化工壓力容器安全閥的設(shè)置與安裝設(shè)計(jì)

程京山,夏德富，楊繼有

(天津長蘆海晶集團(tuán)有限公司，天津 300450)

在化工生產(chǎn)中，當(dāng)發(fā)生操作失誤、設(shè)備故障或外部火災(zāi)時(shí)，承壓設(shè)備的操作壓力有可能異常升高，為了防止鍋爐、壓力容器和壓力管道等承壓設(shè)備因各種事故造成超壓而發(fā)生破壞或爆炸，化工生產(chǎn)設(shè)備必須設(shè)置超壓泄放裝置，保護(hù)設(shè)備的安全運(yùn)行。

化工壓力容器常用的安全泄放裝置一般采用安全閥和爆破片。爆破片是一次性使用，膜片破裂后不能復(fù)原,需停車更換新膜片后才能繼續(xù)運(yùn)行，損失較大，費(fèi)用高；而安全閥卻能起到自動泄壓的作用，當(dāng)被保護(hù)設(shè)備內(nèi)介質(zhì)壓力異常升高達(dá)到規(guī)定值時(shí)，安全閥利用介質(zhì)自身的壓力自動開啟，繼而全量排放，當(dāng)泄放出超壓部分介質(zhì)，容器操作壓力降低到設(shè)計(jì)規(guī)定值時(shí)，閥門自動關(guān)閉，阻止介質(zhì)繼續(xù)泄出，容器能很快恢復(fù)正常運(yùn)行，安全閥可以重復(fù)使用。

在壓力容器設(shè)計(jì)中，安全泄放裝置的設(shè)置與選用是非常重要的，直接影響設(shè)備的安全運(yùn)行。安全閥是壓力容器上使用最多的安全泄放裝置。文章就工程設(shè)計(jì)中如何正確設(shè)置與選用安全閥做一總結(jié)，通過實(shí)例，介紹安全閥的安裝設(shè)計(jì)。

1 安全閥設(shè)置與選用要求

1.1 安全閥的設(shè)置原則

安全閥設(shè)置的基本原則是適用于低粘度、清潔、無固體顆粒的液體或氣體介質(zhì)，當(dāng)有固體顆粒的場合需要設(shè)置安全閥時(shí)，必須在安全閥前加裝過濾裝置，而過濾裝置必須保證不會影響安全閥排放性能。

需要設(shè)置安全泄放裝置，但不適合安裝安全閥的場合，一般應(yīng)安裝爆破片或爆破片與安全閥串聯(lián)使用；當(dāng)安全閥的外部火災(zāi)工況的泄放量與其他工況超壓泄放量相差很大時(shí)，應(yīng)選用安全閥與爆破片并聯(lián)，爆破片僅用于火災(zāi)情況下的超壓泄放。

特別指出，因物料爆聚、分解造成超溫、超壓可能引起火災(zāi)、爆炸的反應(yīng)容器，除按要求設(shè)置泄壓排放設(shè)施，還應(yīng)設(shè)自動報(bào)警，以及自動或手動遙控的緊急切斷進(jìn)料設(shè)施。

1.2 必須安裝安全閥的壓力容器

化工設(shè)備存在各種運(yùn)行工況，除正常生產(chǎn)外，還有試車、檢修、試驗(yàn)、停產(chǎn)等情況，設(shè)備的操作狀態(tài)不同，運(yùn)行參數(shù)各不相同。由于設(shè)備故障、工藝事故、自控事故、電力事故、火災(zāi)事故和公用工程事故都可能引起容器的超壓。綜合考慮各種工況下可能發(fā)生的事故最大可能性，只要存在壓力容器操作壓力超過其設(shè)計(jì)壓力的事故工況，壓力容器必須裝設(shè)安全泄放裝置，首選安全閥。

(1)對于全氣相、全液相或氣液兩相直接連通的容器，當(dāng)氣體出口有切斷閥與其它系統(tǒng)分開時(shí)，必須設(shè)置安全閥，如壓縮空氣儲罐、鍋爐分汽缸、液化氣體儲罐、氨液分離器、氯氣緩沖罐等。

