安全閥計算PPT課件第一章安全閥基礎概念什么是安全閥?安全閥是保護壓力容器和管道系統(tǒng)防止超壓事故的關鍵安全附件。當系統(tǒng)壓力超過預設值時,安全閥能夠自動開啟進行泄壓,將過剩壓力釋放到安全區(qū)域,從而防止設備損壞和重大安全事故的發(fā)生。安全閥的主要功能壓力限制保護防止系統(tǒng)壓力超過設計極限值,避免設備因超壓而發(fā)生破裂、爆炸等嚴重事故自動泄壓功能實現超壓時的自動泄放,無需人工干預即可快速降低系統(tǒng)壓力至安全范圍安全保障安全閥的分類與結構型式1按加載機構分類彈簧式安全閥:利用彈簧預緊力作為加載機構,結構緊湊,應用最廣泛,適用于各種介質和工況杠桿式安全閥:采用杠桿和重錘加載,調節(jié)方便但體積較大,多用于大口徑低壓場合靜重式安全閥:直接利用重物加載,結構簡單可靠,但反應較慢,主要用于儲罐等低壓容器2按開啟高度分類全啟式安全閥:閥瓣開啟高度≥0.25倍喉徑,泄放面積大,適用于氣體、蒸汽等可壓縮介質微啟式安全閥:閥瓣開啟高度為(0.05~0.25)倍流道直徑,適用于液體介質或小排量場合3按介質工況選擇不同介質和工作條件需要選擇相應的安全閥類型。高溫高壓蒸汽系統(tǒng)通常選用全啟式彈簧安全閥;液體系統(tǒng)可選用微啟式安全閥;有毒有害介質需配備密閉排放系統(tǒng)。安全閥結構示意圖主要部件說明閥瓣(閥芯):移動部件,控制流道的開啟與關閉閥座:固定部件,與閥瓣形成密封副彈簧:提供預緊力,決定整定壓力調整螺桿:調節(jié)彈簧壓縮量,設定開啟壓力密封與導向系統(tǒng)導向套:保證閥瓣運動平穩(wěn)準確密封面:關鍵接觸面,決定密封性能閥蓋與鉛封:保護內部機構,防止隨意調整排放管接口:連接泄放系統(tǒng)第二章安全閥關鍵參數解析準確理解和掌握安全閥的關鍵技術參數是進行正確計算和選型的前提。本章將詳細解析整定壓力、開啟壓力、泄放壓力、背壓等核心概念及其相互關系。整定壓力(SetPressure)01定義與確定整定壓力是安全閥閥瓣開始開啟時的預定壓力值。根據規(guī)范要求,通常設定為設備最高工作壓力的1.05~1.10倍,既保證正常工作時不誤動作,又能在超壓時及時開啟保護。02調整方法通過旋轉調整螺桿改變彈簧的預緊力來實現整定壓力的調節(jié)。順時針旋轉增大預緊力,提高整定壓力;逆時針旋轉降低預緊力,降低整定壓力。調整后必須進行校驗確認。03重要注意事項嚴禁在介質壓力接近整定壓力90%以上時進行調整,此時閥瓣處于微動狀態(tài),調整操作可能導致密封面損傷。調整完成后必須鉛封鎖定,防止未經授權的改動。實踐提示:整定壓力的選擇需綜合考慮容器設計壓力、工作壓力、壓力波動范圍及相關規(guī)范要求。對于重要場合,建議預留10-15%的壓力裕度。開啟壓力與泄放壓力開啟壓力(PopPressure)開啟壓力是安全閥閥瓣實際開始離開閥座,介質開始泄放的壓力點。在理想狀態(tài)下,開啟壓力應等于整定壓力,但實際運行中可能存在±3%的偏差。開啟壓力受多種因素影響,包括介質特性、背壓大小、閥門制造精度等。定期校驗可確保開啟壓力保持在允許范圍內。泄放壓力(DischargePressure)泄放壓力是安全閥完全開啟進行充分泄放時的壓力值,通常略高于整定壓力。對于彈簧式安全閥,泄放壓力一般為整定壓力的1.03~1.10倍。泄放壓力的設定要確保在此壓力下,安全閥的泄放能力能夠滿足系統(tǒng)的最大泄放需求,同時系統(tǒng)壓力不會繼續(xù)上升超過允許的最大壓力值。