石油化工裝置安全閥的配管設(shè)計(jì)

陳漢玉

（中國石化集團(tuán)洛陽石化工程公司配管室，河南 洛陽 471001）

一、前言

石油化工裝置是由機(jī)、泵、閥和不同的容器等設(shè)備，按這些設(shè)備各自的功能，由管道將它們有機(jī)地結(jié)合在一起。盡管這些設(shè)備按各自的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過嚴(yán)格地檢驗(yàn)驗(yàn)收，但是，每年的泄漏、爆炸事故仍有發(fā)生。在石油化工生產(chǎn)過程中，由于閥門誤操作、循環(huán)水故障、電力故障、外部火災(zāi)等原因，致使生產(chǎn)系統(tǒng)壓力超過容器和管道的設(shè)計(jì)壓力，而發(fā)生事故，故在石油化工裝置中幾乎全部的壓力設(shè)備和管道都需要設(shè)置安全閥,由于安全閥可以不依賴任何外部能源而動(dòng)作，所以常常作為受壓設(shè)備的最后一道保護(hù)裝置。從這個(gè)意義上說，它的作用是不能用其他保護(hù)裝置來代替的。因而安全閥是保護(hù)設(shè)備、管道在不正常操作情況下免遭破壞的重要設(shè)施。

通常，在工程設(shè)計(jì)中人們一般只重視安全閥設(shè)定壓力與排量,而忽視安全閥的配管設(shè)計(jì),其中包括不注意安全閥的出口朝向、與匯總管的交接,安全閥的安裝標(biāo)高及火炬總管的坡度、坡向等。殊不知安全閥配管設(shè)計(jì)的正確與否對(duì)安全閥能否在設(shè)定的壓力與排量下工作影響極大,合理的安全閥管道設(shè)計(jì)是安全閥的正常運(yùn)行的保證。因此,要使安全閥真正起到保護(hù)設(shè)備與管道的作用,一定要重視安全閥的配管設(shè)計(jì)。現(xiàn)根據(jù)工程實(shí)踐,就安全閥的配管設(shè)計(jì)提出應(yīng)考慮的主要問題,供同行在設(shè)計(jì)中參考。

二、安全閥進(jìn)口管道的設(shè)計(jì)

1.滿足安全閥開啟流速要求

安全閥按開啟高度分類有微啟式和全啟式及中啟式三種開啟方式

（1）微啟式安全閥

微啟式安全閥主要有開啟高度大于等于1/40流道直徑和開啟高度大于等于1/20流道直徑的兩種。微啟式安全閥的動(dòng)作特性是比例作用式的。

（2）全啟式安全閥其開啟高度大于等于1/4流道直徑。此時(shí)，簾面積大于流道面積。這種安全閥的動(dòng)作特性屬于兩段作用式。

（3）中啟式安全閥

開啟高度介于微啟式與全啟式之間。其動(dòng)作特性通常相當(dāng)于安全泄放閥。

對(duì)于液壓系統(tǒng)上用的安全閥，采用微啟式，而對(duì)大型石油化工工藝流程中用的安全閥，普遍采用全啟式，安全閥的配管，入口管道直徑不小于安全閥的入口直徑；要求壓力容器與泄壓閥之間的所有管道和管件通孔的面積應(yīng)與安全閥入口的面積相同。在一般設(shè)計(jì)工程中入口隔離閥的最小流道面積選用等于或大于安全閥的入口面積。

