安全閥管路設(shè)計(jì)

謝安國(guó)

中國(guó)成達(dá)工程有限公司 成都 610041

安全閥管路設(shè)計(jì)

謝安國(guó)*

中國(guó)成達(dá)工程有限公司 成都 610041

論述安全閥在管路設(shè)計(jì)中的分類、選取、配管設(shè)計(jì)要求、配管方法、進(jìn)出管道管架設(shè)計(jì)、排放反力計(jì)算等各種要素，從而使安全閥及配管設(shè)計(jì)更優(yōu)化、安全、合理。

安全閥 配管 管路阻力 反推力

石油化工裝置安全生產(chǎn)的不確定因素較多，系統(tǒng)超壓，就是比較常見的一種。在石化裝置中，通過設(shè)置合理的安全閥系統(tǒng)，控制工藝裝置內(nèi)的工作壓力，避免設(shè)備或管道超壓，形成破壞，從而保護(hù)整個(gè)裝置總體安全。本文著重闡述通過多要素結(jié)合，選擇相對(duì)合理的方式，對(duì)安全閥的管路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以滿足工藝、環(huán)境、強(qiáng)度、安全等各維度要求。

1 安全閥分類

安全閥是一種自動(dòng)閥門，是安全泄壓裝置之一，在化工裝置中常見。它不借助任何外力，而是利用介質(zhì)本身的力來排出一定數(shù)量的流體，以防止系統(tǒng)內(nèi)壓力超過預(yù)定的安全值。當(dāng)壓力恢復(fù)正常后，閥門再自行關(guān)閉阻止介質(zhì)繼續(xù)流出。安全閥分類可以有以下五種：

1.1 按作用原理

(1)直接載荷式 ：一種直接用機(jī)械載荷如重錘、杠桿加重錘或彈簧來克服由閥瓣下介質(zhì)壓力所產(chǎn)生作用力的安全閥。超壓反應(yīng)要求迅速的工況優(yōu)先選用。

(2)非直接荷載式 ： ① 帶動(dòng)力輔助裝置安全閥，該閥借助一個(gè)動(dòng)力輔助裝置，可以在低于正常的開啟壓力下開啟; ② 帶補(bǔ)充載荷式安全閥，在其進(jìn)口處壓力達(dá)到開啟壓力前始終保持有一增強(qiáng)密封的附加力，該附加力可由外來的能源提供，而在安全閥達(dá)到開啟壓力時(shí)應(yīng)可靠地釋放。適用密封要求高的工況;③ 先導(dǎo)式安全閥，依靠從導(dǎo)閥排出介質(zhì)來驅(qū)動(dòng)或控制。該導(dǎo)閥本身應(yīng)符合直接載荷式安全閥標(biāo)準(zhǔn)要求。安全泄放量很大，或者口徑和壓力都很大，密封要求較高的工況優(yōu)先選用。

1.2 按安全閥閥瓣的開啟高度

(1)微啟式：閥瓣的開啟高度為流道通徑的1/40～1/20。由于開啟高度小,對(duì)這種閥的結(jié)構(gòu)和幾何形狀要求不象全啟式那樣嚴(yán)格,設(shè)計(jì)、制造、維修、試驗(yàn)都比較方便,但效率較低。

(2)全啟式：閥瓣的開啟高度大于等于1/4流道通徑。

1.3 按加載方式

(1) 彈簧式：利用壓縮彈簧的力來平衡閥瓣的壓力并使之密封。彈簧式安全閥靠調(diào)節(jié)彈簧的壓縮量來調(diào)整壓力。它的優(yōu)點(diǎn)在于比重錘式安全閥體積小、輕便，靈敏度高，安裝位置不受嚴(yán)格限制；缺點(diǎn)是作用在閥桿上的力隨彈簧變形而發(fā)生變化。移動(dòng)式或受振動(dòng)的受壓設(shè)備，應(yīng)優(yōu)先考慮選用。

(2) 杠桿式：用杠桿和重錘來平衡閥瓣的壓力。重錘式安全閥靠移動(dòng)重錘的位置或改變重錘的重量來調(diào)整壓力。它的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是比較笨重回座力低。這種結(jié)構(gòu)的安全閥只能用于固定的設(shè)備上。

