安全阀进出口管道设计.docx
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安全阀进出口管道设计
中国石化集团
洛阳石油化工工程公司
公司标准
40B207-2001
石油化工装置（单元）安全阀进出口管道设计技术规定
代替：
第1页共14页
1范围
本标准规定了石油化工装置（单元）安全阀进出口管道的设计技术要求。
本标准适用于石油化工装置（单元）内设备和管道上安全阀进出口管道的配管设计。
2引用标准
《工业金属管道设计规定》GB50316-2000
《石油化工企业设计防火规范》GB50160-92（1999年版）
3一般规定
3．1在设备和管道上的安全阀，应直立安装。
3．2安全阀不应安装在水平管道的死端，以免液体或固体积聚。
3．3安全阀应安装在易于调节、检查和检修的位置，周围要有足够的工作空间，对于大直径重量超过100Kg的安全阀，应考虑方便装卸，必要时设置吊杆。
3．4安全阀的进出后管道上设有切断时，切断阀上应标注铅封开（C.S.O），设有副线阀时，副线阀上应标注铅封关（C.S.C）。
切断阀应选用闸阀，阀杆应水平安装。
3．5分馏塔顶部的安全阀如直接向大气排放介质时，可设有塔顶馏出线的顶部；如向密闭系统排放介质时，可设在塔顶馏出线至冷凝冷却设备的入口总管上如图1所示。
球罐上的安全阀应设在灌的顶部。
图1塔顶馏出线上安全阀位置示意
刘卫
王金富
萧风芝
李苏秦
2001-12-30
2002-02-01
编制
校审
标准化审核
审定
发布日期
实施日期
3．6安全阀附件如装有压力表时，安全阀与压力表宜靠近安装。
3．7重锤式安全阀的安装位置，应使重锤处于方便检查的方位，且不应妨碍设备上其他部件的安装和操作。
重锤式安全阀应垂直安装，且杠杆保证水平。
3．8在往复式压缩机出口管道上设有脉动阻尼器或孔板并在其下游设置安全阀时，安全阀与脉动阻尼器或孔板之间，应有一段直管，其最小长度应为公称直径的10倍。
3．9如果安全阀进出口的压力比超过临界压力比，在阀门出口至第一弯头应设置至少10倍公称直径的直管段如图2。
图2高压差安全阀出口管道
3．10安全阀的配管应考虑因运转、开工、紧急事故情况及蒸汽吹扫等而引起的工况变化，配管设计时应使这些条件下的热应力控制在许用应力以内。
3．11当安全阀出口排入大气时，在出口管中心线产生与流向相反的作用力，安全阀出口处应合理设置支架以承受反作用力，反作用力的计算见附录A。
4安全阀进口管道设计
4．1安全阀进口管道的压力损失宜小于安全阀定压值的3%，为此在设计上应考虑以下各点：
4．1．1安全阀应靠近被保护的设备或管道。
4．1．2安全阀的进口接管直径可大于安全阀的进口直径1-3级，大小头应设在靠近安全阀的进口处。
4．1．3安全阀进口处使用弯头时应采用长半径弯头（R≥1.5DN）。
4．2安全阀进口管应考虑压力脉动的影响，管道上的安全阀应位于压力比较稳定，距波动源有一顶距离的地方，见表1。
表1管道上安全阀距波动源的距离
压力波动源
最小直管段为公称直径DN的倍数
调节阀或截止阀
25
两个弯头不在同一平面上
20
两个弯头在同一平面上
15
一个弯头或缓冲罐
10
脉动衰减器（流量孔板）
10
注：
表内数值为美国石油协会标准API-RP-520的推荐值。
4.3如采用导阀型安全阀,从容器或管道直接取压时，可不受进口管的压力降不大于安全阀定压值的3%的限值，分别接到主阀和导阀上，如图3所示。
图3导阀型安全从容器或管道直接取压示意图
4.3安全阀入口管道应布置成能自排泄到被保护的设备或管道主管内，如图4所示。
图4安全型入口管道的自排泄
5安全型出口管道的设计
5.1安全阀出口管道的设计应考虑背压不超过安全阀定压值的一定值。
