張義萬(wàn)* 陸 斌

（泰安市質(zhì)量技術(shù)檢驗(yàn)檢測(cè)研究院）

0 引言

液氨具有較高的臨界溫度，在常溫下極易液化，所以常被用作制冷劑，廣泛應(yīng)用于冷凍行業(yè)。在氨制冷系統(tǒng)中，貯液器是重要的承壓設(shè)備，其目的是暫存液氨并穩(wěn)定其在制冷系統(tǒng)中的流量。根據(jù)GB/T 7778—2017《制冷劑編號(hào)方法和安全性分類》標(biāo)準(zhǔn)中有關(guān)制冷劑安全性的分類規(guī)定，液氨為B2L 類，即具有高慢性毒性與弱可燃性。當(dāng)氨氣泄漏在環(huán)境中時(shí)，遇到極端火災(zāi)工況，會(huì)引發(fā)爆炸。在氨貯液器中設(shè)置安全閥能有有效防止設(shè)備超壓泄漏，保證制冷系統(tǒng)安全運(yùn)行。

1 安全閥的分類

安全閥的作用是當(dāng)設(shè)備超壓時(shí)，安全閥中的閥瓣在介質(zhì)壓力作用下上移，超壓的流體從間隙中逸出，容器內(nèi)壓力逐漸降低，一定時(shí)間后，在加載機(jī)構(gòu)的作用下，閥瓣重新回落，設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行，根據(jù)設(shè)備不同的使用環(huán)境，需選用相應(yīng)的安全閥類型，安全閥分類如下。

（1）按加載方式分類可分為重錘杠桿式安全閥和彈簧式安全閥[1]。重錘通過(guò)杠桿或直接作用于閥瓣上，其加載載荷有限，并不適用于振動(dòng)工況，目前已被逐漸淘汰。

彈簧式安全閥是以彈簧力作為加載載荷，作用在閥瓣上，由于彈簧結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)振動(dòng)不敏感，所以目前在壓力容器中應(yīng)用最為廣泛。

（2）按閥瓣開(kāi)啟高度分類可分為微啟式和全啟式。安全閥開(kāi)啟高度為大于1/40 喉徑小于1/20 喉徑。全啟式安全閥開(kāi)啟高度為大于1/4 喉徑。

此外，按照氣體排放方式不同，安全閥還可分為全封閉式與開(kāi)放式；按作用原理不同，則可分為直接作用式與非直接作用式。

2 安全閥結(jié)構(gòu)及原理簡(jiǎn)介

安全閥是壓力容器中重要的超壓泄放附件，現(xiàn)以應(yīng)用最廣泛的彈簧直接作用微啟式安全閥為例，簡(jiǎn)要介紹安全閥結(jié)構(gòu)及原理，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 微啟式彈簧安全閥

當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)，安全閥閥瓣7 與閥座9 處于接觸狀態(tài)，介質(zhì)無(wú)法逸出，當(dāng)介質(zhì)由于某種原因?qū)е略O(shè)備承受壓力過(guò)高時(shí)，介質(zhì)作用在閥瓣上的載荷大于彈簧作用在閥瓣上的載荷，此時(shí)閥瓣與閥座脫離，介質(zhì)逸出，并可聽(tīng)到外逸聲。介質(zhì)作用在閥瓣上的力繼續(xù)增大達(dá)到安全閥起跳壓力，安全閥閥瓣達(dá)到最大起跳間隙，在一定壓力范圍內(nèi)，閥瓣保持穩(wěn)定，介質(zhì)不斷逸出，設(shè)備內(nèi)壓力持續(xù)降低。一定時(shí)間后，彈簧載荷超過(guò)容器內(nèi)介質(zhì)壓力，閥瓣緩慢下移至初始位置，安全閥泄壓結(jié)束[2]。

3 安全閥選型

安全閥的選擇需考慮以下6 個(gè)方面。

（1）壓力容器中存儲(chǔ)的介質(zhì)性質(zhì)

當(dāng)介質(zhì)有毒性或可燃易爆時(shí)應(yīng)選擇封閉式安全閥，當(dāng)介質(zhì)為空氣、熱水等無(wú)毒性，不污染環(huán)境的非易燃易爆介質(zhì)時(shí)可以采用對(duì)空排放的開(kāi)放式安全閥。

（2）容器中介質(zhì)相態(tài)

當(dāng)介質(zhì)為液態(tài)時(shí)，優(yōu)先選用微啟式安全閥，若介質(zhì)為氣相，例如氮?dú)?，則全啟式安全閥是首先應(yīng)考慮選用的類型。

（3）根據(jù)泄放介質(zhì)溫度和有無(wú)背壓選擇

當(dāng)介質(zhì)泄放時(shí)溫度能達(dá)到或高于300 ℃時(shí)，應(yīng)選擇帶散熱器的安全閥，當(dāng)安全閥泄放出口處存在背壓時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮選擇帶有波紋管結(jié)構(gòu)的安全閥[3]。