(3)脈沖式安全閥：脈沖式安全閥由主閥和輔閥組成，主閥和輔閥連在一起，通過輔閥的脈沖作用帶動(dòng)主閥動(dòng)作。

1.4 按管道出口背壓平衡

(1) 背壓平衡安全閥：安全閥中設(shè)置波紋管、活塞、膜片之類平衡背壓作用的原件。附加背壓不是固定值，且其變化量較大的工況優(yōu)先選用。

(2) 常規(guī)安全閥：不帶有平衡背壓作用的原件，適用于背壓為大氣壓、背壓為固定值或者背壓相對(duì)于開啟變化量不大的場(chǎng)合。

1.5 按安全閥體的動(dòng)作特性

(1) 比例作用式安全閥：這類安全閥的開啟高度隨壓力的升高而逐漸變化，又稱泄放閥。液體介質(zhì)優(yōu)先選用。

(2) 兩段作用式安全閥：這類安全閥的開啟過程分為兩個(gè)階段，第一階段，閥瓣隨壓力的升高而比例開啟；第二階段，在第一階段的基礎(chǔ)上，壓力幾乎不變的情況下急速開啟到規(guī)定的高度，又稱突開動(dòng)作式安全閥。氣體介質(zhì)、安全泄放量較大的工況優(yōu)先選用。

2 安全閥的選型

(1)排放氣體或蒸汽時(shí)，選用全啟式安全閥。

(2)排放液體時(shí)，選用全啟式或微啟式安全閥。

(3)排放水蒸汽或空氣時(shí)，可選用帶扳手的安全閥。

(4)對(duì)于設(shè)定壓力大于3MPa，溫度超過235℃的氣體用安全閥，則選用帶散熱片的安全閥，以防止泄放介質(zhì)直接沖蝕彈簧。

(5)排放介質(zhì)允許泄漏到大氣的，選用開式閥帽安全閥；不允許泄漏的，選用閉式閥帽安全閥。

(6)排放劇毒、有腐蝕性、極度危害的介質(zhì)，選用波紋管式安全閥。

(7)高背壓的場(chǎng)合，選用背壓平衡式或?qū)чy控制式安全閥。

(8)在某些重要的場(chǎng)合，有時(shí)要安裝互為備用的兩個(gè)安全閥。

3 安全閥的安裝

(1) 在設(shè)備或管道上的安全閥應(yīng)垂直向上安裝(如果打算將安全閥安裝于非垂直向上的位置，則應(yīng)得到制造廠的同意，并注意使指示介質(zhì)流向的箭頭指向正確的方向。)。

(2) 安全閥不應(yīng)安裝在長(zhǎng)的水平管道的死端，因死端容易積聚固體物和液體，造成安全閥的入口堵塞，宜安裝在流體流態(tài)較穩(wěn)定的管段部位，同時(shí)該管道的最小截面積不小于安全閥進(jìn)口截面積。

(3) 安全閥一般應(yīng)安裝在易于檢修和調(diào)節(jié)之處，周圍要有足夠的工作空間，便于維護(hù)。

(4)安全閥盡可能靠近被保護(hù)設(shè)備或管道安裝。由于工藝的特殊要求，不能靠近布置時(shí)，則從被保護(hù)的設(shè)備或管道到安全閥入口的管道總壓降不應(yīng)超過安全閥定壓值的3%(或者提供管路圖，重新核定安全閥的整定壓力)。

(5)安全閥的進(jìn)口支管應(yīng)短而直，同時(shí)不應(yīng)設(shè)置在某一支管(或管口)的正對(duì)面，以免影響安全閥的正常開啟(壓力波動(dòng)或異物堵塞)。

4 安全閥配管的一般要求

(1) 安全閥入口和出口管道的配管應(yīng)具有必要的柔性，同時(shí)也需要盡量的暢通(以維持介質(zhì)排放時(shí)，所消耗的壓降在系統(tǒng)接受的范圍內(nèi))。

(2) 當(dāng)安全閥進(jìn)出口管道上設(shè)有切斷閥，并選用了閘閥時(shí)，應(yīng)鉛封(保持常開的狀態(tài))，閥桿應(yīng)水平安裝，不可朝上，以免閥桿和閥板連接的銷釘腐蝕或松動(dòng)時(shí)，滑板下滑。

(3) 安全閥入口和出口管道的配管不宜出現(xiàn)袋形管，尤其氣體安全閥的入口管不應(yīng)有下凹的袋形管。

(4)對(duì)安裝安全閥的管道應(yīng)給予足夠的支撐，以保證振動(dòng)不會(huì)傳遞到安全閥，也避免安全閥受外力影響，產(chǎn)生過大的應(yīng)力，而導(dǎo)致閥門變形和泄漏。

5 安全閥入口管道的設(shè)計(jì)

(1) 安全閥一般應(yīng)盡量靠近被保護(hù)的設(shè)備或管道安裝，入口配管盡量短，安全閥要垂直安裝，自被保護(hù)的設(shè)備接口管或管道到安全閥入口法蘭間按通過安全閥的最大流量計(jì)算的壓力損失(入口壓力損失、管道阻力和切斷閥阻力之和)不應(yīng)超過安全閥設(shè)定壓力(表壓)的3%，并由工藝系統(tǒng)專業(yè)復(fù)算該管道的管徑；若超過3%，可增大入口管徑或把管道和設(shè)備連接處做成大半徑的煨彎來減少壓力降。