弹簧式安全阀，出口管的总压降应小于安全阀定压值的10%；波纹管型（平衡型），出口管的总压降一般不宜超过安全阀定压的30%；先导式安全阀，出口管的总压降不应超过安全阀定压的60%。
5.2接向大气排放介质的安全阀出口管道应考虑以下各点：
5.2.1 安全阀的出口管端的形状应取Y型或T型、I型、L型并设45°切口，切口方向应避免附近的平台、道路的设备，如图5所示。
图5安全阀出口管端形状
5.2.2安全阀出口管端位置高于安全阀时，在安全阀出口管道的水平管段的底部应开￠6～10mm的泪孔，如图6所示。
图6直接向大气排放介质的安全阀出口管道设计
图注：
1——排放管；2——长半径弯头；3——支架；4——端部切口；5——此处压力降不超过定压值的3%；6——泪孔￠6～10mm。
5.2.3安全阀排放管口之外可设套筒，这样可减少排放管的反作用力，如图7。
图7安全阀排放管口之外设套管的安装示意图
图注：
1——排放管；2——套筒；3——支架；4——￠6～10mm泪孔
5.2.4安全阀排放管口高度要求
5.2.4.1无毒、非可燃气体安全阀排放口应高于以排放口为中心的7.5m半径范围内的操作平台、设备或地面2.5m以上；
5.2.4.2可燃气体安全阀排放口应高出以排放口为中心的10m半径范围内的平台或建筑物顶3.5m以上，位于10m以外的平台或建筑物顶应满足图8的要求。
5.2.4.3可燃气体安全阀排放口与明火处的水平距离,不应小于15m,且不应朝向明火处。
5.3安全阀出口介质排入密闭系统的管道应考虑以下各点:
5.3.1安全阀出口管道高于放空总管时,由安全阀出口至放空总管应有向下的坡度,并应顺流向45°斜接到放空总管的顶部,DN≦40的管子可以90°垂直连接,放空管不得从下部接入放空总管。
5.3.2安全阀出口管道低于放空总管并可能有凝液存在时在安全阀出口管道上的低点应设排液管及阀门,并应将排液管引至安全地区或凝液收集罐,如图9所示。
5.3.3安全阀的出口管道应妥善支撑,以防泄压时的过大弯矩造成管道应力值超过许用范围,支撑方法应根据安全阀所在的设备或管道附属构架的具体情况而定,如图10。
5.4安全阀出口接管直径可大于安全阀出口直径1﹣3级,大小头应设在靠近安全阀的出口处。
附录A安全阀出口反作用力计算
1安全阀排气系统
1.1安全阀的排气形式
1.1.1开式排气系统
开式排气系统要求满足如下几何条件（见图1）
L≦4Do.m≦6Do
典型的开气式排气系统如图1所示。
1.1.2闭式排气系统
典型的闭式排气系统如图2所示。
图2典型的闭式排气系统
1.2荷载分析及计算方法
安全阀的排气管除承受内压，自重等静荷载外，还要承受排气的反作用力等动力荷载，下面给出了排汽管动力荷载的计算方法。
安全阀排气管出口的流动状态可能是临界流动，也可能时亚临界流动，二者的计算方法是不同的，因此首先应根据安全阀前介质的滞止参数计算排气管出口的临界压力，临界流速和临界比容；
Pc=
式
（1）
Wc=
式
（2）
Vc=Wc.f/G式（3）
式中Pc——临界压力，MPa；
Wc——临界流速，m/sec；
Vc——临界比容，m3kg；
K——介质的比热比（绝热指数），对于空气，O2，N2，CO等K=1.4；对H2，K=1.41；对过热蒸汽，CO2，H2S等，K=1.31，对C2H5，K=1.2，对饱和蒸汽K=1.13；
G——介质流量，kg/sec；
F——排气管出口流通截面，㎡；
P0——安全阀入口滞止压力，MPa；
V0——安全阀入口滞止比容，m3/kg。
如果按上述公式求得的临界压力大于或等于排出口外的环境压力，则为临界流动，小于环境压力则为亚临界流动。
当安全阀排气排入大气时，临界压力大于或等于大气压力则为临界流动，小于大气压力则为亚临界流动。
