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石油化工安全閥泄壓裝置設(shè)計選型分析

本文介紹了石油化工裝置的分類，選用的原則，安全閥的安裝及進出口的配管設(shè)計要求。在石油化工生產(chǎn)過程中，為防止由于火災(zāi)、操作故障、停水停電等原因可能造成設(shè)備及管道系統(tǒng)內(nèi)壓力超過設(shè)計壓力而發(fā)生事故，應(yīng)設(shè)置防止超壓用的安全泄放裝置。在非火災(zāi)或火災(zāi)事故情況下，安全泄放裝置籍進口靜壓力作用開啟，泄放流體，以防止系統(tǒng)內(nèi)壓力超過預(yù)定的安全值。安全泄放裝置包括安全閥及爆破片裝置，由于爆破片是一次性產(chǎn)品，而安全閥可重復(fù)使用，因此，在石油化工生產(chǎn)裝置上更廣泛使用安全閥。本文由并終身為使用單位提供相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)支持。安全閥是由彈簧作用或由導(dǎo)閥控制的閥門，當(dāng)入口處靜壓超過設(shè)定壓力時，閥瓣上升，泄放流體，以防止系統(tǒng)內(nèi)壓力超過預(yù)定的安全值，當(dāng)壓力降至回座壓力時，可自動關(guān)閉阻止介質(zhì)繼續(xù)流出。

石油化工安全閥泄壓裝置設(shè)計選型分析的選用原則:

1.蒸汽鍋爐安全閥，一般選用敞開全啟式彈簧安全閥；

2.液體介質(zhì)用安全閥，一般選用微啟式彈簧安全閥；

3.空氣或其他氣體介質(zhì)用安全閥，一般選用封閉全啟式彈簧安全閥；

4.液化石油氣汽車槽車或液化石油氣鐵路罐車用安全閥，一般選用全啟式內(nèi)裝安全閥；

5.采油井出口用安全閥，一般選用先導(dǎo)式安全閥；

6.蒸汽發(fā)電設(shè)備的高壓旁路安全閥，一般選用具有安全和控制雙重功能的先導(dǎo)式安全閥

7.若要求對安全閥做定期開啟試驗時，應(yīng)選用帶提升扳手的安全閥。當(dāng)介質(zhì)壓力達到開啟壓力的75%以上時，可利用提升扳手將閥瓣從閥座上略為提起，以檢查安全閥開啟的靈活性；

8.若介質(zhì)溫度較高時，為了降低彈簧腔室的溫度，一般當(dāng)封閉式安全閥使用溫度超過300℃及敞開式安全閥使用溫度超過350℃時，應(yīng)選用帶散熱器的安全閥；

9.若安全閥出口背壓是變動的，其變化量超過開啟壓力的10%時，應(yīng)選用波紋管安全閥；

10.若介質(zhì)具有腐蝕性時，應(yīng)選用波紋管安全閥，防止重要零件因受介質(zhì)腐蝕而失效。

安全閥的安裝和維護應(yīng)注意以下事項：

1、各種安全閥都應(yīng)垂直安裝。

2、安全閥出口處應(yīng)無阻力，避免產(chǎn)生受壓現(xiàn)象。

3、安全閥在安裝前應(yīng)專門測試，并檢查其官密封性。

4、對使用中的安全閥應(yīng)作定期檢查。

石油化工安全閥泄壓裝置設(shè)計選型分析安全閥的分類

安全閥因其用途的不同，結(jié)構(gòu)種類也較多，但大致按一下方法進行分類

（1） 按使用介質(zhì)分：

蒸汽用安全閥（通常以A48Y型為代表）

空氣及其他氣體用安全閥（通常以A42Y型為代表）

液體用安全閥（通常以A41H型為代表）

（2） 按公稱壓力分：

低壓安全閥：公稱壓力PN≤1.6Mpa的安全閥

中壓安全閥：公稱壓力PN2.5－6.4Mpa的安全閥

高壓安全閥：公稱壓力PN10.0－80.0Mpa的安全閥

超高壓安全閥：公稱壓力PN>100Mpa的安全閥

（3） 按適用溫度分：

超低溫安全閥：t≤－100℃的安全閥

低溫安全閥：－100℃－40℃的安全閥。

常溫安全閥：－40℃t≤120℃的安全閥

中溫安全閥：120℃t≤450℃的安全閥

高溫安全閥：t450℃的安全閥

特別要指出的是，鑒于國內(nèi)彈簧制造的實際情況，當(dāng)安全閥用于350℃以上工況條件時，大都采用加散熱器或?qū)㈤y蓋做成花籃式，以便彈簧能更好的散熱，使彈簧始終保持能在350℃以下工作，確保其剛度不變，從而保證安全閥的正確開啟和回座及其他性能要求。