(2) 管道上安裝的安全閥應(yīng)放在流體壓力比較穩(wěn)定、且距波動(dòng)源有一定距離的地方。

(3) 如果使用排放氣體或蒸汽用的全啟式安全閥，應(yīng)垂直安裝在氣相空間；如果使用排放液體用的微啟式安全閥，則垂直安裝在液相區(qū)。

(4) 一般采用1.5DN的標(biāo)準(zhǔn)彎頭進(jìn)行配管。

(5)安全閥入口管道至少要有5%的坡度，坡向被保護(hù)的系統(tǒng)(以避免入口排除不暢)。

(6)安全閥應(yīng)進(jìn)行排出口反推力計(jì)算。進(jìn)口出口管應(yīng)設(shè)可靠的管架固定，避免損壞被保護(hù)設(shè)備和管道，損毀其它構(gòu)筑物。

6 安全閥出口管道設(shè)計(jì)

安全閥出口管道的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮背壓對(duì)閥特性的影響，不得超過安全閥定壓的一定值，對(duì)于彈簧式安全閥，普通型背壓不超過安全閥定壓的10%，波紋管型其背壓一般不宜超過安全閥定壓的50%。

6.1 排入大氣的安全閥出口管道

(1) 直接排入大氣：如果是氣相介質(zhì)，一般出口朝上，并在低點(diǎn)處設(shè)置淚孔；如果是液相介質(zhì)(包括氣液兩相)，則要把出口管向下引入安全地點(diǎn)；安全閥的出口介質(zhì)允許向大氣排放時(shí)，放空管口不得朝向鄰近設(shè)備、平臺(tái)、梯子、電纜、有人通過的地區(qū)等；放空管口的高度應(yīng)高出以安全閥為中心，半徑為7.5m的范圍內(nèi)的最高操作平臺(tái)2.5m；而對(duì)有腐蝕性、易燃或有毒的介質(zhì)，排放口要高出15m半徑范圍內(nèi)的操作平臺(tái)、設(shè)備操作面3.5m以上。

(2)排放烴類氣體：安全閥出口管道應(yīng)設(shè)置滅火用的蒸汽管或氮?dú)夤埽⒃诘孛婊驑敲嫔峡刂疲亟M分氣體的安全閥出口管道接火炬管道。

(3)排放管排入大氣：排放管端部切成平口，使排出物直接向上高速排出，遠(yuǎn)離平臺(tái)等有人之處，減少對(duì)周圍環(huán)境的影響。這種方法應(yīng)用代替了管口切成45度斜口的方式，在彎頭的最低處開一個(gè)Ф6～Ф10mm淚孔，以免雨、雪或冷凝液積聚在排出管處，必要時(shí)接上小管道將凝液排放到安全的地方。

(4) 在設(shè)計(jì)中排入大氣的安全閥出口典型配管如下：

液相介質(zhì)安全閥出口管配管方式見圖1。

圖1 液相介質(zhì)安全閥配管

此類配管特點(diǎn)是管道出口向下。根據(jù)介質(zhì)特性，應(yīng)引入專門收集的收集池(如腐蝕)，或引入地溝等安全處(如熱水)，或可作就地排放(如常溫水)。

帶排液管的安全閥出口管(氣相介質(zhì))配管方式見圖2。

圖2 帶排液管的安全閥配管

此類配管出口直接向上，頂端平齊，出口阻力較小，尤其適用于排出介質(zhì)中帶有液相(或冷凝液)的介質(zhì)。出口管高度、排液管去向應(yīng)滿足GB 50160的要求。

直接水平式安全閥出口管配管見圖3。

圖3 直接水平式安全閥配管

此類配管簡(jiǎn)單，管路阻力小。但泄壓的反推力直接作用在安全閥上，對(duì)進(jìn)口管的支管根部產(chǎn)生較大的彎矩容易產(chǎn)生焊縫破壞和法蘭面泄漏。只適用于泄放壓力低、常溫、泄放量不大、對(duì)放空高度無要求的管道。應(yīng)注意的泄放方向避開操作空間。

帶淚孔垂直直排式安全閥出口管配管見圖4。

圖4 帶淚孔垂直直排式安全閥配管

配管出口直接向上，頂端平齊，管路阻力較小。多數(shù)用于氣相管道排放，淚孔的目的是排放從出口管進(jìn)來的雨水等。

三通式安全閥出口管配管見圖5。

圖5 三通式安全閥配管

此類配管出口反力互相抵消，可減小對(duì)結(jié)構(gòu)的附加荷載，又可防止雨雪、沙塵進(jìn)入管道。需考慮變向增加管道阻力和兩個(gè)出口對(duì)操作面安全的影響。