如果排气管出口为临界流动，则这段排气管进的末端参数为临界参数，始端参数与这段管道的总阻力系数ζ有关，始端参数可按下式计算：
Ps=
式（4）
Ws=Wc/β式（5）
Vs=Vc/β式（6）
β2=
式（7）
式中Ps——排气管始端介质压力，M/Pa；
Ws——排气管始端介质流速，m/sec；
Vs——排气管始端介质比容，m3/kg；
β——介质的比容比，β=Vc/Va；
ξ——等截面管道的总阻力系统，ξ=
λ——管道的摩擦系统；
D——管道的内径，m；
L——管道的长度，m；
——管道局部阻力系统的总和。
用式（7）求β值时可采用试算法或叠代法。
如果排气管的直径是逐级扩大的，则应分段计算，因为在每段扩径处的流动状态可能是临界状态，也可能是亚临界状态。
如果排气管的直径比较大，则出口流速较低，将出现亚临界流动状态。
计算亚流动条件下的参数比临界流动的参数更复杂些。
可采用虚拟法。
设排气管道1-2为亚临界流动过程，在终点2未达到临界状态。
现将管道等截面延长一虚拟段2-3如图2所示。
在流量不变的条件下使末端3处达到临界状态，则可按上述式
（1）、
（2）、（3）计算3处的参数P3、W3、和V3。
根据式（4）可得出虚拟段2-3的比容比为：
式（8）
图3
根据式（7）可求出虚拟段的阻力系数和实段与虚拟段阻力系数的总和：
式（9）
ξ13=ξ12+ξ23式（10）
与临界流动状态的计算方法相同，可进一步求得在排气管始端和末端的各项参数。
详细计算步骤可参见例题。
闭式系统与开式系统的计算方法相同。
如果安全阀出口接有较长的管道，则当安全阀开启时会产生一段不稳定的瞬态流，受此瞬态影响，液体的压力和流速都是不均匀的。
从安全阀最初开启所发射的压力波在传播到达管道终端之前可能形成冲击波。
为考虑这种影响，排气系统的操作压力建议取2倍稳态操作压力。
1.3安全阀排气管的反作用力
1.3.1开式排气系统的反作用力
1.3.1排气弯头
在稳态流动的条件下，安全阀开启时的反力F包括动量效应和压力效应两部分，如图4所示。
F=GW+（P-Pa）f.106,N式（11）
式中：
F—点1的反作用力，N；
G—质量流率，Kg/s,按安全阀开启时最大流率的1.1倍；
W—点1的出口流速m/s;
P—点1的静压，MPa;
f—点1处的通流面积，m2。
Pa—大气压力，MPa；
为考虑瞬态流动的影响，还应计入动载因子DLF。
13.1.2放空管如图5所示。
放空管在安全阀开启时，受到F2和F3两个力的作用。
F2和F3可按式（11）计算，放空管的支架应能承受垂直方向和水平方向的不平衡力和力矩。
如果放空管出口设计成斜面，则反力将沿斜面的反向作用。
放空管的设计应避免出现“反喷”现象，为防止这种现象的产生应满足下列条件
G（W1-W2）>（P2-Pa）·f2·106-（P1-Pa）f1·106
1.3.2闭式排气系统的反作用力
在稳态流动条件下，闭式系统的排出口有一较大的反作用力，管系其他部位所受的力具有自平衡性。
其数值可用式（11）计算。
但在安全阀开始开启时，由于是不稳定流动，管系要承受较大的冲击力，因此应在管道上设置适当的固定支架。
1.4反作用力的动力放大特性
管系在瞬态载荷作用下受到的力和弯距一般大于静态值，这种动力放大特性可用动载因子DLF来表征。
DLF定义为动挠度的最大比值。
如果主管道刚性支撑，那么安全阀排气系统（如图6所示）可简化成一个单自由度系统，此时，DLF可按下述方法确定。
（如图6所示）可简化成一个单自由度系统，此时，DLF可按下述方法确定。
1.4.1安全阀系统的振动周期T，参加图6
T=0.03627
式（12）
式中：
T——安全阀系统的振动周期，S；
W——安全阀、入口管、出口管及法兰等的总重量，KG；
H——主管道至出口管中心线的距离，CM；