背壓的影響靜背壓安全閥出口側在泄放前就存在的恒定壓力,如排放管道中的靜態(tài)壓力動背壓由于介質流動產生的壓力損失,僅在泄放時存在,與流量成正比總背壓影響總背壓=靜背壓+動背壓,影響閥瓣開啟特性和泄放能力背壓對安全閥性能有顯著影響。當背壓較高時(通常指超過整定壓力的10%),會影響閥瓣的開啟高度和泄放流量,必須選用平衡波紋管式安全閥或導閥式安全閥。設計排放系統(tǒng)時,應盡量降低背壓,采用短直管道、減少彎頭、增大管徑等措施。對于常規(guī)彈簧式安全閥,背壓建議控制在整定壓力的10%以內;對于平衡波紋管式安全閥,可允許背壓達到整定壓力的30-50%。第三章安全閥計算基礎安全閥計算是設計選型的核心環(huán)節(jié),包括泄放量確定、流動狀態(tài)判斷、泄放面積計算等關鍵內容。本章將系統(tǒng)介紹各類介質的計算方法及相關標準規(guī)范。泄放量的確定事故工況分析確定系統(tǒng)可能發(fā)生的各種超壓事故場景,包括:外部火災導致的介質膨脹或氣化冷卻或攪拌系統(tǒng)失效控制系統(tǒng)失靈導致的進料過量化學反應失控或異常放熱換熱器管束破裂導致的熱媒泄漏需計算每種工況下的最大可能泄放量,取其中最大值作為設計依據。非火災與火災工況非火災工況:根據具體事故原因計算泄放量,如控制失效時的最大進料速率、反應失控時的最大產氣速率等火災工況:按照容器外表面積計算火災時的吸熱量和介質氣化量,是儲罐類設備的主要考慮工況火災工況泄放量計算公式:Q=21000×F×A^0.82(W)其中F為環(huán)境系數,A為受火面積(m2)計算依據標準國內主要參考:GB150.1~150.4《壓力容器》附錄相關內容GB/T12241《安全閥一般要求》TSG21《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》國際標準參考API520《Sizing,Selection,andInstallationofPressure-relievingDevices》和API521《Pressure-relievingandDepressuringSystems》氣體和蒸汽泄放量計算公式流動狀態(tài)判斷首先需要判斷流動狀態(tài),根據臨界壓力比確定:其中P?為閥門入口壓力(絕對壓力),P?為閥門出口壓力(絕對壓力)臨界流動計算當r≤r_critical(對于空氣約為0.528)時,為臨界流動狀態(tài)質量流量計算公式:式中:W—質量流量(kg/h)C—氣體特性系數K_d—排放系數(0.975)P?—入口壓力(MPaabs)A—泄放面積(mm2)M—分子量Z—壓縮因子T?—入口溫度(K)亞臨界流動計算當r>r_critical時,為亞臨界流動狀態(tài),需考慮背壓影響修正后的計算公式:其中F?為背壓修正系數:k為比熱比(絕熱指數)亞臨界流動時泄放能力降低,設計時應盡量避免或采用更大的泄放面積。液體泄放量計算方法液體膨脹量計算液體受熱膨脹導致的超壓是常見工況,泄放量計算公式:其中:Q—泄放量(kg/h)B—體積膨脹系數(1/°C)H—加熱速率(kJ/h)V—液體容積(L)C?—定壓比熱容(kJ/(kg·°C))換熱器破裂工況換熱器管束破裂是危險工況,高壓側介質泄漏到低壓側可能導致快速超壓。泄放量等于管束破裂時的最大泄漏量:通常假設單根管完全斷裂,或多根管部分破裂。K為流量系數(0.6-0.8),A_hole為破口面積,ρ為液體密度,ΔP為壓差。液體安全閥尺寸計算已知泄放量后,計算所需泄放面積:式中K_d為排放系數,K_v為粘度修正系數,g為重力加速度(9.81m/s2),ρ為液體密度(kg/m3),ΔP為閥進出口壓差(Pa)第四章安全閥尺寸與選型計算完成泄放量計算后,需要根據計算結果確定安全閥的喉徑、閥座口徑和公稱直徑,并選擇合適的彈簧工作壓力等級。