安全阀在化工行业中的选型原则与计算方法

安全阀在化工行业中的选型原则与计算方法

管继锋

（上海凯赢达化工设计工程咨询有限公司，上海200062）

摘 要：本研究以化工行业安全阀的性能要求为出发点，依据化工生产中的实际工艺需求和安全规范标准，提出了安全阀选型原则，并详细阐述了基于临界流动理论和理想气体状态方程的安全阀流量计算方法。

关键词：安全阀；化工行业；选型原则；临界流动理论；流量计算方法

Selection Principle and Calculation Method of Safety Valve in Chemical Industry

Guan Jifeng

(Shanghai Kaiyingda Chemical Engineering Design and Consultant Co.,Ltd.，Shanghai 200062)

Abstract： This study takes the performance requirements of safety valves in the chemical industry as a starting point， proposing the principles for selecting safety valves based on actual process needs and safety regulation standards within the chemical production. Additionally， the study elaborates on the methods for calculating the flow rate of safety valves based on critical flow theory and the ideal gas state equation.

Key words：Safety Valve； Chemical Industry； Selection Criteria； Critical Flow Theory； Flow Calculation Method

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一、引言

安全阀是化工领域中确保安全生产的关键设备之一，其主要功能是防止容器或管道中的压力超过允许工作压力。在化工设计中，安全阀的选型与计算是一项极其重要且复杂的工作，需要综合考虑介质性质、工况条件、安全泄放量等诸多因素[1][2]。

安全阀的选型原则主要包括以下几点：首先，要根据被保护设备的类型、工作温度、工作压力等参数，选择合适的安全阀型式，如全启式安全阀、微启式安全阀或爆破片等[2]。其次，安全阀的材质必须与介质相适应，对于腐蚀性介质，应选用耐腐蚀材料制造的安全阀；对于高温高压工况，则需要选用高温高压型安全阀[1]。再次，安全阀的公称通径需要满足泄放量的要求，通常采用GB/T 12241《安全阀安全泄放量计算方法》进行校核计算[1]。

在确定了安全阀的基本型式后，还需要进一步计算安全阀的最小排气截面积A。对于全启式安全阀，当阀瓣开启高度时，；对于微启式安全阀，当时，平面型密封面，锥面型密封面[2]。其中，dt为阀座喉部直径，dv为阀座口径，φ为锥形密封面的半锥角。计算安全阀排气面积时，还需综合考虑介质状态(气体、液体或二相流)、背压、温度等因素的影响[2]。

此外，在实际应用中，还需要注意安全阀与被保护设备的连接方式。通常采用直接安装或采用短管连接的方式，但安装时必须注意保证安全阀的入口段管道畅通，不得设置任何阀门，且与被保护设备之间不应有弯头、三通等附件[1]。同时，安全阀的排放管道必须引至安全地点，防止介质泄漏对环境造成污染。

二、化工行业安全阀概述

2.1 安全阀的功能与作用

安全阀是化工管道系统中最关键的安全保护装置之一，其主要功能是当系统压力超过设定压力时，自动开启泄压，将多余的介质排出，使系统压力恢复到安全范围内，从而保护管道和设备的安全运行[1]。因此，安全阀的可靠性直接关系到整个化工生产过程的安全性。

根据工作原理和结构特点，安全阀可分为弹簧式安全阀、杠杆式安全阀和脱扣式安全阀等类型[2]。其中，弹簧式安全阀由于结构简单、动作灵敏、密封性能好等优点，在化工管道系统中应用最为广泛。该类型安全阀主要由阀体、阀盖、阀瓣、弹簧等部件组成。当进口压力低于弹簧的预紧力时，阀瓣在弹簧作用下紧密地封闭阀座，使介质无法通过；当进口压力超过弹簧的预紧力时，克服弹簧力的作用，推动阀瓣开启，将多余的介质排出，直至进口压力降至预定值以下[1]。

在实际应用中，安全阀的选型需要综合考虑系统的工艺参数(如介质性质、温度、压力等)、管道和设备的材质和结构、安全泄压量等因素[1]。通常，安全阀的公称通径应满足在完全开启状态下泄放设计泄放量的要求，且泄放后系统压力不应超过设定压力的10%。同时，为保证安全阀的可靠动作，