(2)容器內(nèi)壓力介質(zhì)來源于未設(shè)安全閥的裝置。如液氯汽化器等。

(3)設(shè)計(jì)壓力小于外部壓力源，即使通向壓力容器進(jìn)口的管道上裝設(shè)了減壓閥，如果沒有其它泄放安全設(shè)施，容器本身必須設(shè)置安全閥。比如設(shè)計(jì)壓力小于鍋爐系統(tǒng)壓力的分汽缸。

(4)容器壓力來源于容積式泵和壓縮機(jī)的出口。如壓縮空氣儲罐和緩沖罐。

(5)由于系統(tǒng)有較多無法排放的不凝氣，不凝氣的累積會使容器產(chǎn)生超壓，如蒸餾塔的塔頂冷凝器等裝置。

(6)在設(shè)備進(jìn)出口可能同時(shí)關(guān)閉，導(dǎo)致容器受熱后介質(zhì)升壓的液化氣、可燃?xì)怏w或液體受熱膨脹，可能超出設(shè)計(jì)壓力的設(shè)備。如制冷設(shè)備壓力容器。

(7)連接凝氣透平機(jī)的蒸汽出口的容器。

(8)在經(jīng)常超壓的場合以及溫度波動很大的場合使用的容器。

(9)行業(yè)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)指定必須裝設(shè)安全閥的容器。

1.3 不適合設(shè)置安全閥的壓力容器

(1)有突然超壓或發(fā)生瞬時(shí)分解爆炸危險(xiǎn)物料的反應(yīng)設(shè)備。

(2)泄放介質(zhì)本身含有固體顆粒，或者排放介質(zhì)屬于易結(jié)晶、易沉淀、易聚合及黏度較大的容器。

(3)烈性劇毒介質(zhì)，或者介質(zhì)本身非常貴重，對設(shè)備密封有嚴(yán)格的要求，不允許有任何微量泄漏的容器。

(4)介質(zhì)有強(qiáng)腐蝕性，使用安全閥的話，須使用特殊材料，造價(jià)過高。

(5)當(dāng)工作壓力小于0.2 MPa或者大于100 MPa時(shí)，此時(shí)安全閥制造難度大。

(6)安全閥口徑一般都不大，常用的都在DN15 mm～DN80 mm之間，超過150 mm一般都稱為大口徑安全閥，當(dāng)需要較大泄放面積時(shí)，容器使用安全閥結(jié)構(gòu)笨重。

(7)對于低溫容器，系統(tǒng)溫度低，影響安全閥的正常性能的設(shè)備。

2 安全閥的型式選擇

2.1 安全閥的分類

(1)按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T12241-2005《 安全閥一般要求》進(jìn)行分類

該標(biāo)準(zhǔn)按安全閥平衡介質(zhì)內(nèi)壓的方式進(jìn)行分類，分為以下四種：

①直接載荷式。僅靠直接的機(jī)械加載裝置來平衡介質(zhì)壓力的安全閥，主要有彈簧式和杠桿式，彈簧式是指閥瓣與閥座的密封靠彈簧的壓力，杠桿式是靠杠桿和重錘的作用力。對于一般容器大多數(shù)選用彈簧式安全閥,該類閥的設(shè)定壓力由彈簧控制，其動作特性也受背壓的限制，但結(jié)構(gòu)緊湊，靈敏度高，使用經(jīng)驗(yàn)豐富。

②帶動力載荷式。借助輔助動力裝置，可以在壓力低于正常整定壓力時(shí)開啟。即使該裝置失靈，閥門仍能滿足達(dá)到泄放壓力時(shí)可靠地釋放。

③帶補(bǔ)充載荷式。這種安全閥在進(jìn)口壓力達(dá)到泄放壓力前始終保持有一個(gè)用于增強(qiáng)密封的附加力。該附加力即為補(bǔ)充載荷，可由外部能源提供，而在安全閥進(jìn)口壓力達(dá)到釋放壓力時(shí)仍能夠可靠地泄放。

