化工过程安全泄压装置的概念设计

第３２卷第４期　２００３年７月　石油化工设备　

ＰＥＴＲＯ—ＣＨＥＭＩＣＡＬ　ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ　Ｖｏ１．３２　ＮＯ．４　

Ｊｕｌｙ　２００３　

文章编号：１０００—７４６６（２００３）０４—００３３—０３　

化工过程安全泄压装置的概念设计　

毕明树，李岳，周一卉，银建中　（大连理工大学化工学院，辽宁大连　１１６０１２）　

摘要：分析了普通弹簧直接载荷式安全阀、压力自紧先导式安全阀及双作用先导式安全阀的工作　原理和由此带来的性能差异，简述了爆破片的类型和各自的主要特点。在此基础上，考虑到操作压　力、操作温度、介质特性和经济效益等因素，提出了化工过程安全泄压装置的概念设计树，可使设计　者有步骤地确定安全泄压装置。　关键词：安全阀；爆破片；泄压装置；概念设计　中图分类号：ＴＱ　０２２．５　文献标识码：Ａ　

Ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｓａｆｅｔｙ　ｖｅｎｔｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｆｏｒ　ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ＢＩ　Ｍｉｎｇ－ｓｈｕ，ＬＩ　Ｙｕｅ，ＺＨＯＵ　Ｙｉ—ｈｕｉ，ＹＩＮ　Ｊｉａｎ—ｚｈｏｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｄａｌｉａｎ　１１６０１２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｏｕｇｈ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｃｔｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ　ｏｆ　ｓｐｒｉｎｇ　ｌｏａｄｅｄ　ｓａｆｅｔｙ　ｖａｌｖｅｓ．ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｌｏａｄｅｄ　ｐｉｌｏｔ—ｏｐｅｒａｔｅｄ　ｓａｆｅｔｙ　ｖａｌｖｅｓ，ｄｕａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｐｉｌｏｔ－ｏｐｅｒａｔｅｄ　ｓａｆｅｔｙ　ｖａｌｖｅｓ　ａｎｄ　ｂｕｒｓｔｉｎｇ　ｄｉｓｃｓ，ａ　ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｒｅｅ　ｏｆ　ｖｅｎｔｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｆｏｒ　ｃｈｅｍｉ—　ｃａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ，ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ，ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｍｅｄｉｕｍ　ａｎｄ　ｅｃｏｎｏｍｉｃ　ｂｅｎｅｆｉｔｓ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｒｅｅ，ｄｅｓｉｇｎｅｒｓ　ｃａｌｌ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ　ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｒｅｌｉｅｆ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｅａｓｉｌｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓａｆｅｔｙ　ｖａｌｖｅ；ｂｕｒｓｔｉｎｇ　ｄｉｓｃ；ｖｅｎｔｉｎｇ　ｄｅｖｉｃｅ；ｃｏｎｃｅｐｔｕａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　

安全泄压装置是化工过程中必不可少的安全附　件，当被保护系统内介质压力超过规定值时，泄压装　置动作并向外排放介质，防止压力继续升高而导致承　压设备破坏。泄压装置的设计应包括：概念设计，即　如何确定安全泄压装置的型式；设计计算，即确定安　全泄压装置的尺寸。很多设计标准和文献都对安全　泄压装置的设计和正确选用有规定，但均未给出详细　的设计指南－ｌ　Ｊ。对某些具体条件，设计者仍然感到　迷惑。为此笔者在归纳总结设计标准的基础上，就安　全泄压装置的概念设计提出具体步骤，形成设计树。　１安全阀类型　（１）普通弹簧直接载荷式安全阀　它是目前使　用量最大的安全阀，其工作原理见图１。在正常工　作条件下，弹簧力应大于介质压力作用在阀瓣上的　合力，以保证密封。当该合力大于弹簧力时，阀瓣与　阀座分离，介质就会从出口侧出去，只要泄放面积够　大，容器内压力不会继续升高。当容器内压力降低　弹　阀　阀　阀　入口侧　图１　普通弹簧直接载荷式安全阀工作原理示图　到一定值时，在弹簧力的作用下，阀瓣与阀座会重新　接触并实现密封，生产可继续进行。可见，这种安全　阀的最大优点就是结构简单，在不发生锈蚀的条件　下，能在规定压力下开启。但它也有以下缺点，一是　在临界开启时，弹簧力与介质压力近似相等，密封比　压近似为０，泄漏难免。二是为了达到规定的起跳　高度，通常装有反冲盘，从而导致回座压力很低。　（２）压力自紧先导式安全阀　其工作原理见图　