2.保證安全閥運(yùn)行平穩(wěn)、可靠

影響安全閥可靠運(yùn)行的主要原因如下。

（1）入口管道的阻力降太大，安全閥產(chǎn)生顫振，安全閥既要滿足正常的液流運(yùn)行，又要防止容器和管道內(nèi)的壓力超壓，起到保護(hù)作用。一般情況，安全閥設(shè)定的開啟壓力，為正常流程工作壓力的1.15倍，排放壓力為1.05～1.15倍的開啟壓力?；刈鶋毫?yīng)≥0.8倍的開啟壓力。安全閥開始排放前，安全閥入口靜壓力即為容器內(nèi)的靜壓力；當(dāng)安全閥開始排放后，由于安全閥入口管道內(nèi)動(dòng)壓頭損失，安全閥入口靜壓力低于容器內(nèi)的靜壓力；此時(shí)，若安全閥入口管道壓降過大，安全閥入口靜壓力低于安全閥回座壓力時(shí)，安全閥即刻關(guān)閉，一旦安全閥關(guān)閉，安全閥入口管道內(nèi)無介質(zhì)流動(dòng)，則安全閥入口管道內(nèi)的動(dòng)壓頭損失為零；安全閥入口靜壓力回升到容器內(nèi)靜壓力，當(dāng)超過安全閥的定壓時(shí)，安全閥再次開啟；如此，安全閥反復(fù)啟閉，產(chǎn)生顫振。這種顫振會(huì)使安全閥密封泄漏，提前開啟或某些零件以及入口和出口管道出現(xiàn)過早的疲勞損壞。在國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中均限制了入口管道的阻力降，且要求很嚴(yán)：國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T12241-2005《安全閥一般要求》、HG/T20570.2-95《安全閥的設(shè)置和選用》規(guī)定：入口管道的阻力降不大于安全閥設(shè)定壓力（表壓）3%。因此在任何情況下，該壓力降都不得超過整定壓力的3%或最大允許啟閉壓差的1/3（以兩者中的較小值為準(zhǔn)）。

結(jié)合 API標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中的壓力降應(yīng)理解為管道總阻力降，包括：管道摩擦阻力降、管道靜壓力降、管道速度阻力降。管道摩擦阻力降由兩部分組成：一部分是流體在管道內(nèi)流動(dòng)，由流體與管壁摩擦而引起的阻力降；另一部分是流體通過管件的變徑、變方向的部位和閥門時(shí)引起的阻力降。由于管道進(jìn)出口標(biāo)高不同而產(chǎn)生的壓力降稱為管道靜壓力降。由于管道或系統(tǒng)的進(jìn)、出口端截面不等使流體流速變化所產(chǎn)生的壓差稱為速度壓力降。若安全閥入口管道的總壓力降超過安全閥整定壓力的3%，可增大入口管徑以降低壓力降。

（2）安全閥距離壓力波動(dòng)源太近影響安全閥的正常運(yùn)行

通常安全閥應(yīng)安裝在受保護(hù)的設(shè)備或管道附近，這樣到泄壓裝置入口所產(chǎn)生的壓力損失會(huì)在允許的范圍之內(nèi)。但是，如果壓力源處存在著壓力波動(dòng)，且壓力的峰值接近于安全閥的整定壓力，這時(shí)安全閥應(yīng)安裝在遠(yuǎn)離此壓力源且壓力較穩(wěn)定的地方。在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T20570.2-95《安全閥的設(shè)置和選用》對(duì)此有明確規(guī)定。

（3）管道應(yīng)力對(duì)安全閥及其相連管道的破壞

核算在工作溫度范圍內(nèi)管道是否需要補(bǔ)償；同時(shí)要核算與安全閥入口管道相連的工藝管道熱脹冷縮的長度變化。通常運(yùn)用計(jì)算機(jī)來計(jì)算是否需要補(bǔ)償，常用的軟件為 CAESAR。

三、安全閥出口管道的設(shè)計(jì)

1.滿足安全閥流速要求

由于化工流程中輸送的介質(zhì)大都為易燃、易爆、劇毒、強(qiáng)腐蝕性液體，為防止環(huán)境污染。安全閥開啟后排放的液體必須嚴(yán)格控制，在國內(nèi)化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國外ASME標(biāo)準(zhǔn)中也有相關(guān)要求。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HG/T20570.2-95《安全閥的設(shè)置和選用》明確規(guī)定：安全閥出口管道直徑不小于安全閥的出口直徑；在ASME第 VIII卷也有要求：推薦出口隔離閥的最小流道面積應(yīng)等于或大于泄放閥的出口面積。因此安全閥管道設(shè)計(jì)時(shí)，排放管的通道截面積應(yīng)不小于安全閥出口截面積。當(dāng)多臺(tái)安全閥向一個(gè)總管排放時(shí)，排放總管的截面積應(yīng)保證能夠接受所有可能同時(shí)向其排放的安全閥的總排放量。

2.保證安全閥運(yùn)行平穩(wěn)、可靠

（1）背壓過大造成安全閥開啟壓力偏差，流量下降，不穩(wěn)定性增加。背壓是指由排放系統(tǒng)中的壓力而在泄壓裝置出口處產(chǎn)生的壓力，分為附加背壓和排放背壓：附加背壓是指要求泄壓裝置操作時(shí)，泄壓裝置出口側(cè)的靜態(tài)壓力，是由排放系統(tǒng)中來自其他壓力源的壓力產(chǎn)生的，可能是固定的或可變的；排放背壓是指泄壓裝置開啟后，因介質(zhì)流動(dòng)而造成泄壓裝置出口側(cè)壓力的增加。從背壓定義可理解背壓傾向于減小閥門開啟的提升力，還會(huì)使安全閥產(chǎn)生顫振和頻跳。

