1、應用范圍

1.1 本規定僅適用于化工生產裝置中壓力大于0.2MPa的壓力容器上防超壓用安全閥的設置和計算，不包括壓力大于100MPa的超高壓系統。

  適用于化工生產裝置中上述范圍內的壓力容器和管道所用安全閥；不適用于其它行業的壓力容器上用的安全閥，如各類槽車、各類氣瓶、鍋爐系統、非金屬材料容器，以及核工業、電力工業等。

1.2 計算方法引自《工藝設計手冊》，使用本規定時，一般情況應根據本規定進行安全閥計算，復雜工況仍按《工藝設計手冊》有關章節進行計算。

1.3 本規定提供了超壓原因分析，使用本規定必須詳細閱讀該章節。

2、計算規定的一般說明

2.1 安全閥適用于清潔、無顆粒、低粘度流體，凡必須安裝泄壓裝置而又不適合安全閥的場所，應安裝爆破片或安全閥與爆破片串聯使用。

2.2 在工藝包設計階段（PDP），應根據工藝裝置的操作規范，按照本規定（見5.0章節），對本規定所列的每個工況進行分析，根據PDP的物流表，確定每個工況的排放量，填入安全閥數據表一。

2.3 在基礎設計階段（BDP）和詳細設計階段（DDP），按照泄放量的計算書規定，在安全閥數據表一的基礎上，形成安全閥數據表二（數據匯總表）和安全閥數據表三。安全閥數據表三作為條件提交有關專業。

3、術語定義

3.1 積聚（accumulation）：在安全閥泄放過程中，超過容器的最大允許工作壓力的壓力，用壓力單位或百分數表示。最大允許積聚由應用的操作規范和火災事故制定。

3.2 背壓（back pressure）：是由于泄放系統有壓力而存在于安全閥出口處的壓力，背壓有固定的和變化的兩種形式。背壓是附加背壓和積聚背壓之和。

3.3 附加背壓（superimposed back pressure）：當安全閥啟動時，存在于安全閥出口的靜壓，它是由于其它閥排放而造成的壓力，它有兩種形式，固定的和變化的。

3.4 積聚背壓（built-up back pressure）：泄壓閥打開后由于流動使泄放主管中增加的壓力。

3.5 最大允許積聚壓力（maximum allowable accumulated pressure）：是最大允許工作壓力與最大允許積聚之和。

3.6 最大允許工作壓力（maximum allowable working pressure）：系指在設計溫度下，容器頂部所允許承受的最大壓力。這壓力基于設備計算中的正常厚度、金屬腐蝕裕度、負載和壓力。最大允許工作壓力是設定安全閥壓力保護設備的基礎。

3.7 超壓（overpressure）：超過安全閥設定壓力的壓力，用壓力單位或百分數表示。它與容器設定的最大允許工作壓力時的積聚一樣，假設安全閥人口沒有管路損失。

3.8 安全閥的設定壓力（set pressure）：安全閥人口出的靜壓達到該值時，安全閥將動作。

3.9 操作壓力（operation pressure）：容器通常操作時的壓力。壓力容器的設計通常有一最大允許工作壓力，它為操作壓力提供合適的余量，以阻止安全閥不合需要的打開。

3.10 泄放條件（relieving conditions）：用于表示安全閥超壓時的進口壓力和溫度。泄放壓力等于安全閥的設定壓力加超壓，泄放溫度為泄放條件下的流體溫度，它可能高于操作溫度，也可能低于操作溫度。

3.11 回座壓差（blowdown）：設定壓力與安全閥關閉壓力之差，用設定壓力的百分數或用壓力單位表示。

4、超壓的原因

超壓是系統中某一部分物料或能量不平衡，或物料和能量同時不平衡引起的。因此，分析超壓的原因和數量是工藝過程中物料和能量平衡的特殊和復雜工況的綜合研究。安全閥的設置要保證一個工藝系統或工藝系統中的任何一個工況的壓力不能超過最大允許累積壓力。

系統壓力包括壓力容器、換熱器及其他設備和管道，它的設計基于(a) 正常操作溫度下的正常操作壓力，(b) 任何一個機械負荷的影響，就會引起與操作負荷的不同，(c) 安全閥的設定壓力。工藝系統設計必須定義最小泄放，以阻止任何一臺設備超過它的最大允許累積壓力。

