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石油化工安全閥泄壓裝置設(shè)計(jì)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(jìn)出口的配管設(shè)計(jì)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(jì)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(jìn)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(shí)，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(shí)，可自動(dòng)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(jì)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(duì)安全閥做定期開啟試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)選用帶提升扳手的安全閥。當(dāng)介質(zhì)壓力達(dá)到開啟壓力的75%以上時(shí)，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(shí)，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(shí)，應(yīng)選用帶散熱器的安全閥；

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

10.若介質(zhì)具有腐蝕性時(shí)，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(hù)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

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(cè)試，并檢查其官密封性。

4、對(duì)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(jì)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(jìn)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(shí)際情況，當(dāng)安全閥用于350℃以上工況條件時(shí)，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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(jì)在一起，通過輔閥的脈沖作用帶動(dòng)主閥動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)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(yán)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(jī)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(dòng)或控制的安全閥。

帶補(bǔ)充載荷式安全法。在進(jìn)口壓力達(dá)到開啟壓力前始終保持有一增強(qiáng)密封的附加力，該附加力在達(dá)到閥門開啟壓力時(shí)可靠釋放的安全閥。

（8） 按動(dòng)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(dòng)作式安全閥）。開啟過程分為兩個(gè)階段，起初閥瓣隨壓力升高而比例開啟，在壓力升高一個(gè)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(jī)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(duì)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(jì)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(jī)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(dòng)力輔助裝置式

借助一個(gè)動(dòng)力輔助裝置，這種安全閥可以在壓力低于正常整定壓力時(shí)開啟。

1.3帶補(bǔ)充載荷式

該安全閥在其進(jìn)口壓力達(dá)到整定壓力前始終保持有一個(gè)用于增強(qiáng)密封的附加力，該附加力（補(bǔ)充載荷）可由外部能源提供，而在安全閥進(jìn)口壓力達(dá)到整定壓力時(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)，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(yán)重或背壓波動(dòng)較大的情況。

二、石油化工安全閥泄壓裝置設(shè)計(jì)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(jī)各段出口或電動(dòng)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(jī)、離心式壓縮機(jī)、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(shí)，上述機(jī)泵的出口管道需設(shè)安全閥。

5.可燃?xì)怏w或液體受熱膨脹，可能超出設(shè)計(jì)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(jì)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(diǎn)、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(diǎn)；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(shí)，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(shí)，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(huì)影響安全閥彈簧的正常工作時(shí)，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(jī)場所，因?yàn)樵谶@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(shí)，可選用帶扳手的安全閥。當(dāng)介質(zhì)壓力達(dá)到壓力的75%以上時(shí)，能利用扳手將閥瓣提升。

7.考慮背壓力時(shí)，對(duì)于彈簧式安全閥，背壓不超過整定壓力的10%時(shí)，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(shí)，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(shí)，選用先導(dǎo)式安全閥。

8.對(duì)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(jì)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(hù)的設(shè)備或管道。如不能靠近布置，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%。

1.2安全閥應(yīng)安裝在壓力比較穩(wěn)定，且應(yīng)距振動(dòng)源有一定距離的地方。這是因?yàn)榘踩y設(shè)置位置應(yīng)盡量減小壓力波動(dòng)的影響，安全閥跟振動(dòng)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(tái)，周圍要有足夠的操作空間。布置重量大的安全閥時(shí)要考慮安全閥拆卸后吊裝的可能，必要時(shí)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(shí)，應(yīng)鉛封開或鎖開；當(dāng)切斷閥為閘閥時(shí)，閥桿應(yīng)水平安裝。當(dāng)安全閥設(shè)有旁路閥時(shí)，該閥應(yīng)鉛封關(guān)或鎖關(guān)。

2.3當(dāng)幾個(gè)安全閥并聯(lián)操作時(shí)，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(jì)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(hù)的設(shè)備或管道。如因條件有限，安裝位置較遠(yuǎn)時(shí)，自被保護(hù)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(jì)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(hù)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(duì)于易凝介質(zhì)，在袋形彎低點(diǎn)有連續(xù)流動(dòng)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(duì)于不凝介質(zhì)，在袋形彎的低點(diǎn)設(shè)置易于接近的放凈閥。

3.6安全閥排放時(shí)震動(dòng)較大，在安全閥入口管與主管連接處必要時(shí)可采取拉筋加強(qiáng)，見圖1。

4.石油化工安全閥泄壓裝置設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)所產(chǎn)生的流動(dòng)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(jì)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(shí)安全閥出口管道配管應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

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

4.3.2可燃?xì)怏w、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(tái)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(tái)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(tái)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(gè)φ6～φ10mm的排液孔；對(duì)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(shí)支架所在的平臺(tái)需要考慮加固。

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

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(shí)，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(duì)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(bǔ)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(shí)，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(shí)，應(yīng)在低點(diǎn)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(diǎn)排液示意圖，因?yàn)楹紵N，低點(diǎn)排液加了分液包采取密閉排放。

4.5 對(duì)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(duì)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(gè)安全閥分層放置在塔頂平臺(tái)以下的幾層平臺(tái)上，這樣也便于安全閥檢修吊裝。

4.7對(duì)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(tái)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(jì)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(yùn)行，因此要重視安全閥的選型、安裝設(shè)計(jì)，避免設(shè)計(jì)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(jì)、安裝實(shí)例等方面，供設(shè)計(jì)同行參考交流。