在常規(guī)安全閥（非平衡彈簧承載式安全閥）使用中，附加背壓為恒值時(shí)，可降低彈簧載荷以補(bǔ)償附加背壓，這時(shí)，建議排放背壓不應(yīng)超過允許的超壓，當(dāng)允許的超壓為 10%時(shí)，排放背壓不能超過整定壓力的10%。在安全閥出口管道配置時(shí)，首先根據(jù)工藝流程圖所給管徑、安全閥的形式和整定壓力以及最終管道走向布置，核算背壓是否符合規(guī)范要求。一般總背壓不大于10%整定壓力時(shí)選用非平衡彈簧承載式安全閥；總背壓大于 10%整定壓力，小于50%整定壓力時(shí)選用平衡波紋式安全閥；當(dāng)總背壓大于5%整定壓力時(shí)，可選用先導(dǎo)式安全閥。

（2）排放管道中靜載荷以及排放時(shí)反作用力產(chǎn)生的入口應(yīng)力

不正確的安全閥排放管道設(shè)計(jì)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力并傳遞給安全閥及其入口管道?？赏ㄟ^正確的安裝和支撐方式、合適的管道撓度設(shè)置來消除應(yīng)力對(duì)系統(tǒng)的破壞。安全閥的排放系統(tǒng)分為開式和閉式兩種，計(jì)算其應(yīng)力分析采用不同的方法。

3.滿足工藝要求

在三種情況下,除了對(duì)安全閥的進(jìn)出口管道應(yīng)予以伴熱外,安全閥出口管的朝向必須向下,以防止出口管中積液,導(dǎo)致安全閥出口背壓增加,使安全閥不能在設(shè)定的壓力下起跳,同時(shí)由于出口管積液,氣體的流通截面積減少,會(huì)影響安全閥的流通能力,進(jìn)而引起水鎚沖擊破壞管路。這三種情況是:

（1）高寒地區(qū)排放含易冷凝的氣體;

（2）泄壓排放易凝結(jié)的重質(zhì)燃料油等油品;

（3）泄壓的氣體中濕含量大,易造成出口管中水分在冬天冷凝結(jié)冰。

4.滿足國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

對(duì)于可燃、有毒氣體向大氣排放時(shí)，應(yīng)滿足GB/T50160-20098《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》以及其他國家環(huán)保衛(wèi)生規(guī)定。

5.安全閥安裝標(biāo)高與位置

在設(shè)備或管道上的安全閥一般應(yīng)直立安裝，其安裝位置應(yīng)盡量靠近被保護(hù)的設(shè)備或管道，但安全閥不應(yīng)安裝在長達(dá)水平管道的死端，以免液體或固體集聚，因此,安全閥宜布置在靠近管廓或在管廓的頂部平臺(tái)上。對(duì)于高塔,一般布置在冷凝器的操作平臺(tái)邊緣位置上,此平臺(tái)一般均高于管廊上火炬氣匯總管的標(biāo)高。安全閥一般應(yīng)盡量集中布置在易于接近的平臺(tái)上,這樣既便于配管,也便于安全閥定期校驗(yàn)定壓時(shí)的拆卸，安全閥有時(shí)起跳后復(fù)不到位而漏氣,需要整修。安全閥入口管道應(yīng)布置成能自泄到被保護(hù)的設(shè)備或管道主管內(nèi)。

排放水蒸汽的安全閥或干氣(如氮、氫合成氣)等的安全閥也可以直接向大氣排放,直接向大氣排放的安全閥出口管道應(yīng)考慮以下各點(diǎn)：

（1）安全閥的排出口不能朝向臨近設(shè)備、平臺(tái)、梯子、電纜等。

（2）安全閥的出口管端部切成平口，以便使排出物直接向上高速排出，遠(yuǎn)離平臺(tái)等有人通過之處，減少對(duì)周圍環(huán)境的影響。

（3）安全閥出口管端位置高于安全閥時(shí)，在出口管道的水平管段的底部應(yīng)開Φ6～10mm的淚孔，以避免雨雪或冷凝液集聚在排出管內(nèi)。

（4）排放口要高出以排放口為中心的7.5m半徑內(nèi)的地面、設(shè)備、操作平臺(tái)2.5m以上，對(duì)于有毒、或有腐蝕性、或易燃物料，應(yīng)按有關(guān)規(guī)范執(zhí)行。當(dāng)允許排向大氣時(shí)，排放口要高出已排放口為中心的15m半徑范圍內(nèi)的地面設(shè)備、操作平臺(tái)3m以上。