4.1 超壓來源

  由于能量輸入導致液體或氣體泄放，因此產生了泄放裝置。兩個最通常的能量來源，一是能量輸入通過氣化或熱膨脹間接導致壓力升高；二是直接較高壓力的進入。由于以上一個或二個因素都可能引起超壓。

  安全閥泄放量是最大的泄放量，這最大泄放量可泄放以保護設備因任何一個單獨的原因而引起的超壓。兩個毫無關聯的故障同時發生的概率很小，所以通常不必考慮。

4.2 壓力、溫度和組成的影響

因為溫度和壓力會影響液體和氣體的流量和組成，所以確定每個泄放量時要考慮溫度和壓力。當液體加熱時就變成了氣體。因為密閉容器壓力的增加及熱量的進入，改變了平衡，產生了氣體。在大多數情況下，容器內是由不同沸點、不同組份組成的混合物。沸點低的組份首先蒸發，隨著熱量的不斷進入，較重的組份也開始蒸發，最后，只要進入熱量足夠多，最重的組份也蒸發了。

在泄壓過程中，要研究不同時間的氣體泄放量和摩爾質量，以確定氣體的最大泄放量和組成。

泄放壓力有時會超過系統組成的臨界壓力（或亞臨界壓力）。在這種情況下，就要參考壓縮系數與密度－溫度－熱焓之間的相互關系。如果超壓是由多余物料流入引起的，多余的物料就要在進、出焓相等條件下計算出的溫度下泄放。

系統中沒有其他的進出物料，如果超壓就是由外部額外熱量引起的。這外部輸入的熱焓等于容器中還在或已蒸發物料之和。通過計算或作圖累計泄放量與時間的關系，瞬間的最大泄放量就可得到。這最大量泄放量通常在臨界溫度附近。

5、單個安全閥泄放量確定

在這一章節列出了不同的超壓原因，它是泄放量確定的基礎，以下章節詳細說明了需要超壓保護的一些通常事故。

5.1 操作人員的影響

  決定最大泄放工況還要考慮操作人員的反應和對一連串錯誤行動的理解。通常可接收的反應時間在10～30分鐘之間，這取決于裝置的復雜程度。這反應的有效性還取決于工藝動力學。

5.2 關閉出口閥

  當設備或系統所有的出口閥關閉時，為了保護設備或防止系統超壓，泄放裝置的能力要大于等于超壓源。如果不是所有的出口閥門關閉，沒有關閉的出口閥泄放量也要適當地考慮。超壓源來自泵、壓縮機、高壓供應總管、可揮發性氣體。這種情況發生在換熱器中，關閉出口閥會引起熱膨脹，或者產生氣體。

  泄放量是設定壓力加上超壓時的泄放量，而不是正常操作條件下的泄放量。當這一區別沒有考慮到時，泄放量常會大大減少。在確定泄放量時，還要考慮到超壓管線與泄放管線之間的摩擦損失。

5.3 冷卻或回流發生故障

5.3.1 總則

  需要的泄放量取決于系統泄放壓力下的熱量和物料平衡。在精餾系統，泄放量計算取決于有無回流。冷媒停止時，剩余的冷量通常不考慮，因為這部分冷量發生作用的時間是非常有限的，并且取決于配管的實際布置。如果工藝配管系統超常規的大，并且不保溫，就要考慮熱損失。

  因為詳細的熱量平衡和物料平衡計算有困難，在5.3.2~5.3.9中，列出通常可接收的確定泄放量的簡單原則。

5.3.2 全凝

  泄放量就是進入冷凝器的總的氣體量，計算的溫度對應設定壓力加上超壓和進入的熱量減泄放的熱量時的新的氣相組成，在正常液位的頂部積聚的脈沖量通常限于10分鐘之內。如果冷媒發生故障超過這個時間，回流也沒有，頂部的組分、溫度和氣相量會有很大的變化。

5.3.3 部分冷凝

  泄放量是泄放條件下，進出氣體量之差。進入的氣體量應該按5.3.2基準計算，如果回流的組成或回流量改變，進入冷凝器的氣體量就應該由新的條件決定。

5.3.4 風扇發生故障

  因為自然對流的作用，既使風扇發生故障，如果泄放條件沒有明顯不同，通常還有正常能力20％～30％的冷凝量，泄放量分別是全凝或部分冷凝這兩種工況的70％～80％。然而，實際冷凝量通常取決于空冷器的設計性能，如果風扇和機械夾點出現，就會降低冷卻能力。