④先導(dǎo)式。由主安全閥和輔助閥組成。當(dāng)管道內(nèi)介質(zhì)壓力超過規(guī)定值時(shí)，輔助閥先開啟，介質(zhì)沿著導(dǎo)管進(jìn)入主安全閥，并將主安全閥打開，使增高的介質(zhì)壓力降低。該類安全閥的設(shè)定壓力由導(dǎo)閥控制，其動作性能基本上不受背壓的影響，當(dāng)導(dǎo)閥失靈時(shí)，主閥仍能在不超過泄放壓力時(shí)自動開啟，并排出額定泄放量。該類安全閥通常只適用于安全泄放量很大的容器。

(2)按閥瓣開啟高度分類

安全閥的排放量決定于閥座的口徑與閥瓣的開啟高度，分為兩種

①全啟式：h≥d0/4，h表示開啟高度,d0表示安全閥閥座喉部直徑。適用于安全泄放量較大的場合。

②微啟式：d0/4>h≥d0/40，適用于安全泄放量較小和要求壓力較平穩(wěn)的場合。

(3)按結(jié)構(gòu)不同分類

①封閉式和不封閉式。對于有毒介質(zhì)、易燃易爆介質(zhì)，應(yīng)采用封閉式安全閥,排出的介質(zhì)不外泄，全部沿排放管導(dǎo)入回收容器內(nèi)或者引入其它安全地點(diǎn),以避免污染、中毒、燃燒和爆炸事故的發(fā)生；對于蒸汽或惰性氣體等無毒或無腐蝕介質(zhì)選用不封閉式安全閥。

②帶扳手和不帶扳手。扳手的主要作用是檢查閥瓣的靈活程度,有時(shí)也可作緊急泄壓用。如需帶有提升機(jī)構(gòu),需采用帶扳手的安全閥。

③帶散熱片和不帶散熱片。對于開啟壓力大于3 MPa的蒸汽用安全閥，或介質(zhì)溫度超過300 ℃的氣體用安全閥,應(yīng)采用帶散熱片安全閥。

④有波紋管和沒有波紋管。一般安全閥都沒有波紋管。有波紋管結(jié)構(gòu)的安全閥為平衡型安全閥,適用于介質(zhì)腐蝕性較嚴(yán)重或背壓波動較大的情況。

⑤安全閥與管道連接方式分為螺紋和法蘭。

2.2 安全閥的選擇

在壓力容器設(shè)計(jì)中，根據(jù)介質(zhì)和工藝條件，按照安全閥的作用原理及特點(diǎn)選擇安全閥的型式。首先確定安全閥的材料，再合理確定封閉式或敞開式，然后確定內(nèi)壓平衡機(jī)構(gòu)、驅(qū)動形式、閥帽形式、有無波紋管，以及是否帶扳手和是否帶散熱片。

(1)安全閥材質(zhì)的選擇是安全閥選擇的基礎(chǔ)，應(yīng)根據(jù)介質(zhì)特點(diǎn)、操作壓力、操作溫度的不同情況分別選用，有鑄鐵、黃銅、鑄鋼、不銹鋼、高溫鋼等材質(zhì)。

(2)用于排放氣體和蒸汽介質(zhì)時(shí)，選用全啟式安全閥。由于化工壓力容器泄放介質(zhì)幾乎全部為氣相物質(zhì)，故化工設(shè)備一般應(yīng)選用全啟式安全閥。

(3)化工設(shè)備一般均選用彈簧式安全閥或先導(dǎo)式安全閥，彈簧式安全閥應(yīng)用最為普遍。

(4)對于鍋爐等承壓設(shè)備，當(dāng)泄放蒸汽、空氣及其他無害廉價(jià)介質(zhì)時(shí)，可以選用帶扳手的安全閥，便于對安全閥做定期開啟試驗(yàn)，以檢查安全閥開啟的靈活性。

(5)對于開啟壓力大于3 MPa的蒸汽用安全閥，或當(dāng)介質(zhì)溫度超過300 ℃時(shí)，應(yīng)采用帶散熱片的安全閥，防止泄放介質(zhì)直接沖蝕彈簧。