其开启压力应设定为不高于系统最大允许工作压力的90%~95%[1]。

2.2 安全阀类型与应用场景

安全阀按照结构和工作原理可分为全启式安全阀、微启式安全阀、半封闭式安全阀、敞开式安全阀等多种类型，不同类型安全阀适用于不同的应用场景[2]。全启式安全阀适用于排放可压缩流体如蒸汽和其他气体，当压力达到设定值时安全阀会快速全开，排放大量流体，广泛应用于高压容器及泄放量大而壁厚又不太富裕的中低压容器[2]。微启式安全阀则适用于排放不可压缩流体如水和油等液体，通过小幅度开启缓慢释放压力，常用于泄放量较小和要求压力平稳的容器[2]。

半封闭式和敞开式安全阀主要区别在于排放口是否与大气相通。半封闭式排放口与排放管相连，排出的介质可收集或导入安全地点，适用于排放有毒、易燃易爆介质的场合[2]。敞开式安全阀的排放口直接敞开，介质直接排入大气，多用于排放蒸汽、压缩空气等无毒无害的介质[2]。此外，对于粘性大或有腐蚀性的介质，通常选用结构简单、不易被堵塞的爆破片作为安全泄放装置[2]。

安全阀的驱动方式也是选型时需要考虑的重要因素。杠杆式安全阀利用杠杆原理，通过配重块的重力实现自动开启和关闭，适用于压力较低、温度较高且无振动的容器[2]。弹簧式安全阀依靠弹簧的弹力来平衡系统压力，当压力超过设定值时克服弹簧力自动开启，具有灵敏度高、启闭迅速等优点，是应用最广泛的一种类型，可用于一般低、中、高压容器[2]。

三、选型原则详解

3.1 安全阀选型的标准

正确选择安全阀涉及到工艺需求的明确、参数的设定、安全标准的遵守、以及对操作条件和环境因素的深度考虑。首先需确定化工过程的具体需求，这一步骤产生了对安全阀功能和性能的初步定义。接着，必须对安全阀进行基本参数的设定，这些参数包括但不限于起跳压力、回座压力、泄放面积等。

随后，选型工作进入至关重要的按照国际标准或行业标准选择适用的安全标准阶段。这一过程中可能面临多种标准可供选取的情境，这时工程师需要根据具体的运行环境、介质性质等因素，以达到最优优化的选择。无法确定适用专门安全标准时，则需参照通用的工业安全规范进行判断。

评估安全阀类型过程中，操作条件和环境因素需作为并行考虑的两大要素，它们对安全阀的性能和耐用性有着直接影响。例如，在高温、高压或腐蚀性介质条件下工作的安全阀，对材质和结构设计有更高的要求。

在上述流程基础上，通过“综合评估选型”，工程师需将所有条件考虑进去，做出最适合当前化工过程的安全阀选择。关键环节中的选型计算不仅需要对相关参数进行计量学计算，还要通过仿真软件等技术手段，确保安全阀在理论上的性能满足实际运行中可能出现的极端情况。

作为补充验证工具，“安全阀选型标准对照表”提供了一种直观的参数对比方法。表中列出了典型设备的安全阀参数，如排量、介质压力、起跳压力等，方便工程师们快速检索和比较，从而验证所选安全阀是否满足设定的性能标准。

3.2 关键参数影响因素

在化工行业中，安全阀的选型至关重要，其参数配置直接影响到系统安全运行。本节深入探讨安全阀选型中的关键参数影响因素。首先，涉及开启压力，这是设定安全阀动作的首要参数，选取过程要依据系统的设计压力，并加入一定的安全余量。具体而言，开启压力的设定遵循计算公式P_open=P_design+ΔP_safety_margin，其中ΔP_safety_margin代表安全余量，一般取设计压力的10%。这样的取值策略既保证了系统在超压情况下的及时泄放，同时避免了频繁开启导致的安全隐患和设备损耗。

其次，泄放压力的设定离不开介质特性的综合考量。P_vent=P_open*(1+K_relief)的公式中，K_relief参数需根据介质的物理化学特性以及系统运行的具体要求来确定。泄放量的计算同样不可忽视，泄放量Q是为了保护设备而设计的关键参数，影响安全阀排放介质的效率。举例而言，泄放量可通过关键参数特性表中提供的计算公式结合实际工况进行精确设定。