5.3.5 百葉窗關閉

  空冷器的百葉窗關閉，就是整個冷媒發生故障，泄放量計算同5.3.2及5.3.3。百葉窗關閉可能來自自動控制發生故障，機械聯接發生故障，或者在手動位置的百業窗發生破壞結構性的振動。

5.3.6 頂部回流

  在大多數情況下，例如：泵關閉或閥門關閉都會引起回流發生故障，進入冷凝器的流量就等于5.3.2或5.3.3的失去冷媒的量。停止回流會產生不同的氣相組成，這會影響泄放量。在這種情況下，安全閥尺寸是考慮冷媒全部停止的工況，但每種工況必須通過測試相關的部分組份和系統得到。

5.3.7 泵的循環

泄放量就是氣化量，它是泵循環中獲得的熱量引起的。氣化潛熱就是在泄放溫度、泄放條件下的潛熱。

5.3.8 頂部回流加上泵的循環

頂部回流和泵的循環通常不會同時發生故障，但是，一個部分故障和一個全部發生故障還是可能的。泄放量同5.3.6和5.3.7。

5.3.9 側線回流停止

  同5.3.6和5.3.7。泄放量足夠大以便泄放從系統獲得的熱量而產生的氣化量。

5.4 吸收流發生故障

  對碳氫化合物的貧油，通常貧油發生故障不會引起泄放；而對于酸性氣體脫除單元，大量的氣體(大約25％或更多)會被吸收劑吸收，如果失去吸收劑，因為下游系統不能處理增加的流量，會使壓力升高到泄放壓力。合成氣二氧化碳吸收單元中的下游氣體進入甲烷化就更難分析。任何一點點超過設計能力的二氧化碳進入甲烷化，同時即使發生部分吸收劑故障，也會導致快速升溫，引起甲烷化進料閥關閉，打開放空閥。如果放空閥關閉，會引起超壓。

  每種工況必須研究它的工藝和儀表特性，研究范圍應包括對下游工藝單元的影響以及對吸收劑的配管和儀表的影響。

5.5 不凝性氣體積聚

  隨著工藝物流的釋放，不凝性氣體在正常條件下不會積聚，然而有某種管道布置，會使不凝性氣體積聚在某一點，引起冷凝器破裂，這一作用相當于失去冷媒。

5.6 易揮發物料進入系統

5.6.1 水進入熱油

  雖然水進入熱油會引起超壓，但沒有方法計算泄放量。如果進入的水量和熱量可確認，泄放閥閥徑就可象物料閥門一樣計算，不幸的是，進入的水量永遠不能知道。同時由于從液體到氣體體積膨脹如此之大(常壓下，大約為1：1,400)，產生的氣體是瞬時的，閥門能否快速打開是個問題。通常，為這一偶然事故不提供壓力泄放裝置。在工藝設計和操作中力爭取消這種可能性。為了避免水積聚形成袋形應安裝蒸汽凝液疏水閥，在水到熱工藝管線上安裝雙切斷閥和放空閥。

5.6.2 輕烴進入熱油

  解釋同5.6.1，輕烴進入熱油，從液體變成氣體的速率不小于1：1,400。

5.7 工藝物流上的自控閥發生故障

5.7.1 總則

  設備或系統上的自動控制閥直接受工藝控制或間接受工藝變化控制(例如：壓力、流量、液位或溫度)。當自控閥發生故障時，自控閥應該保證根據基礎設計的要求，處于全關或全開的位置。

5.7.2 泄放量確定

  計算任何工況的泄放量，不考慮因控制閥而引起泄放，也就是控制閥所在的位置，應能保證正常工藝流量通過。正常的閥門位置首先是考慮設計能力和系統關閉的工況，而不是考慮事故。因此，如果流過控制閥的條件不改變(見5.7.5)，就要修改這些控制閥的正常流量，更改泄放條件，保證下游系統能處理增加的流量。