(6)除用于水、蒸汽、空氣、氮?dú)獾陌踩y外，化工用安全閥均應(yīng)選用封閉式安全閥。

(7)排放有腐蝕性、易結(jié)垢、易結(jié)焦，會影響安全閥彈簧正常工作時(shí)，應(yīng)選用波紋管安全閥。

(8)當(dāng)安全閥出口背壓是變動的，其變化量超過開啟壓力的10%，且小于30%時(shí)，應(yīng)選用波紋管安全閥。

(9)當(dāng)安全閥背壓大于其整定壓力30%以上，應(yīng)選用背壓平衡式安全閥或先導(dǎo)式安全閥。

(10)當(dāng)要求安全閥的密封性能特別好時(shí)，選用先導(dǎo)式安全閥。

(11)對于有毒、易燃易爆介質(zhì)，應(yīng)選用不流動式導(dǎo)閥，導(dǎo)閥打開時(shí)，也不向外排放危害介質(zhì)。

(12)對于一些特殊介質(zhì)，如氨氣、氯氣、氧氣等，必須選擇專用安全閥。

4 安全閥的安裝設(shè)計(jì)

安全閥能否正常工作與安裝是否正確有很大關(guān)系,安裝的位置、方式不適當(dāng),不但會失去應(yīng)有的作用,而且還會導(dǎo)致意外事故的發(fā)生。

安全閥一般應(yīng)直接垂直安裝在壓力容器的筒體或封頭上, 對于容器內(nèi)有氣、液兩相物料時(shí)安全閥必須裝在氣相部分。在特殊情況下,安全閥確實(shí)不便裝在壓力容器本體上,而需裝在出口管上時(shí),應(yīng)盡量減小安全閥與容器之間的管路阻力,連接管不應(yīng)有急轉(zhuǎn)彎、曲折、截面急劇縮小等,連接管的截面積不得小于安全閥的進(jìn)口面積。

壓力容器與安全閥之間不宜裝設(shè)中間切斷閥。對于盛裝易燃易爆、毒性程度為極度、高度、中度危害或粘性介質(zhì)的壓力容器,為便于安全閥更換、清洗, 可在壓力容器與安全閥之間裝設(shè)切斷閥,截止閥的結(jié)構(gòu)和通徑尺寸應(yīng)不妨礙安全閥正常泄放。壓力容器正常運(yùn)行時(shí),切斷閥必須保持全開,并加鉛封。

封閉式安全閥應(yīng)配制排放管 ,將氣體排放至室外或其他安全場所,排放管應(yīng)盡量避免過多彎曲、急轉(zhuǎn)彎, 以減小阻力,它的直徑應(yīng)不小于安全閥的出口直徑,排放管應(yīng)適當(dāng)支承,以免對安全閥產(chǎn)生過大的附加應(yīng)力或引起振動。

安全閥一般應(yīng)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, 如立式容器的安全閥, DN80以下者,應(yīng)安裝在平臺內(nèi)靠外側(cè), DN100 以上者安裝在平臺外靠平臺處,借平臺可以對閥門進(jìn)行維護(hù)、檢修和試驗(yàn)。

5 結(jié)語

(1)在化工壓力容器設(shè)計(jì)中，安全閥的設(shè)置與選用是非常重要的，直接決定設(shè)備本身直至整個(gè)生產(chǎn)裝置的安全使用，應(yīng)該引起全體設(shè)計(jì)人員的高度注意。需要特別指出的是，設(shè)備正確設(shè)置與選用安全閥不是一件小事，如果設(shè)計(jì)選用的安全閥的排放量小于設(shè)備的排放量，安全閥排氣后容器內(nèi)壓力仍會繼續(xù)上升，危及設(shè)備的安全，而按經(jīng)驗(yàn)以大代小又會造成浪費(fèi)。

(2)對于實(shí)際生產(chǎn)來講，在設(shè)備上加一個(gè)安全閥就多了一個(gè)泄漏點(diǎn)，管理上還要定期送檢，定期校驗(yàn)，實(shí)際上也并不是多設(shè)置安全閥生產(chǎn)就安全了，容器設(shè)計(jì)專業(yè)要注重了解工藝過程，與工藝專業(yè)相結(jié)合，按照本質(zhì)安全的設(shè)計(jì)原則，盡量避免事故工況的發(fā)生。而當(dāng)把安全閥設(shè)在加熱爐、透平機(jī)、容積泵、壓縮機(jī)類等設(shè)備出口管道上，容器與管道系統(tǒng)能公用一個(gè)安全閥，既減少投資還方便管理。