收稿日期：２００３一Ｏ１—２２　作者简介：毕明树（１９６２一），男（汉族），内蒙古赤峰人，副教授，博士，从事化工过程与装备安全技术研究。　

维普资讯 http://www.cqvip.com ３４·　石油化工设备　２００３年第３２卷　２。正常工作时，先导阀的阀１和阀２处于开通状　态，阀３处于关闭状态，活塞腔内充入介质压力。这　样，作用在阀瓣上向下的力远大于向上的力，密封性　能非常好。当介质压力达到规定的开启压力时，阀　２关闭，同时阀１和阀３导通，活塞腔内的介质全部　排出，作用在阀瓣上向上的力大于向下的力，主阀开　启，保证容器内的介质压力不再升高。这种安全阀　的致命缺点是，一旦先导阀失灵，活塞腔内的介质就　无法泄放出去，主阀也就无法打开。因此，与普通弹　簧直接载荷式安全阀相比，其动作可靠性降低了一　半，即先导阀和主阀之一出现故障，就达不到保护容　器的目的。　

＋主阀　弹簧　

去　大　气　或　

出　口　舅　口侧　

图２压力自紧先导式安全阀工作原理简图　（３）双作用先导式安全阀　它的工作原理见图　３。当安全阀处于关闭状态时，球形控制阀芯在先导　弹簧力作用下，与控制腔中的下密封面建立起密封，　而与上密封面脱离，使主阀加压气缸与先导阀高压　腔隔绝而与泄压腔导通，主阀加压气缸中的压力介　质由此而泄放至安全阀的排放侧。在安全阀的开启　压力下，球形控制阀芯在介质压力作用下克服先导　弹簧力向上移动，使得球形控制阀芯与上密封面建　立密封而与下密封面脱离，使主阀加压气缸与泄压　腔隔绝而与高压腔导通被加压，主阀阀芯在主阀加　压气缸中受到１个附加的开启力而迅速开启至规定　高度．使安全阀处于排放状态。在回座压力下，先导　式弹簧将球形控制阀推回到下密封面的密封位置，　并与该密封面建立密封，使主阀加压气缸与高压腔　隔绝而与泄压腔导通被泄压，此时主阀阀芯由于撤　掉了在主阀气缸中的这部分附加开启力，在主阀弹　簧作用下，迅速回座，恢复到关闭状态。这种安全阀　的显著优点是：①密封性好。公称直径与开启压力　相同的双作用先导式安全阀，在正常工作压力下，主　阀座与阀瓣密封面上的密封力为普通弹簧直接载荷　安全阀密封力的６倍。②启闭压差小。现有弹簧全　启式安全阀启闭压差大是由反冲机构造成的，而双　作用先导安全阀的启跳与回座，取决于先导阀的动　作，而先导阀的启跳高度很小，因此其启闭压差可设　计得很小。③动作可靠性高。双作用先导式阀并不　因先导阀的存在而降低其动作可靠性。因为如果先　导阀失灵，主阀仍可象１只普通弹簧直接载荷式安　全阀一样动作。　先　导　阀　口侧　图３双作用先导式安全阀的工作原理简图　２爆破片类型　化工设备使用的爆破片按工作状态分为正拱　型、平板型和反拱型，见图４。正拱型爆破片工作时　凹面受到介质压力的作用，爆破片壁内应力为拉应　力。当这个应力达到材料的抗拉强度时，爆破片爆　破并泄放出介质。由于受拉应力的元件不能长期在　高应力状态下工作，正拱型爆破片的工作压力应低　于其爆破压力的８５％，某些条件下应更低Ｌ３Ｊ。另　外，对于有背压的情况，由于凸面受压时爆破片容易　失稳，所以抵抗背压能力较弱。按结构型式，正拱型　爆破片又可分为普通正拱（ＬＰ）型、正拱带槽（Ｌｃ）型　和正拱开缝（ＬＦ）型。ＬＰ型爆破片是结构最简单、问　世最早的爆破片，适用范围较宽，缺点是爆破后有碎　片飞出，抗疲劳能力较差。ＬＣ型爆破片是性能最好　的正拱型爆破片，适合于中小直径及中低压力情况。　爆破后沿槽开裂成规则形状，在０—０．８５　Ｐｂ（Ｐｂ为爆　破压力）的循环载荷作用下，寿命达２５０００次。正拱　开缝型爆破片适合中大直径及低压场合，缺点是密　封膜容易损坏，使用寿命低。　