變向水平式安全閥出口管配管見圖6。

圖6 變向水平式安全閥配管

此類配管與垂直直排式相比，雖管系阻力增大，但整體柔性相應(yīng)改善，能有效吸收作用在管道上的反推力，能防水、防塵。廣泛應(yīng)用于泄放壓力低，泄放量較小的管道。

套筒式安全閥出口管配管見圖7。

圖7 套筒式安全閥配管

套筒式配管適用于高溫、高壓，尤其是蒸汽安全閥出口。由于安全閥周圍環(huán)境的限制，需要把釋放氣體引出到室外、戶外、屋頂?shù)劝踩胤健１苊庖驓怏w閃蒸造成不安全因素，而采用此類配管，需注意：① 套筒需單獨(dú)支撐，不能作用在出口管上；② 套筒與出口管，以及受液盤之間有足夠的空間，釋放熱漲；③ 套筒的尺寸要大于出口管；④ 套筒的材料可以靈活選擇，以節(jié)約成本。

6.2 排入封閉系統(tǒng)的安全閥管道設(shè)計(jì)

(1)安全閥出口管排入封閉系統(tǒng)總管時(shí)，應(yīng)坡向泄壓總管及分離罐。出口管與主管應(yīng)順主管流向方向，從主管上方或側(cè)面45°插入，以免總管內(nèi)的凝液倒流入支管中，并可減少安全閥的背壓。

(2)對(duì)可能有液化烴類排入的泄壓管道，因介質(zhì)汽化而導(dǎo)致低溫的管道，應(yīng)考慮采用低溫鋼，并保溫和伴熱。

(3)對(duì)于有可能用蒸汽吹掃的泄壓管道，應(yīng)考慮到蒸汽吹掃產(chǎn)生的熱膨脹。

(4)濕氣體泄壓系統(tǒng)排放管內(nèi)不應(yīng)有袋形積液處，安全閥的安裝高度應(yīng)高于泄壓系統(tǒng)，若受實(shí)際情況限制，安全閥出口只能低于泄壓總管或排除管需要抬高接入總管時(shí)，應(yīng)在低處易于接近處設(shè)置手動(dòng)放液閥，以免袋形管段積液。在寒冷地區(qū)，“袋形”管段需要蒸汽伴熱防凍，蒸汽伴熱管也可使“袋形”管內(nèi)的凝液汽化，避免積液。即使采用伴熱管，必須加手動(dòng)放液閥，如果手動(dòng)放液閥不易接近，可設(shè)雙閥。排液管的下方容易接近處再設(shè)置一個(gè)操作閥，此閥保持常開狀態(tài)。密封回收排放方式見圖8。

圖8 密封回收排放安全閥配管

7 安全閥管道的支架設(shè)置

為了保證安全閥在開啟和閉合的狀態(tài)下都能正常的運(yùn)行，安全閥的進(jìn)出管的管架設(shè)置需謹(jǐn)慎。

(1)出口管的管架主要需考慮泄放狀態(tài)下的反推力和在溫度變化下的管道柔性。

(2)出口管的管架同時(shí)為了保證安全閥本身不受太大的外部載荷(以免安全閥法蘭面泄漏)，在安全閥的進(jìn)出口管系中，除了在管系的設(shè)計(jì)時(shí)考慮自然補(bǔ)償外，還需考慮在靠近安全閥的位置設(shè)置限位架或?qū)蚣堋?/p>

8 結(jié)語

在設(shè)計(jì)過程中，充分掌握安全閥的工作原理，了解正常工況下的工藝條件、要求，考慮安全閥周邊的空間條件，分析當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件對(duì)安全閥的潛在影響，再設(shè)置一定的二次保護(hù)措施。根據(jù)實(shí)際情況，選擇安全閥及配管，從而獲得安全閥管路的優(yōu)化設(shè)計(jì)。為了運(yùn)行的安全性，用戶應(yīng)定期對(duì)安全閥和管路進(jìn)行校驗(yàn)和檢查，以防止銹蝕、灰塵等長(zhǎng)期積聚，形成通道變窄，甚至堵塞。

1 GB 50316-2000(2008)，工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

2 GB 50160-2008,石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S].

3 化工工業(yè)部化工工藝配管設(shè)計(jì)技術(shù)中心站.化工管路手冊(cè)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1988.

4 GB/T 12241-2005,安全閥 一般要求[S].

5 HG/T 20570.2-1995,安全閥的設(shè)置和選用[S].

6 TSG ZF001-2006,安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].

*謝安國(guó)：高級(jí)工程師。1998年畢業(yè)于南京工業(yè)大學(xué)化工機(jī)械專業(yè)。從事石油化工裝置的管道布置設(shè)計(jì)、專業(yè)管理及項(xiàng)目管理工作。 聯(lián)系電話：(028)65531857，E-mail:xieanguo@chengda.com。

2017-03-02)