（5）安全閥出口管道應(yīng)妥善支撐，以防泄壓時(shí)過大彎矩造成管道應(yīng)力值超過許用應(yīng)力范圍，支撐方法應(yīng)根據(jù)安全閥所在的設(shè)備或管道附屬構(gòu)件的具體情況而定。當(dāng)安全閥出口排入大氣時(shí)，在出口管中心線產(chǎn)生與流向相反的作用力，安全閥出口處應(yīng)合理設(shè)置支架以承受反作用力。

6.安全閥出口介質(zhì)密閉排放

（1）安全閥出口管朝向向下,意味著安全閥的安裝標(biāo)高必須高于火炬氣匯集管的標(biāo)高，能自泄到排放總管內(nèi)。

（2）安全閥的排放管道應(yīng)坡向主管，盡量避免袋型彎，無法避免時(shí)，在低點(diǎn)要設(shè)易接近的放凈閥，對(duì)于易凝汽體，在低點(diǎn)設(shè)蒸汽伴熱管，以免積液。

（3）排放管與主管的連接，應(yīng)順介質(zhì)流向45°角斜接到放空總管頂部，既可以防止總管內(nèi)的凝液倒入支管，又可降低管路壓力降，DN≤40的管子可以90°垂直連接。

（4）安全閥出口管道應(yīng)妥善支撐，以防泄壓時(shí)過大彎矩造成管道應(yīng)力值超過許用應(yīng)力范圍，支撐方法應(yīng)根據(jù)安全閥所在的設(shè)備或管道附屬構(gòu)件的具體情況而定。

（5）應(yīng)防止出現(xiàn)任何可能導(dǎo)致排放管道阻塞的條件，必要時(shí)應(yīng)設(shè)置排泄孔，以防止雨、雪、冷凝液等積聚在排放管中。安全閥的排放及疏液應(yīng)導(dǎo)至安全地點(diǎn)，應(yīng)特別注意危險(xiǎn)介質(zhì)的排放及疏液。

四.各裝置火炬氣支管與匯總管的連接

由上述可知,當(dāng)不同裝置共用一個(gè)火炬時(shí),原則上各裝置火炬氣支管的標(biāo)高應(yīng)高于火炬氣匯總管標(biāo)高,這是由防止火炬氣管道形成袋形管及火炬氣向前進(jìn)方向2‰的坡度要求所決定的。但實(shí)際上這一要求難以做到,因此,各裝置的火炬氣支管在進(jìn)入?yún)R總管前設(shè)置火炬氣分離罐以便分離掉火炬氣支管中的積液,不致使各裝置內(nèi)管廊設(shè)置的標(biāo)高太高,以節(jié)省投資。

當(dāng)不同裝置共用一個(gè)公用火炬時(shí),各裝置的孔板或流量計(jì)輸入10Nm3/h氮?dú)?以免易燃?xì)怏w相互流竄,有利于停車檢修裝置的安全。總之,安全閥配管的關(guān)鍵是避免出口管積液,火炬氣最上游末端應(yīng)設(shè)氮?dú)獯祾吖艿?通過限流保持火炬氣管網(wǎng)的通暢。

結(jié)束語

安全閥為化工生產(chǎn)裝置安全生產(chǎn)保駕護(hù)航，職責(zé)重大，其進(jìn)、出口管道的設(shè)計(jì)關(guān)系安全閥能否正常運(yùn)行。安全閥進(jìn)、出口管道設(shè)計(jì)應(yīng)該是比較復(fù)雜的，本文從滿足安全閥流速要求，保證安全閥運(yùn)行平穩(wěn)、可靠等方面結(jié)合國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)安全閥管道設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，供設(shè)計(jì)同行以及化工生產(chǎn)企業(yè)參考。

[1]HG/T20570.2-1995安全閥的設(shè)置和選用[S].1996.

[2]王松漢等.石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)：第4卷 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.