本章介紹詳細的尺寸計算方法和選型原則。喉徑與閥座口徑計算全啟式安全閥喉徑計算全啟式安全閥的關鍵尺寸是喉徑d?,由最小泄放面積A確定:計算得出的喉徑需要向上圓整到標準系列,常用標準喉徑系列(mm):6,8,10,13,16,20,25,32,40,50,65,80,100,125,150,200閥座口徑d?與喉徑的關系:對于全啟式安全閥,閥座口徑d?≈(1.0~1.2)×d?閥座口徑通常與喉徑相同或略大,確保流通能力。微啟式安全閥閥座口徑計算微啟式安全閥直接計算閥座口徑d?:微啟式安全閥開啟高度h=(0.05~0.25)×d?,流通面積:選型時的安全裕度:理論計算面積乘以安全系數1.1~1.25考慮制造偏差和運行中的性能衰減避免長期在接近滿負荷狀態(tài)下運行安全閥公稱直徑的確定01查閱閥門樣本根據計算得出的最小泄放面積A和整定壓力,查閱安全閥制造商的產品樣本,找到滿足泄放面積要求且整定壓力在工作壓力范圍內的安全閥型號。02確定公稱直徑DN安全閥的公稱直徑(DN)是連接法蘭的尺寸,與喉徑不同。同一公稱直徑的安全閥可能有不同的喉徑規(guī)格。選擇時要確保:閥門實際泄放面積≥計算所需最小泄放面積公稱壓力等級滿足系統(tǒng)壓力要求接口尺寸與管道匹配03避免常見錯誤尺寸過大:整定壓力下泄放量過大,可能導致頻繁起跳(chattering),影響密封壽命和系統(tǒng)穩(wěn)定性尺寸過小:泄放能力不足,無法有效控制壓力,存在安全隱患正確選型應使安全閥在設計泄放量下開啟度為60-80%,既保證泄放能力,又避免頻跳。彈簧工作壓力等級選擇安全閥彈簧按工作壓力范圍分為不同等級,每個等級覆蓋一定的整定壓力范圍。選擇合適的彈簧等級對安全閥性能至關重要。1確定整定壓力根據設備工作壓力和規(guī)范要求確定整定壓力Ps2查找彈簧等級在產品樣本中查找包含該整定壓力的彈簧等級代號3驗證壓力范圍確認彈簧調節(jié)范圍能夠覆蓋整定壓力,留有適當調整余地4更換與標識彈簧更換后必須更新銘牌數據,重新校驗并鉛封重要提示:彈簧工作壓力等級的選擇應使整定壓力位于彈簧調節(jié)范圍的中間區(qū)域(30-70%),避免在端部位置,以保證調節(jié)精度和彈簧使用壽命。彈簧是安全閥的核心部件,其性能直接影響整定壓力的穩(wěn)定性。定期檢查彈簧有無腐蝕、裂紋、永久變形,必要時及時更換。彈簧材料應根據介質溫度選擇,高溫場合需選用耐高溫彈簧材料。第五章安全閥設計選型規(guī)范與標準安全閥的設計、選型、安裝和維護必須遵循相關國家標準和行業(yè)規(guī)范。本章介紹國內外主要標準體系及其關鍵要求,為工程實踐提供依據。國內外主要標準介紹中國國家標準GB/T12241-2021《安全閥一般要求》規(guī)定了安全閥的術語定義、分類、技術要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、標志和使用說明書等基本內容,是我國安全閥設計制造的基礎標準。GB/T38599-2020《安全閥性能試驗方法》詳細規(guī)定了安全閥開啟壓力、排放壓力、回座壓力、密封試驗等性能參數的試驗方法和判定準則,是產品檢驗和驗收的依據。其他相關標準:GB150《壓力容器》、TSG21《固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》等美國石油學會標準API520《泄壓裝置的尺寸確定、選型和安裝》石油化工行業(yè)廣泛采用的標準,提供了詳細的泄放量計算方法、安全閥尺寸確定程序、安裝要求等,包含大量計算圖表和實例。