中　＼ｔ／　ｔ　ｔ　ｔ　ｔ　

（ａ）正拱型　（ｂ）平板型　（ｃ）反拱型　图４爆破片类型　

平板型爆破片有平板带槽型和平板开缝型２　种，这种爆破片综合性能较差，主要用于压力很低的　场合。　反拱型爆破片工作时凸面受到介质压力的作　

维普资讯 http://www.cqvip.com 第４期　毕明树，等：化工过程安全泄压装置的概念设计　·　３５　·　用，其壁内为压应力，当压应力达到爆破片的临界失　稳应力时，爆破片失稳翻转。如果爆破片下游侧有　刀称为反拱带刀（ＹＤ）型爆破片，有腭齿称为反拱腭　齿（ＹＥ）型爆破片，有减弱槽称为反拱带槽（ＹＣ）型爆　破片，翻转后爆破片被刀、腭齿刺破或沿减弱槽自动　破裂。反拱型爆破片有其他型式无法比拟的３个特　性：①因拱型元件的失稳压力远低于其拉伸破坏压　力，所以承受背压能力很强。②失稳前壁内应力始　终低于材料的屈服点，不产生缩性变形，故疲劳性能　优异，在０～０．８５ｐｂ的循环载荷作用下，寿命超过　１０００００次。③工作压力可以达到其爆破压力的　９０％口】。反拱型爆破片的缺点是需要的爆破能量较　高，故不适合于泄放液体的场合。只有几种特殊的　反拱型爆破片才能用于液体介质的泄放。　爆破片的爆破压力通常随爆破温度的升高而降　低。反拱型爆破片比正拱型的变化幅度低，镍制比　不锈钢制爆破片的变化幅度低，铝制爆破片随温度　的变化幅度最大。　３隔离式安全阀　隔离式安全阀是近年来发展起来的１种爆破片　串接于安全阀人口侧的串联结构，集中了爆破片与　安全阀的优点，避免了各自的缺点。其特点是：①在　正常的工作压力下，安全阀处于闲置状态，不受介质　的压力、温度以及腐蚀作用，从而可节约贵重材料，　延长使用寿命。②介质超压致使安全泄放装置动作　后，容器内介质压力若降低，安全阀可以回座，介质　不会彻底泄放，也不中断生产。③极大地改善了安　全阀的密封性能，减少了泄漏。④可以实现安全阀　的在线校验。　应该指出，爆破片与安全阀串接时，必须选择合　适的爆破片。第一，爆破片爆破后不能产生碎片，否　则容易损伤安全阀的密封面。第二，爆破片的泄放　直径不得小于安全阀的人口直径，否则会影响泄放　能力。通常要求爆破片的泄放能力为安全阀泄放能　力的１．２倍。第三，爆破片与安全阀之间不能产生　压力积聚，通常要有卸零装置，即爆破片与安全阀之　间的空腔应通过截止阀与大气连通，连接管上应安　装压力表，若压力表有指示值，表明空腔内有压力积　聚，必须及时采取措施。第四，如果要实现安全阀的　在线校验，应该选用反拱带槽型爆破片。　４安全泄压装置的概念设计树　各种安全泄压装置都有其自身特点，也适应于　不同的条件。因此，设计过程必须考虑到介质性质、　操作条件、超压原因或超压源等情况。据此，笔者提　出的设计树见图５。设计者可按设计树有步骤地实　现泄压装置型式的选择。