程京山,夏德富，杨继有

(天津长芦海晶集团有限公司，天津 300450)

在化工生产中，当发生操作失误、设备故障或外部火灾时，承压设备的操作压力有可能异常升高，为了防止锅炉、压力容器和压力管道等承压设备因各种事故造成超压而发生破坏或爆炸，化工生产设备必须设置超压泄放装置，保护设备的安全运行。

化工压力容器常用的安全泄放装置一般采用安全阀和爆破片。爆破片是一次性使用，膜片破裂后不能复原,需停车更换新膜片后才能继续运行，损失较大，费用高；而安全阀却能起到自动泄压的作用，当被保护设备内介质压力异常升高达到规定值时，安全阀利用介质自身的压力自动开启，继而全量排放，当泄放出超压部分介质，容器操作压力降低到设计规定值时，阀门自动关闭，阻止介质继续泄出，容器能很快恢复正常运行，安全阀可以重复使用。

在压力容器设计中，安全泄放装置的设置与选用是非常重要的，直接影响设备的安全运行。安全阀是压力容器上使用最多的安全泄放装置。文章就工程设计中如何正确设置与选用安全阀做一总结，通过实例，介绍安全阀的安装设计。

1 安全阀设置与选用要求

1.1 安全阀的设置原则

安全阀设置的基本原则是适用于低粘度、清洁、无固体颗粒的液体或气体介质，当有固体颗粒的场合需要设置安全阀时，必须在安全阀前加装过滤装置，而过滤装置必须保证不会影响安全阀排放性能。

需要设置安全泄放装置，但不适合安装安全阀的场合，一般应安装爆破片或爆破片与安全阀串联使用；当安全阀的外部火灾工况的泄放量与其他工况超压泄放量相差很大时，应选用安全阀与爆破片并联，爆破片仅用于火灾情况下的超压泄放。

特别指出，因物料爆聚、分解造成超温、超压可能引起火灾、爆炸的反应容器，除按要求设置泄压排放设施，还应设自动报警，以及自动或手动遥控的紧急切断进料设施。

1.2 必须安装安全阀的压力容器

化工设备存在各种运行工况，除正常生产外，还有试车、检修、试验、停产等情况，设备的操作状态不同，运行参数各不相同。由于设备故障、工艺事故、自控事故、电力事故、火灾事故和公用工程事故都可能引起容器的超压。综合考虑各种工况下可能发生的事故最大可能性，只要存在压力容器操作压力超过其设计压力的事故工况，压力容器必须装设安全泄放装置，首选安全阀。

(1)对于全气相、全液相或气液两相直接连通的容器，当气体出口有切断阀与其它系统分开时，必须设置安全阀，如压缩空气储罐、锅炉分汽缸、液化气体储罐、氨液分离器、氯气缓冲罐等。