E——设计温度下入口管材料的弹性模量。
MPA；
I——入口管的惯性矩，CM。
1.4.2计算安全阀开启时间TO与周期T的比值TO/T，TO安全阀从全闭到全开的时间。
图7开式排气系统的动载因子
1.4.3由TO/T从图7中查出动载因子DLF。
安全阀排气管中应严格避免积存液体。
当安全阀开启后，高速气流携带积液将形成严重的水锤现象。
但在放空管表面附着少量冷凝液是可能的，这也可能增加气流对管系的作用力，同时考虑到安全阀开启时间难于确定，以及存在不稳流动等因素，建议DLF取2为宜。
1.5安全阀出口的反作用力矩
由反作用力引起的弯矩可按式（12）计算，
M1=F·D·DLF（N·M）式（12）
式中：
M1——弯矩，N·M；
F——反力，N；
D——分析点到反力作用线的距离，M；
DLF——动载因子。
例1：
安全阀如图
8所示，排放介质为过热蒸汽。
排放量为55T/h安全阀如开启压力为Po=10.4MPa。
过热温度为540℃。
比容为Vo=0.033676
/㎏，求排气系统各部参数，安全阀和排气管固定点所受的力和力矩。
各管段的特性数据如下表：
管段
I-II
II-III
管径
￠159*4.5
￠219*6
流通截面，㎡
0.01767
0.03365
总主力系统
0.4677
1.5
质量流率G/f,㎏/㎡.s
864.6
454.02
首先计算管段II-III
过热蒸汽的比热率K=1.3
临界压力：
=
=
临界速度：
临界比容：
Vc=629.2/454.02=1.386
/㎏
因为Pc大于大气压力，所以为临界流动，管道II-III按临界流动状态计算。
按公式
经试算求得管道II-III比容比β=2.027。
截面II的参数为
截面II的参数为
压力：
流速：
W2=629.2/2.027=310.4m/s
比容：
V2=1.386/2.027=0.684m3/kg
计算管段I-II
临界压力：
临界流速：
Wc=629.2m/s
临界比容：
Vc=629.2/864.6=0.7277m3/s
因为Pc比P2，所以为亚临界流动。
虚段比容比
虚段阻力系数
全段阻力系数
按公式
经试算求得全段比容比β=1.5737
截面I参数：
压力：
流速：
W1=629.2/1.5737=399.8m/S；
比容：
V1=0.7277/1.5737=0.462m3/kg
对安全阀的垂直反力：
动力系数DLF取2，对安全阀入口接管根部的弯矩：
，
；
放空管固定点受力计算：
截面III受力：
垂直分力
水平分力
截面II受力
动力系数取2，求固定点受力：
垂直力
水平力
弯矩M=2×（6260×0.1095+6854×1.5）=21933N.m
截面II的参数为
压力：
流速：
W2=629.2/2.027=310.4m/s
比容：
V2=1.386/2.027=0.684m3/kg
计算管段I-II
临界压力：
临界流速：
Wc=629.2m/s
临界比容：
Vc=629.2/864.6=0.7277m3/s
因为Pc比P2，所以为亚临界流动。
虚段比容比
虚段阻力系数
全段阻力系数
按公式
经试算求得全段比容比β=1.5737
截面I参数：
压力：
流速：
W1=629.2/1.5737=399.8m/S；
比容：
V1=0.7277/1.5737=0.462m3/kg
对安全阀的垂直反力：
动力系数DLF取2，对安全阀入口接管根部的弯矩：
，
；
放空管固定点受力计算：
截面III受力：
垂直分力
水平分力
截面II受力
动力系数取2，求固定点受力：
垂直力
水平力
弯矩M=2×（6260×0.1095+6854×1.5）=21933N.m
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