謝安國

中國成達工程有限公司 成都 610041

安全閥管路設計

謝安國*

中國成達工程有限公司 成都 610041

論述安全閥在管路設計中的分類、選取、配管設計要求、配管方法、進出管道管架設計、排放反力計算等各種要素，從而使安全閥及配管設計更優(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，避免設備或管道超壓，形成破壞，從而保護整個裝置總體安全。本文著重闡述通過多要素結合，選擇相對合理的方式，對安全閥的管路進行優(yōu)化設計，以滿足工藝、環(huán)境、強度、安全等各維度要求。

1 安全閥分類

安全閥是一種自動閥門，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)壓力超過預定的安全值。當壓力恢復正常后，閥門再自行關閉阻止介質(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。超壓反應要求迅速的工況優(yōu)先選用。

(2)非直接荷載式 ： ① 帶動力輔助裝置安全閥，該閥借助一個動力輔助裝置，可以在低于正常的開啟壓力下開啟; ② 帶補充載荷式安全閥，在其進口處壓力達到開啟壓力前始終保持有一增強密封的附加力，該附加力可由外來的能源提供，而在安全閥達到開啟壓力時應可靠地釋放。適用密封要求高的工況;③ 先導式安全閥，依靠從導閥排出介質(zhì)來驅(qū)動或控制。該導閥本身應符合直接載荷式安全閥標準要求。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,對這種閥的結構和幾何形狀要求不象全啟式那樣嚴格,設計、制造、維修、試驗都比較方便,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，安裝位置不受嚴格限制；缺點是作用在閥桿上的力隨彈簧變形而發(fā)生變化。移動式或受振動的受壓設備，應優(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重錘的位置或改變重錘的重量來調(diào)整壓力。它的優(yōu)點在于結構簡單，缺點是比較笨重回座力低。這種結構的安全閥只能用于固定的設備上。

(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主閥動作。

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于開啟變化量不大的場合。

1.5 按安全閥體的動作特性

(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，選用全啟式安全閥。

(2)排放液體時，選用全啟式或微啟式安全閥。

(3)排放水蒸汽或空氣時，可選用帶扳手的安全閥。

(4)對于設定壓力大于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)在某些重要的場合，有時要安裝互為備用的兩個安全閥。

3 安全閥的安裝

(1) 在設備或管道上的安全閥應垂直向上安裝(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) 安全閥不應安裝在長的水平管道的死端，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，同時該管道的最小截面積不小于安全閥進口截面積。

(3) 安全閥一般應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。

(4)安全閥盡可能靠近被保護設備或管道安裝。由于工藝的特殊要求，不能靠近布置時，則從被保護的設備或管道到安全閥入口的管道總壓降不應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)安全閥的進口支管應短而直，同時不應設置在某一支管(或管口)的正對面，以免影響安全閥的正常開啟(壓力波動或異物堵塞)。

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具有必要的柔性，同時也需要盡量的暢通(以維持介質(zhì)排放時，所消耗的壓降在系統(tǒng)接受的范圍內(nèi))。

(2) 當安全閥進出口管道上設有切斷閥，并選用了閘閥時，應鉛封(保持常開的狀態(tài))，閥桿應水平安裝，不可朝上，以免閥桿和閥板連接的銷釘腐蝕或松動時，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有下凹的袋形管。

(4)對安裝安全閥的管道應給予足夠的支撐，以保證振動不會傳遞到安全閥，也避免安全閥受外力影響，產(chǎn)生過大的應力，而導致閥門變形和泄漏。

5 安全閥入口管道的設計

(1) 安全閥一般應盡量靠近被保護的設備或管道安裝，入口配管盡量短，安全閥要垂直安裝，自被保護的設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)不應超過安全閥設定壓力(表壓)的3%，并由工藝系統(tǒng)專業(yè)復算該管道的管徑；若超過3%，可增大入口管徑或把管道和設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放在流體壓力比較穩(wěn)定、且距波動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的標準彎頭進行配管。

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

(6)安全閥應進行排出口反推力計算。進口出口管應設可靠的管架固定，避免損壞被保護設備和管道，損毀其它構筑物。

6 安全閥出口管道設計

安全閥出口管道的設計應考慮背壓對閥特性的影響，不得超過安全閥定壓的一定值，對于彈簧式安全閥，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，并在低點處設置淚孔；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；安全閥的出口介質(zhì)允許向大氣排放時，放空管口不得朝向鄰近設備、平臺、梯子、電纜、有人通過的地區(qū)等；放空管口的高度應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2.5m；而對有腐蝕性、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、設備操作面3.5m以上。

(2)排放烴類氣體：安全閥出口管道應設置滅火用的蒸汽管或氮氣管，并在地面或樓面上控制，重組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，遠離平臺等有人之處，減少對周圍環(huán)境的影響。這種方法應用代替了管口切成45度斜口的方式，在彎頭的最低處開一個Ф6～Ф10mm淚孔，以免雨、雪或冷凝液積聚在排出管處，必要時接上小管道將凝液排放到安全的地方。

(4) 在設計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

此類配管特點是管道出口向下。根據(jù)介質(zhì)特性，應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

此類配管簡單，管路阻力小。但泄壓的反推力直接作用在安全閥上，對進口管的支管根部產(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、對放空高度無要求的管道。應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，可減小對結構的附加荷載，又可防止雨雪、沙塵進入管道。需考慮變向增加管道阻力和兩個出口對操作面安全的影響。

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?。避免因氣體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)的安全閥管道設計

(1)安全閥出口管排入封閉系統(tǒng)總管時，應坡向泄壓總管及分離罐。出口管與主管應順主管流向方向，從主管上方或側面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)對可能有液化烴類排入的泄壓管道，因介質(zhì)汽化而導致低溫的管道，應考慮采用低溫鋼，并保溫和伴熱。

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

(4)濕氣體泄壓系統(tǒng)排放管內(nèi)不應有袋形積液處，安全閥的安裝高度應高于泄壓系統(tǒng)，若受實際情況限制，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，應在低處易于接近處設置手動放液閥，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，必須加手動放液閥，如果手動放液閥不易接近，可設雙閥。排液管的下方容易接近處再設置一個操作閥，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)下都能正常的運行，安全閥的進出管的管架設置需謹慎。

(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)，在安全閥的進出口管系中，除了在管系的設計時考慮自然補償外，還需考慮在靠近安全閥的位置設置限位架或?qū)蚣堋?/p>

8 結語

在設計過程中，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?shù)氐臍庀髼l件對安全閥的潛在影響，再設置一定的二次保護措施。根據(jù)實際情況，選擇安全閥及配管，從而獲得安全閥管路的優(yōu)化設計。為了運行的安全性，用戶應定期對安全閥和管路進行校驗和檢查，以防止銹蝕、灰塵等長期積聚，形成通道變窄，甚至堵塞。

1 GB 50316-2000(2008)，工業(yè)金屬管道設計規(guī)范[S].

2 GB 50160-2008,石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范[S].

3 化工工業(yè)部化工工藝配管設計技術中心站.化工管路手冊[M]. 北京:化學工業(yè)出版社,1988.

4 GB/T 12241-2005,安全閥 一般要求[S].

5 HG/T 20570.2-1995,安全閥的設置和選用[S].

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

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

2017-03-02)