(2)容器内压力介质来源于未设安全阀的装置。如液氯汽化器等。

(3)设计压力小于外部压力源，即使通向压力容器进口的管道上装设了减压阀，如果没有其它泄放安全设施，容器本身必须设置安全阀。比如设计压力小于锅炉系统压力的分汽缸。

(4)容器压力来源于容积式泵和压缩机的出口。如压缩空气储罐和缓冲罐。

(5)由于系统有较多无法排放的不凝气，不凝气的累积会使容器产生超压，如蒸馏塔的塔顶冷凝器等装置。

(6)在设备进出口可能同时关闭，导致容器受热后介质升压的液化气、可燃气体或液体受热膨胀，可能超出设计压力的设备。如制冷设备压力容器。

(7)连接凝气透平机的蒸汽出口的容器。

(8)在经常超压的场合以及温度波动很大的场合使用的容器。

(9)行业规范或标准指定必须装设安全阀的容器。

1.3 不适合设置安全阀的压力容器

(1)有突然超压或发生瞬时分解爆炸危险物料的反应设备。

(2)泄放介质本身含有固体颗粒，或者排放介质属于易结晶、易沉淀、易聚合及黏度较大的容器。

(3)烈性剧毒介质，或者介质本身非常贵重，对设备密封有严格的要求，不允许有任何微量泄漏的容器。

(4)介质有强腐蚀性，使用安全阀的话，须使用特殊材料，造价过高。

(5)当工作压力小于0.2 MPa或者大于100 MPa时，此时安全阀制造难度大。

(6)安全阀口径一般都不大，常用的都在DN15 mm～DN80 mm之间，超过150 mm一般都称为大口径安全阀，当需要较大泄放面积时，容器使用安全阀结构笨重。

(7)对于低温容器，系统温度低，影响安全阀的正常性能的设备。

2 安全阀的型式选择

2.1 安全阀的分类

(1)按国家标准GB/T12241-2005《 安全阀一般要求》进行分类

该标准按安全阀平衡介质内压的方式进行分类，分为以下四种：

①直接载荷式。仅靠直接的机械加载装置来平衡介质压力的安全阀，主要有弹簧式和杠杆式，弹簧式是指阀瓣与阀座的密封靠弹簧的压力，杠杆式是靠杠杆和重锤的作用力。对于一般容器大多数选用弹簧式安全阀,该类阀的设定压力由弹簧控制，其动作特性也受背压的限制，但结构紧凑，灵敏度高，使用经验丰富。

②带动力载荷式。借助辅助动力装置，可以在压力低于正常整定压力时开启。即使该装置失灵，阀门仍能满足达到泄放压力时可靠地释放。

③带补充载荷式。这种安全阀在进口压力达到泄放压力前始终保持有一个用于增强密封的附加力。该附加力即为补充载荷，可由外部能源提供，而在安全阀进口压力达到释放压力时仍能够可靠地泄放。

④先导式。由主安全阀和辅助阀组成。当管道内介质压力超过规定值时，辅助阀先开启，介质沿着导管进入主安全阀，并将主安全阀打开，使增高的介质压力降低。该类安全阀的设定压力由导阀控制，其动作性能基本上不受背压的影响，当导阀失灵时，主阀仍能在不超过泄放压力时自动开启，并排出额定泄放量。该类安全阀通常只适用于安全泄放量很大的容器。

(2)按阀瓣开启高度分类

安全阀的排放量决定于阀座的口径与阀瓣的开启高度，分为两种

①全启式：h≥d0/4，h表示开启高度,d0表示安全阀阀座喉部直径。适用于安全泄放量较大的场合。

②微启式：d0/4>h≥d0/40，适用于安全泄放量较小和要求压力较平稳的场合。

(3)按结构不同分类

①封闭式和不封闭式。对于有毒介质、易燃易爆介质，应采用封闭式安全阀,排出的介质不外泄，全部沿排放管导入回收容器内或者引入其它安全地点,以避免污染、中毒、燃烧和爆炸事故的发生；对于蒸汽或惰性气体等无毒或无腐蚀介质选用不封闭式安全阀。

②带扳手和不带扳手。扳手的主要作用是检查阀瓣的灵活程度,有时也可作紧急泄压用。如需带有提升机构,需采用带扳手的安全阀。

③带散热片和不带散热片。对于开启压力大于3 MPa的蒸汽用安全阀，或介质温度超过300 ℃的气体用安全阀,应采用带散热片安全阀。

④有波纹管和没有波纹管。一般安全阀都没有波纹管。有波纹管结构的安全阀为平衡型安全阀,适用于介质腐蚀性较严重或背压波动较大的情况。

⑤安全阀与管道连接方式分为螺纹和法兰。

2.2 安全阀的选择

在压力容器设计中，根据介质和工艺条件，按照安全阀的作用原理及特点选择安全阀的型式。首先确定安全阀的材料，再合理确定封闭式或敞开式，然后确定内压平衡机构、驱动形式、阀帽形式、有无波纹管，以及是否带扳手和是否带散热片。