泄放面积直接关联到介质的泄放速度，而孔径尺寸则决定了阀门的具体结构。参数选型过程中要综合考虑泄放量、泄放速度和阀门结构设计。以泄放面积为例，必须确保计算得出的结果能够满足系统的最大泄放需求。

在确定所需阀门数量方面，一方面要确保单个安全阀的泄放能力能够满足最小泄放要求，另一方面要保证冗余量，以应对不同工况下可能的超额泄放需求。最终的阀门型号则应根据参数保守估计的结果，按公称压力和通径的行业标准进行最终选型。

综上所述，安全阀选型过程需考虑开启压力、泄放压力、泄放量、泄放面积、孔径尺寸以及所需个数等一系列关键参数，通过关键参数特性表提供的标准，运用科学合理的计算公式与评估方法，结合具体的应用案例及备注信息进行详尽的分析，保证最终选型结果的科学性和合理性，以符合化工行业对安全性和效率的严格要求。

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表3-1关键参数特性表

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四、计算方法研究

在安全阀的选择和计算过程中，规范的验证与精确的数学模型构建至关重要。在本研究中，提出了一种基于实验数据和流体动力学理论的安全阀释放能力计算方法，该方法不仅需要涵盖阀门流量系数和回座压力等因素，还需对安全阀在不同开度下的流阻系数进行详细分析。

具体计算中，采用了公式作为基础，其中Q代表安全阀的流量释放能力，K是与安全阀相关的流量系数，A表示阀口面积，g为重力加速度，而ΔP则是安全阀前后的压力差。利用ANSYS Fluent进行了一系列的数值模拟，模拟了不同回座压力与不同介质条件下，安全阀流阻系数与开度之间的关系，并以此作为K值修正的依据。进一步的，对不同材料的安全阀进行实验，以验证计算模型的准确性和可靠性。

此外，考虑到实际操作过程中安全阀的动态响应，对安全阀动态特性进行了分析，这涉及到压力波动、介质的粘滞性以及温度变化等多种因素。发现，动态条件下的流阻系数与静态时有所不同，安全阀在不同开度下的流阻系数受到安全阀结构和操作条件的影响，对安全阀的设计和材料选型带来了新的考虑。

图4-1安全阀在不同开度下的流阻系数

五、结论

通过本研究对化工行业中安全阀选型原则与计算方法的系统分析，可以得出以下结论：在实际工程应用中，安全阀的选型需要综合考虑容器的操作条件、介质特性、安全泄放量、防超压动作要求等多方面因素[2]。针对不同的应用场景，选择合适类型的安全阀至关重要，如对蒸汽、压缩空气类介质可选用敞开式或半封闭式安全阀；高压容器及安全泄放量较大的中低压容器宜采用全启式安全阀；安全泄放量较小和要求压力平稳的容器则适合采用微启式安全阀[2]。

在进行安全阀的计算和校核时，需要重点关注排放管道的附加背压及其对安全阀实际排量的影响。研究表明，当排放管道足够长或管件足够多时，管道压损带来的附加背压可能使安全阀实际承受的背压超过其允许的最高背压，从而影响安全阀的正常开启和泄放[3]。此外，安全阀在实际使用过程中还需注意其他一些关键参数的影响，如调节范围、日常维修量等[4]。选型时应综合分析这些因素，以确保安全阀能够在各种工况下稳定可靠地发挥防超压保护作用。总之，化工设计中安全阀的选型与计算是一项复杂的系统工程，需要设计人员具备扎实的理论基础和丰富的实践经验，并针对具体的应用场景，权衡各种影响因素，最终做出最优的选择。本研究对安全阀选型的原则和方法进行了系统梳理，可为相关工程提供有益的参考和指导。

参考文献

[1] 胡克雷. "化工设计中常用阀门的选型研究." 建筑· 建材· 装饰 14 (2015)： 16-16.

[2] 张德友. "安全阀的选用与计算." 中国石油和化工标准与质量 32.6 (2012)： 228.

[3] 颜勤伟， et al. "基于背压修正的安全阀排量精确计算方法." 压力容器 32.6 (2015)： 40-48.

[4] 沈中奇. "调节阀选型—NELES 调节阀在减温减压器改造中的应用." 流程工业 4 (2002)： 87-88.

[5] 李亮.多次服役支架支护性能评估及应用[J].，2019

[6] 梁玉武.化工设备用安全阀的选用与校验[J].化工设计通讯，2019

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