（4） 按連接方式分：

法蘭接連安全閥。安全閥進口和管道連接法蘭形式，出口形式靈活。

螺紋接連安全閥。安全閥進口和管道連接螺紋，出口形式靈活。

焊接接連安全閥。安全閥進口和管道連接螺紋，出口形式靈活。

（5） 按結(jié)構(gòu)形式分

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點或閥瓣最大開啟高度與閥座直徑之比（h/d），安全一般可以劃分為以下幾種：

杠桿重錘式安全閥。

彈簧式安全閥。利用壓縮彈簧的力來平衡閥瓣的壓力，并使其密封的安全閥。參見如A42Y16C型安全閥。

脈沖式安全閥。脈沖式安全閥又稱為先導(dǎo)式安全閥。它把主閥和輔閥設(shè)計在一起，通過輔閥的脈沖作用帶動主閥動作。這種結(jié)構(gòu)通常用于大口徑、大排量及高壓系統(tǒng)。脈沖式安全閥如WFXD型。

微啟式安全閥。閥瓣的開啟高度為閥座通徑的1/40∽1/20，如A27W-10T、A47H－16C安全閥。

全啟式安全閥。如A47H－16C型安全閥。閥瓣的開啟高度為閥座通徑的1/4。

全封閉安全閥。如A47H－16C型安全閥。

半閉式安全閥。如A48Y-16C安全閥。

敞開式安全閥。（A48Y-16C安全閥亦為敞開式）

先導(dǎo)式安全閥。如WFXD型安全閥。

（6） 按密封副的分類

硬質(zhì)合金對硬質(zhì)合金密封副。適用于高溫高壓的場合，尤其是高溫高壓的過熱蒸汽。

2Cr13對2Cr13r密封副。使用于一般場合下的飽和蒸汽和過熱蒸汽，或溫度低于450℃其他介質(zhì)的容器或管道上。

閥座密封面為2Cr13，閥瓣密封面為硬質(zhì)合金。使用于高壓蒸汽及流速比較大、易對密封面造成沖刷的其它介質(zhì)。

閥座密封面為合金鋼，閥瓣密封面為聚四氟乙烯。適用于石油或天然氣介質(zhì)，密封要求嚴格，但工作溫度低于150℃的場合。

密封副為奧氏體不銹鋼。這種安全閥的閥體，閥蓋多為奧氏體不銹鋼，應(yīng)用于介質(zhì)中含有酸、堿等腐蝕性成分的場合。

（7） 按作用原理分類

直接作用式安全閥。直接依靠介質(zhì)壓力產(chǎn)生的作用力來克服作用在閥瓣上的機械載荷使閥門開啟的安全閥。

先導(dǎo)式安全閥。由主閥和導(dǎo)閥組成，主要依靠從導(dǎo)閥排出的介質(zhì)來驅(qū)動或控制的安全閥。

帶補充載荷式安全法。在進口壓力達到開啟壓力前始終保持有一增強密封的附加力，該附加力在達到閥門開啟壓力時可靠釋放的安全閥。

（8） 按動作特性分類

比例作用式安全閥。開啟壓力隨壓力升高而逐漸變化的安全閥。

兩段式安全閥。（突跳動作式安全閥）。開啟過程分為兩個階段，起初閥瓣隨壓力升高而比例開啟，在壓力升高一個不大的數(shù)值后，閥瓣在壓力幾乎不再升高的情況下急速開啟到規(guī)定的高度的安全閥。

（9） 安開啟高度分類

微啟式安全法。開啟高度在1/40－1/20流到直徑范圍內(nèi)的安全閥。

全啟式安全閥。開啟高度不小于1/4流到直徑的安全閥。

中啟式安全閥。開啟高度介于微啟式和全啟式之間的安全閥。

（10） 有無背壓平衡機構(gòu)分類

背壓平衡式安全閥。利用波紋管、活塞或膜片等平衡背壓作用的原件，使閥門開高前背壓對閥瓣上下兩側(cè)的作用相互平衡的安全閥。

常規(guī)式安全法。不帶背壓平衡原件的安全閥。

（11） 按閥瓣加載方式分類

重錘式或杠桿重錘式安全閥。利用重錘直接加載或利用重錘通過杠桿加載的安全閥。

彈簧式安全閥。利用壓縮彈簧加載的安全閥。

氣室式安全閥。利用壓縮空氣加載的安全閥。

一、石油化工安全閥泄壓裝置設(shè)計選型分析的分類

1.按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《安全閥 一般要求》GB/T12241-2005分類