（4）根據(jù)介質(zhì)化學(xué)性質(zhì)選擇

當(dāng)介質(zhì)具有較強(qiáng)腐蝕性時(shí)，安全閥內(nèi)部閥瓣與閥座應(yīng)選用耐腐蝕材質(zhì)。

（5）根據(jù)容器設(shè)計(jì)壓力及設(shè)計(jì)溫度選擇

根據(jù)容器設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度，應(yīng)選擇相應(yīng)安全閥公稱壓力代號(hào)。

（6）安全閥與相鄰管件連接方式

安全閥與相鄰管件通常采用法蘭連接[4]。

本文結(jié)合實(shí)際工況，并參考標(biāo)準(zhǔn)JB/T 308—2004《閥門 型號(hào)編制方法》，首先確定選用彈簧直接作用式安全閥，代號(hào)A；又由于本文研究對(duì)象氨貯液器的介質(zhì)為液氨，具有毒性和爆炸性，因此可選用法蘭連接，代號(hào)4；結(jié)構(gòu)形式選擇全啟封閉式，代號(hào)2；根據(jù)其設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)溫度為50℃，設(shè)計(jì)壓力為2.15 MPa，閥座密封面選用硬質(zhì)合金，閥體選用碳素鋼，材質(zhì)代號(hào)分別為Y 與C；考慮到壓力需有一定余量，公稱壓力代號(hào)選取25，綜上所述，選用安全閥型號(hào)為A42Y-25C。

4 氨貯液器安全泄放量

按照TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》要求，常溫儲(chǔ)存液化氣體的工作壓力（無(wú)保冷措施時(shí)）為50 ℃飽和蒸氣壓，因此液氨工作壓力為2.03 MPa（絕對(duì)壓力），設(shè)計(jì)壓力取1.06 倍工作壓力，為2.15 MPa，詳細(xì)氨貯液器技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 氨貯液器技術(shù)參數(shù)

根據(jù)GB 150—2011《壓力容器》中有關(guān)壓力容器安全泄放量的規(guī)定，不同工況下同一設(shè)備安全泄放量不同，在非火災(zāi)情況下安全泄放量比火災(zāi)工況下安全泄放量低30%左右。如前所述，在火災(zāi)環(huán)境中液氨有可燃且易爆的性質(zhì)，所以對(duì)此氨貯液器安全泄放量取最大值，即火災(zāi)工況下的安全泄放量。

氨貯液器無(wú)保溫，其安全泄放量Ws可按下式計(jì)算：

Ar——容器的受熱面積，對(duì)于半球形封頭Ar=3.14D0L，橢圓形封頭的臥式容器Ar=3.14D0（L+0.3D0），立式容器Ar=3.14D0h1（D0為容器外直徑，L為容器總長(zhǎng)，h1為容器最高液位），該設(shè)備為橢圓形封頭，故Ar=3.14D0（L+0.3D0）；

q——在起跳壓力下的液氨的汽化潛熱 ，查壓力容器介質(zhì)手冊(cè)得到氨氣化潛熱q=251.37 K/kg。

經(jīng)過(guò)計(jì)算可得，Ws=2 150.75 kg/h。

5 安全閥最小安全泄放面積

在計(jì)算最小泄放面積前，需要進(jìn)行臨界條件的判定[5]，即：

根據(jù)計(jì)算分析，得出氨貯液器安全閥全部選型參數(shù)，最終提供給生產(chǎn)廠家，再采購(gòu)符合要求的安全閥型號(hào)。

6 安全閥安裝注意事項(xiàng)

（1）安全閥應(yīng)豎直安裝，并且安裝在氨貯液器上部，能夠防止液氨氣化超壓給設(shè)備造成破壞。

（2）與氨貯液器之間管道應(yīng)短且直，并且管道內(nèi)徑應(yīng)大于安全閥進(jìn)口處內(nèi)徑。

（3）因?yàn)橐喊本哂卸拘?，且可燃易爆，安全閥出口應(yīng)接介質(zhì)回收裝置，不能對(duì)空排放。

（4）為了方便安全閥檢驗(yàn)與更換，在制定可靠預(yù)案前提下，安全閥與貯液器之間應(yīng)安裝截止閥。

7 結(jié)論

安全閥是承壓設(shè)備中重要的安全附件，對(duì)于保護(hù)設(shè)備正常工作，具有重要意義，尤其是在介質(zhì)是易燃易爆或有毒的情況下，做好安全閥選型工作尤為重要。本文以氨貯液器上的安全閥選為例，參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，綜合考慮液氨的介質(zhì)屬性，進(jìn)行了安全閥設(shè)計(jì)選型工作型為例。