API521《壓力釋放和泄壓系統(tǒng)》規(guī)定了泄壓系統(tǒng)的設計原則、泄放量確定方法、排放系統(tǒng)設計等內容,與API520配套使用,涵蓋整個壓力釋放系統(tǒng)。國際標準化組織標準ISO4126系列標準國際通用的安全閥標準體系,包括:ISO4126-1:安全閥一般要求ISO4126-2:爆破片安全裝置ISO4126-7:泄放面積通用數據ISO標準在歐洲及其他國家廣泛應用,與國內標準在技術要求上基本一致,但在試驗方法和標識要求上存在差異。安全閥設置與安裝要求安全閥數量與布置原則每臺壓力容器至少應裝設一個安全閥。以下情況需要增加安全閥數量:單個安全閥泄放能力不能滿足要求時,應設置兩個或多個安全閥有不同操作壓力的壓力容器,應分別設置安全閥固定式容器的不同截面如需單獨保護,應分別裝設安全閥裝有易燃、毒性危險介質的容器,應設置備用安全閥多個安全閥并聯時,至少有一個整定壓力不大于容器設計壓力的1.05倍,其他安全閥整定壓力可適當提高,但不得超過設計壓力的1.15倍。機械連鎖裝置及鉛封要求安全閥與壓力容器之間一般應直接連接,不得裝設截止閥門。如因生產需要必須裝設截止閥門時,應符合以下要求:截止閥必須全開并采用鉛封鎖定,保證安全閥隨時可用應裝設可靠的連鎖裝置,確保在截止閥關閉時設備不能投入運行安全閥的調整螺桿必須加鎖或鉛封,防止未經授權的調整在線檢測與定期校驗規(guī)范安全閥應定期進行校驗,校驗周期一般不超過1年。對于介質潔凈、工況穩(wěn)定的系統(tǒng),在滿足在線監(jiān)測條件下可適當延長至3年。校驗內容包括整定壓力、密封性能、動作靈敏度等。校驗合格后應加注鉛封,并記錄校驗日期、整定壓力等信息。第六章安全閥計算實例解析通過完整的工程實例,展示安全閥從工況分析、參數確定、泄放量計算到尺寸選型的全過程,幫助理解理論知識在實際工程中的應用。實例背景介紹某壓縮空氣儲罐安全閥選型計算設備參數設備類型:壓縮空氣儲罐容積:5m3設計壓力:1.0MPa(G)設計溫度:150°C工作壓力:0.8MPa(G)工作溫度:40°C介質條件介質:壓縮空氣分子量M=29比熱比k=1.4壓縮因子Z=1.0臨界壓力比r_critical=0.528管道系統(tǒng)安全閥入口管道:DN50出口排放管道:DN65排放至大氣,背壓可忽略管道長度:入口2m,出口8m設計工況:考慮壓縮機出口調節(jié)閥失靈,導致持續(xù)向儲罐充氣的事故工況。需確定安全閥規(guī)格,確保儲罐壓力不超過設計壓力的1.1倍。泄放壓力與泄放量計算第一步:確定安全閥整定壓力和泄放壓力整定壓力P_s=1.05×設計壓力=1.05×1.0=1.05MPa(G)泄放壓力P_d=1.10×設計壓力=1.10×1.0=1.10MPa(G)=1.20MPa(abs)第二步:判斷流動狀態(tài)背壓P?=0.101MPa(abs)(大氣壓)壓力比r=P?/P_d=0.101/1.20=0.084<0.528→臨界流動第三步:確定泄放量假設壓縮機最大輸出流量為1000kg/h(根據壓縮機性能曲線確定)考慮1.2倍安全系數:設計泄放量W=1000×1.2=1200kg/h第四步:計算最小泄放面積使用臨界流動公式計算氣體特性系數C:C=0.03948×√[1.4×(2/2.4)^3.5]=0.0317計算所需泄放面積:代入數據:T=40+273=313K,K_d=0.975A=1200/(0.0317×0.975×1.20×√(29/(1.0×313)))=310mm2計算喉徑:d?