1.1直接載荷式

一種僅靠直接的機械加載裝置如重錘、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。

1.2帶動力輔助裝置式

借助一個動力輔助裝置，這種安全閥可以在壓力低于正常整定壓力時開啟。

1.3帶補充載荷式

該安全閥在其進口壓力達到整定壓力前始終保持有一個用于增強密封的附加力，該附加力（補充載荷）可由外部能源提供，而在安全閥進口壓力達到整定壓力時應(yīng)可靠地釋放。

1.4先導(dǎo)式

一種依靠從導(dǎo)閥排出介質(zhì)來驅(qū)動或控制的安全閥，該導(dǎo)閥本身應(yīng)符合直接載荷式安全閥標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.按閥瓣開啟高度分類

2.1全啟式，h≥1/4d0

2.2微啟式，1/4d0>h≥1/40d0

h為開啟高度，d0為噴嘴面積。

3.按結(jié)構(gòu)分類

3.1封閉彈簧式和不封閉彈簧式

封閉彈簧式是指安全閥彈簧罩是封閉的，彈簧不與大氣接觸，不封閉彈簧式則反之。

3.2帶扳手和不帶扳手

扳手的作用主要是檢查閥瓣的靈活程度，有時也可用作緊急泄壓用。

3.3帶散熱片和不帶散熱片

介質(zhì)溫度較高的場合，為降低彈簧腔室溫度，可采用帶散熱片式。一般當(dāng)排放介質(zhì)溫度超過300℃時，宜選用帶散熱片式安全閥。

3.4有波紋管和沒有波紋管

一般安全閥都沒有波紋管。有波紋管結(jié)構(gòu)的安全閥稱為平衡型安全閥，適用于介質(zhì)腐蝕性較嚴重或背壓波動較大的情況。

二、石油化工安全閥泄壓裝置設(shè)計選型分析的設(shè)置

在不正常情況下，可能超壓的以下設(shè)備和管道系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置安全閥：

1.頂部最高操作壓力大于或等于0.1MPa的壓力容器應(yīng)設(shè)安全閥。

2.頂部最高操作壓力大于0.03MPa的蒸餾塔、蒸發(fā)塔和汽提塔（汽提塔頂蒸汽通入另一蒸餾塔者除外），應(yīng)設(shè)安全閥。

3.在往復(fù)式壓縮機各段出口或電動往復(fù)泵、齒輪泵或螺桿泵等容積泵的出口管道上（如設(shè)備本身已有安全閥者除外），應(yīng)設(shè)安全閥。

4.凡與鼓風(fēng)機、離心式壓縮機、離心泵或蒸汽往復(fù)泵出口連接的設(shè)備不能承受其最高壓力時，上述機泵的出口管道需設(shè)安全閥。

5.可燃氣體或液體受熱膨脹，可能超出設(shè)計壓力的設(shè)備或管道應(yīng)設(shè)安全閥。

6.頂部最高操作壓力為0.03～0.1MPa 的設(shè)備應(yīng)根據(jù)工藝要求設(shè)置安全閥。

三、石油化工安全閥泄壓裝置設(shè)計選型分析的選用

安全閥的選用應(yīng)根據(jù)壓力容器及管道系統(tǒng)的操作條件、介質(zhì)特性、載荷特點、安全泄放量、背壓力以及密閉性等因素綜合考慮。

1.安全閥適用于清潔、無顆粒和低粘度的流體。

2.在石油化工生產(chǎn)裝置中，一般只選用彈簧式或先導(dǎo)式安全閥。

3.一般可燃、易爆或有毒介質(zhì)應(yīng)選用封閉彈簧式安全閥，并將泄放介質(zhì)引至安全地點；蒸汽或壓縮空氣等可選用不封閉彈簧式安全閥。

4.排放不可壓縮流體（如水和油等液體）時，宜選用微啟式安全閥，也可選用全啟式安全閥；排放可壓縮流體（如蒸汽和其他氣體）時，應(yīng)選用全啟式安全閥。

5.當(dāng)介質(zhì)具有腐蝕性、易結(jié)垢、易結(jié)焦，會影響安全閥彈簧的正常工作時，可選用平衡波紋管式安全閥。[1]但平衡波紋管式安全閥不適用于酚、蠟液、重石油餾分、含焦粉等介質(zhì)上以及往復(fù)壓縮機場所，因為在這些情況下，波紋管有可能被污染或被損壞。

