閥出口管的朝向必須向下,以防止出口管中積液,導致安全閥出口背壓增加,使安全閥不能在設定的壓力下起跳,同時由于出口管積液,氣體的流通截面積減少,會影響安全閥的流通能力,進而引起水鎚沖擊破壞管路。這三種情況是:

（1）高寒地區排放含易冷凝的氣體;

（2）泄壓排放易凝結的重質燃料油等油品;

（3）泄壓的氣體中濕含量大,易造成出口管中水分在冬天冷凝結冰。

4.滿足國家相關標準規范

對于可燃、有毒氣體向大氣排放時，應滿足GB/T50160-20098《石油化工企業設計防火規范》以及其他國家環保衛生規定。

5.安全閥安裝標高與位置

在設備或管道上的安全閥一般應直立安裝，其安裝位置應盡量靠近被保護的設備或管道，但安全閥不應安裝在長達水平管道的死端，以免液體或固體集聚，因此,安全閥宜布置在靠近管廓或在管廓的頂部平臺上。對于高塔,一般布置在冷凝器的操作平臺邊緣位置上,此平臺一般均高于管廊上火炬氣匯總管的標高。安全閥一般應盡量集中布置在易于接近的平臺上,這樣既便于配管,也便于安全閥定期校驗定壓時的拆卸，安全閥有時起跳后復不到位而漏氣,需要整修。安全閥入口管道應布置成能自泄到被保護的設備或管道主管內。

排放水蒸汽的安全閥或干氣(如氮、氫合成氣)等的安全閥也可以直接向大氣排放,直接向大氣排放的安全閥出口管道應考慮以下各點：

（1）安全閥的排出口不能朝向臨近設備、平臺、梯子、電纜等。

（2）安全閥的出口管端部切成平口，以便使排出物直接向上高速排出，遠離平臺等有人通過之處，減少對周圍環境的影響。

（3）安全閥出口管端位置高于安全閥時，在出口管道的水平管段的底部應開Φ6～10mm的淚孔，以避免雨雪或冷凝液集聚在排出管內。

（4）排放口要高出以排放口為中心的7.5m半徑內的地面、設備、操作平臺2.5m以上，對于有毒、或有腐蝕性、或易燃物料，應按有關規范執行。當允許排向大氣時，排放口要高出已排放口為中心的15m半徑范圍內的地面設備、操作平臺3m以上。

（5）安全閥出口管道應妥善支撐，以防泄壓時過大彎矩造成管道應力值超過許用應力范圍，支撐方法應根據安全閥所在的設備或管道附屬構件的具體情況而定。當安全閥出口排入大氣時，在出口管中心線產生與流向相反的作用力，安全閥出口處應合理設置支架以承受反作用力。

6.安全閥出口介質密閉排放

（1）安全閥出口管朝向向下,意味著安全閥的安裝標高必須高于火炬氣匯集管的標高，能自泄到排放總管內。

（2）安全閥的排放管道應坡向主管，盡量避免袋型彎，無法避免時，在低點要設易接近的放凈閥，對于易凝汽體，在低點設蒸汽伴熱管，以免積液。

（3）排放管與主管的連接，應順介質流向45°角斜接到放空總管頂部，既可以防止總管內的凝液倒入支管，又可降低管路壓力降，DN≤40的管子可以90°垂直連接。

（4）安全閥出口管道應妥善支撐，以防泄壓時過大彎矩造成管道應力值超過許用應力范圍，支撐方法應根據安全閥所在的設備或管道附屬構件的具體情況而定。

（5）應防止出現任何可能導致排放管道阻塞的條件，必要時應設置排泄孔，以防止雨、雪、冷凝液等積聚在排放管中。安全閥的排放及疏液應導至安全地點，應特別注意危險介質的排放及疏液。

四.各裝置火炬氣支管與匯總管的連接

由上述可知,當不同裝置共用一個火炬時,原則上各裝置火炬氣支管的標高應高于火炬氣匯總管標高,這是由防止火炬氣管道形成袋形管及火炬氣向前進方向2‰的坡度要求所決定的。但實際上這一要求難以做到,因此,各裝置的火炬氣支管在進入匯總管前設置火炬氣分離罐以便分離掉火炬氣支管中的積液,不致使各裝置內管廊設置的標高太高,以節省投資。

當不同裝置共用一個公用火炬時,各裝置的孔板或流量計輸入10Nm3/h氮氣,以免易燃氣體相互流竄,有利于停車檢修裝置的安全。總之,安全閥配管的關鍵是避免出口管積液,火炬氣最上游末端應設氮氣吹掃管道,通過限流保持火炬氣管網的通暢。

結束語

安全閥為化工生產裝置安全生產保駕護航，職責重大，其進、出口管道的設計關系安全閥能否正常運行。安全閥進、出口管道設計應該是比較復雜的，本文從滿足安全閥流速要求，保證安全閥運行平穩、可靠等方面結合國內外相關標準對安全閥管道設計進行闡述，供設計同行以及化工生產企業參考。

[1]HG/T20570.2-1995安全閥的設置和選用[S].1996.

[2]王松漢等.石油化工設計手冊：第4卷 [M].北京：化學工業出版社，2002.