=√(4A/π)=√(4×310/3.14)=19.9mm安全閥型號與尺寸選定查閱產品樣本根據喉徑19.9mm,向上圓整到標準系列,選擇喉徑20mm的安全閥。查閱某品牌安全閥樣本,找到以下符合要求的型號:型號:A48Y-16C公稱直徑:DN40喉徑:20mm實際泄放面積:314mm2公稱壓力:1.6MPa驗證泄放能力根據產品樣本提供的泄放系數,計算該型號安全閥的實際泄放量:W_actual=0.0317×0.975×1.20×314×√(29/(1.0×313))=1220kg/h實際泄放量1220kg/h>設計泄放量1200kg/h?滿足要求選擇彈簧等級整定壓力1.05MPa,查產品樣本彈簧等級表,選擇壓力范圍0.8-1.2MPa的彈簧,彈簧代號為"E"級。最終選型結果安全閥完整型號:A48Y-16CDN40E級彈簧配套法蘭:HG20592-2009PN16DN40RF排放管道:建議DN50,確保背壓<10%整定壓力校核管道壓力降及背壓影響入口管道壓力降校核安全閥入口管道產生的壓力降會導致閥門實際入口壓力低于容器壓力,影響泄放能力。入口壓力降應控制在整定壓力的3%以內。采用Darcy-Weisbach公式計算:其中:f=摩擦系數≈0.02L=管道長度=2mD=管道內徑=0.05mρ=氣體密度(1.2MPa,313K)≈14kg/m3v=流速=W/(ρ×A)=1220/(14×0.00196×3600)≈12.5m/sΔP_in=0.02×(2/0.05)×(14×12.52/2)=437Pa≈0.0044MPa壓力降占比=0.0044/1.05=0.42%<3%?排放管道背壓校核出口管道長度8m,DN65管道,計算排放時的動背壓:ΔP_out=0.02×(8/0.065)×(5×152/2)≈1400Pa≈0.014MPa背壓占比=0.014/1.05=1.3%<10%?背壓影響很小,可忽略,不需要選用平衡波紋管式安全閥。實際應用反饋該安全閥安裝運行后,表現良好。在一次壓縮機調節(jié)閥故障時,安全閥及時開啟泄壓,將儲罐壓力控制在1.08MPa,成功防止了超壓事故。安全閥開啟后平穩(wěn)泄放,無頻跳現象,壓力降低至0.95MPa后準確回座,密封良好。定期校驗顯示整定壓力穩(wěn)定在1.05±0.02MPa范圍內,性能符合設計要求。第七章安全閥維護與檢驗安全閥的可靠運行離不開規(guī)范的維護保養(yǎng)和定期檢驗。本章介紹安全閥的檢測方法、校驗程序及維護要點,確保安全閥始終處于良好工作狀態(tài)。在線檢測與離線校驗目視檢查定期檢查安全閥外觀,重點關注:閥體有無腐蝕、裂紋、變形彈簧有無銹蝕、斷裂密封面有無損傷、積垢鉛封、標牌是否完好連接螺栓有無松動泄漏檢測在線檢測安全閥密封性能:采用超聲波檢測儀檢測微小泄漏觀察出口法蘭或排放管是否有介質痕跡監(jiān)測系統(tǒng)壓力波動情況發(fā)現泄漏應及時處理,嚴重時需更換功能測試與離線校驗定期進行離線校驗(通常1年):拆卸安全閥送至專業(yè)校驗臺測試整定壓力、密封性能檢查回座壓力、頻跳特性必要時進行研磨、更換密封件校驗合格后重新鉛封標識延長校驗周期的條件滿足以下條件時,可將校驗周期延長至2-3年:介質潔凈,無腐蝕性,不易結垢工況穩(wěn)定,壓力波動小,未曾開啟動作安裝在線監(jiān)測裝置,實時監(jiān)控密封狀態(tài)有完善的維護記錄,歷次校驗結果良好經安全管理部門批準但對于有毒、易燃、易爆介質的安全閥,不得延長校驗周期,必須嚴格按規(guī)定進行年度校驗。維護注意事項1避免頻跳及密封面損傷頻跳(chattering)是安全閥快速連續(xù)開啟關閉的現象,會導致