6.排放水蒸汽或空氣時，可選用帶扳手的安全閥。當(dāng)介質(zhì)壓力達到壓力的75%以上時，能利用扳手將閥瓣提升。

7.考慮背壓力時，對于彈簧式安全閥，背壓不超過整定壓力的10%時，選用普通型彈簧安全閥；背壓大于整定壓力的10%而小于30%時，選用平衡波紋管式安全閥；背壓大于整定壓力的30%而小于60%時，選用先導(dǎo)式安全閥。

8.對于要求安全閥的密封性能特別好的場合，可選用先導(dǎo)式安全閥。另外，大口徑、大排量及高壓系統(tǒng)可選用先導(dǎo)式安全閥。

四、石油化工安全閥泄壓裝置設(shè)計選型分析的安裝及配管要求

1.安裝要求

1.1安全閥應(yīng)直立安裝，并盡量靠近被保護的設(shè)備或管道。如不能靠近布置，則從被保護的設(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%。

1.2安全閥應(yīng)安裝在壓力比較穩(wěn)定，且應(yīng)距振動源有一定距離的地方。這是因為安全閥設(shè)置位置應(yīng)盡量減小壓力波動的影響，安全閥跟振動源之間的距離可以參考API520以及HG/T50549.5的相關(guān)規(guī)定。

1.3安全閥宜安裝在流體流態(tài)較穩(wěn)定的管段部位，不應(yīng)安裝在較長的水平管道的死端，以免積聚固體物或液體。

 1.4安全閥應(yīng)安裝在易于檢修和調(diào)節(jié)處，宜設(shè)置檢修平臺，周圍要有足夠的操作空間。布置重量大的安全閥時要考慮安全閥拆卸后吊裝的可能，必要時應(yīng)設(shè)吊桿。

2.配管一般要求

2.1安全閥的入口和出口配管不宜出現(xiàn)袋形，尤其氣體安全閥入口管不應(yīng)有下凹的袋形。

2.2當(dāng)安全閥入口和出口管道上設(shè)有切斷閥時，應(yīng)鉛封開或鎖開；當(dāng)切斷閥為閘閥時，閥桿應(yīng)水平安裝。當(dāng)安全閥設(shè)有旁路閥時，該閥應(yīng)鉛封關(guān)或鎖關(guān)。

2.3當(dāng)幾個安全閥并聯(lián)操作時，入口和出口總管的截面積不應(yīng)小于各支管截面積之和。

3.石油化工安全閥泄壓裝置設(shè)計選型分析安全閥入口配管

3.1安全閥入口配管應(yīng)盡量短，并盡量靠近被保護的設(shè)備或管道。如因條件有限，安裝位置較遠時，自被保護的設(shè)備或管道到安全閥入口法蘭間最大壓力損失不超過安全閥定壓值的3%，該壓力損失按通過安全閥的最大流量計算得出，包括入口壓力損失、管道阻力和切斷閥阻力之和[2]。如壓力損失超過安全閥定壓值的3%，可適當(dāng)加大安全閥入口管徑來減少入口阻力降。

3.2安全閥入口管道應(yīng)采用長半徑彎頭。

3.3安全閥入口管道的管徑必須大于或等于安全閥入口口徑，其連接大小頭盡量設(shè)在靠近安全閥的入口處。

3.4保護全充滿液體的設(shè)備所用的安全閥，要安裝在設(shè)備的頂部或頂部出口管道上。

3.5安全閥入口管道應(yīng)盡量避免袋形，如不能避免，則對于易凝介質(zhì)，在袋形彎低點有連續(xù)流動的排液管接至同一壓力系統(tǒng)，若凝液易結(jié)晶或凝固，則此排液管要伴熱；對于不凝介質(zhì)，在袋形彎的低點設(shè)置易于接近的放凈閥。