(1)安全阀材质的选择是安全阀选择的基础，应根据介质特点、操作压力、操作温度的不同情况分别选用，有铸铁、黄铜、铸钢、不锈钢、高温钢等材质。

(2)用于排放气体和蒸汽介质时，选用全启式安全阀。由于化工压力容器泄放介质几乎全部为气相物质，故化工设备一般应选用全启式安全阀。

(3)化工设备一般均选用弹簧式安全阀或先导式安全阀，弹簧式安全阀应用最为普遍。

(4)对于锅炉等承压设备，当泄放蒸汽、空气及其他无害廉价介质时，可以选用带扳手的安全阀，便于对安全阀做定期开启试验，以检查安全阀开启的灵活性。

(5)对于开启压力大于3 MPa的蒸汽用安全阀，或当介质温度超过300 ℃时，应采用带散热片的安全阀，防止泄放介质直接冲蚀弹簧。

(6)除用于水、蒸汽、空气、氮气的安全阀外，化工用安全阀均应选用封闭式安全阀。

(7)排放有腐蚀性、易结垢、易结焦，会影响安全阀弹簧正常工作时，应选用波纹管安全阀。

(8)当安全阀出口背压是变动的，其变化量超过开启压力的10%，且小于30%时，应选用波纹管安全阀。

(9)当安全阀背压大于其整定压力30%以上，应选用背压平衡式安全阀或先导式安全阀。

(10)当要求安全阀的密封性能特别好时，选用先导式安全阀。

(11)对于有毒、易燃易爆介质，应选用不流动式导阀，导阀打开时，也不向外排放危害介质。

(12)对于一些特殊介质，如氨气、氯气、氧气等，必须选择专用安全阀。

4 安全阀的安装设计

安全阀能否正常工作与安装是否正确有很大关系,安装的位置、方式不适当,不但会失去应有的作用,而且还会导致意外事故的发生。

安全阀一般应直接垂直安装在压力容器的筒体或封头上, 对于容器内有气、液两相物料时安全阀必须装在气相部分。在特殊情况下,安全阀确实不便装在压力容器本体上,而需装在出口管上时,应尽量减小安全阀与容器之间的管路阻力,连接管不应有急转弯、曲折、截面急剧缩小等,连接管的截面积不得小于安全阀的进口面积。

压力容器与安全阀之间不宜装设中间切断阀。对于盛装易燃易爆、毒性程度为极度、高度、中度危害或粘性介质的压力容器,为便于安全阀更换、清洗, 可在压力容器与安全阀之间装设切断阀,截止阀的结构和通径尺寸应不妨碍安全阀正常泄放。压力容器正常运行时,切断阀必须保持全开,并加铅封。

封闭式安全阀应配制排放管 ,将气体排放至室外或其他安全场所,排放管应尽量避免过多弯曲、急转弯, 以减小阻力,它的直径应不小于安全阀的出口直径,排放管应适当支承,以免对安全阀产生过大的附加应力或引起振动。

安全阀一般应安装在易于检修和调节之处,周围要有足够的工作空间, 如立式容器的安全阀, DN80以下者,应安装在平台内靠外侧, DN100 以上者安装在平台外靠平台处,借平台可以对阀门进行维护、检修和试验。

5 结语

(1)在化工压力容器设计中，安全阀的设置与选用是非常重要的，直接决定设备本身直至整个生产装置的安全使用，应该引起全体设计人员的高度注意。需要特别指出的是，设备正确设置与选用安全阀不是一件小事，如果设计选用的安全阀的排放量小于设备的排放量，安全阀排气后容器内压力仍会继续上升，危及设备的安全，而按经验以大代小又会造成浪费。

(2)对于实际生产来讲，在设备上加一个安全阀就多了一个泄漏点，管理上还要定期送检，定期校验，实际上也并不是多设置安全阀生产就安全了，容器设计专业要注重了解工艺过程，与工艺专业相结合，按照本质安全的设计原则，尽量避免事故工况的发生。而当把安全阀设在加热炉、透平机、容积泵、压缩机类等设备出口管道上，容器与管道系统能公用一个安全阀，既减少投资还方便管理。