3.6安全閥排放時震動較大，在安全閥入口管與主管連接處必要時可采取拉筋加強，見圖1。

4.石油化工安全閥泄壓裝置設(shè)計選型分析安全閥出口配管

4.1安全閥出口管道應(yīng)盡量短，出口管道的設(shè)計應(yīng)考慮背壓不超過安全閥定壓的一定值。安全閥的背壓為閥開啟前閥出口處存在的壓力與閥開啟后介質(zhì)流動所產(chǎn)生的流動阻力之和。各形式安全閥背壓要求見前文三.（7）條，具體數(shù)值可查閱制造廠家資料，由工藝計算決定。

4.2安全閥出口管道的管徑必須大于或等于安全閥出口口徑，其連接大小頭盡量設(shè)在靠近安全閥的出口處。

4.3允許向大氣排放時安全閥出口管道配管應(yīng)注意以下幾點：

4.3.1安全閥出口介質(zhì)允許向大氣排放時，排放管口不得朝向鄰近設(shè)備、平臺或有人通過的地方。

4.3.2可燃氣體、操作壓力大于4.0MPa蒸汽管道的排放管口的高度應(yīng)高出以安全閥為中心，半徑為8m的范圍內(nèi)的操作平臺或建筑物頂3m以上。

4.3.3操作壓力為0.6～4.0MPa蒸汽管道的排放管口的高度宜高出以安全閥為中心，半徑為4m范圍內(nèi)的操作平臺或建筑物頂3m以上。

4.3.4操作壓力小于0.6MPa蒸汽及其他非可燃介質(zhì)管道排放管口的高度宜高出鄰近操作平臺或建筑物頂2.2m以上。

4.3.5工業(yè)用水管道上安全閥的放空管口宜就地朝下排放。

f.直接向上排至大氣的安全閥出口管道，應(yīng)在該管下端彎頭附近開一個φ6～φ10mm的排液孔；對于蒸汽管道上的排液孔應(yīng)接上小管道引至安全位置。

4.3.6安全閥出口管道的布置，應(yīng)考慮由于泄壓排放引起的反作用力，并合理設(shè)置支架，必要時支架所在的平臺需要考慮加固。

4.4排入密閉系統(tǒng)時安全閥出口管道配管應(yīng)注意以下幾點：

4.4.1石油化工裝置大多數(shù)安全閥出口管都是接至火炬總管，應(yīng)避免袋形，公稱直徑等于或大于50mm的安全閥出口管道排入密閉系統(tǒng)時，應(yīng)順介質(zhì)流向45o斜接在排放總管的頂部，以免總管內(nèi)的凝液倒流入支管，并可減少安全閥背壓。

4.4.2對于有可能用蒸汽吹掃的泄放管道，應(yīng)考慮蒸汽吹掃產(chǎn)生的熱膨脹，在管道適當(dāng)位置采取自然補償。

4.4.3當(dāng)排入放空總管或去火炬總管的介質(zhì)帶有凝液或可冷凝氣體時，安全閥的出口應(yīng)高于總管。若受條件限制，安全閥出口只能低于火炬總管或出口管需要抬高接入總管時，應(yīng)在低點易于接近處設(shè)置排液閥，以免袋形管段積液。在寒冷地區(qū)，袋形管段可以采取蒸汽伴熱防凍，蒸汽伴熱可以使袋形管內(nèi)的凝液汽化，避免積液。如果是易燃易爆或有毒介質(zhì)凝液，排液閥后管線應(yīng)接至安全處。圖2是某PX裝置吸附分離火炬氣低點排液示意圖，因為含芳烴，低點排液加了分液包采取密閉排放。

4.5 對于有些塔徑較大，塔頂安全閥有多路的，安全閥出口各支路匯集處宜順介質(zhì)流向45°斜接到主管，如圖3。

4.6 對于有些塔徑較小，塔高較高，塔頂安全閥有多路的，可以將幾個安全閥分層放置在塔頂平臺以下的幾層平臺上，這樣也便于安全閥檢修吊裝。

4.7對于有些塔徑較小，塔高不是很高，安全閥出口閥門可以放在頂平臺下一層布置，便于操作，見圖4。

五、石油化工安全閥泄壓裝置設(shè)計選型分析結(jié)語

安全閥是石油化工裝置常用的安全泄壓裝置，關(guān)系到裝置的安全運行，因此要重視安全閥的選型、安裝設(shè)計，避免設(shè)計不當(dāng)造成安全事故。本文結(jié)合安全閥的分類、設(shè)置、安裝要求、配管設(shè)計、安裝實例等方面，供設(shè)計同行參考交流。