5.7.3 控制閥進口

  控制閥進口可能有一根或多根進口管線。對于只有一根進口管線的控制閥，只考慮全開位置，而不考慮控制閥發生故障的位置。控制閥打開，也可能是儀表發生故障或誤操作引起的。對于有多根進口管線的控制閥系統，應保證在這些管線上的任何一個控制閥應在它的正常操作位置，因此，泄放量是預期的最大進口流量與正常出口流量之差，假設條件是：這系統中一個控制閥關閉，而其他控制閥仍在正常操作點(即：正常打開，正常關閉或節流)。如果控制閥的一個或多個出口關閉，或者使控制閥的多個進口打開，并引起控制閥的第一個進口打開，泄放量為預期的最大進口流量與打開的出口流量之差。

5.7.4 控制閥出口

  每個控制閥出口在確定泄放量時應考慮全開和全關位置，不考慮由于儀表系統發生故障或誤操作而引起控制閥處于錯誤的位置。如果一個或多個進口閥由于出口閥錯誤關閉而打開，壓力泄放裝置應滿足阻止超壓的要求，泄放量是最大進口流量與最大出口流量之差，要計算泄放條件下的所有流量，也要考慮控制閥操作工粗心引起的關閉。

5.7.5 特殊泄放量的考慮

  雖然控制閥，例如：隔膜閥的規格和尺寸只考慮正常操作工況，但在非正常工況下，例如安全閥泄放時，這些控制閥也能操作。閥的設計和操作位置應符合非正常工況下的控制信號，由于泄壓條件下的泄放量與正常工況下的泄放量是不同的，因此在計算控制閥的能力時要根據泄放工況的溫度和壓力來確定泄放量。

5.8 非正常工藝熱量進入

  泄放量是泄放條件下氣體產生的最大流量（包括來自過熱產生的不凝性氣體），少于正常的凝液量或氣體量。在每種工況，設計者應考慮系統潛在的工況和它的每一個組成。

5.9 內部爆炸（不包括爆燃）

  氣體和空氣混合物引起內部爆炸時，超壓保護應該采用爆破片而不采用安全閥，因為內部燃燒擴散引起的快速升壓如采用安全閥保護容器就太慢了。泄放面積取決于以下因素：

a.初始條件（溫度、壓力、組成）。

b.明確的燃燒擴散氣相或氣體的物性。

c.容器的體積

d.泄放裝置的起跳壓力

e.發生爆炸事故時的最大壓力

5.10 化學反應

  根據DIERS（Design Institute of Emergency Relief Systems）方法，確定化學反應的緊急事故泄放氣管徑。

  具體方法如下：

a.定義化學反應非正常工況的設計基礎

b.通過實驗測試計算非正常工況的系統特性

c.通過兩相流計算公式計算管徑

  化學反應失控通常與下列因素有關：

a.外部火災

b.失去混合

c.失去冷卻

d.試劑裝載錯誤

5.11 電力故障

  確定發生電力故障時的泄放量，要仔細研究電力故障對哪些設備有影響，這些故障是如何影響裝置生產的。

5.12 液體膨脹

5.12.1 原因

  液體膨脹是指溫度升高引起體積增加，通常有以下幾個原因；

a.充滿冷液的管道或容器被切斷時，因為蒸汽伴熱、盤管、環境熱量或火災獲得熱量。

b.換熱器冷側切斷，冷側的液體被熱側加熱。

c.充滿常溫液體的管道或容器被切斷，管道或容器里的液體被輻射熱加熱。

5.12.2 管徑和設定壓力

  泄放量不是很容易確定的，因為每種實際情況液體泄放量是很小的，所以要定合理的，而不是安全系數過大的安全閥。通常采用3/4"x1"的安全閥。如果有理由相信這一尺寸不夠，應采用3.14.3的方法。

  選擇合適的設定壓力應該研究系統關閉時所有的設計流率，設定的熱膨脹壓力決不能大于被保護系統的最大壓力。如果只有液體膨脹一種工況，安全閥的設定壓力要設得較高；如果安全閥出口進入一個封閉系統，應考慮背壓的影響。

5.12.3 特殊工況

  地面上的不保溫大管徑長管道和大型容器或充滿液體的換熱器上安裝安全閥時，通常大于3/4" ×1"。在常溫或低于常溫的長管道兩端的進出口閥門關閉時，陽光輻射引起的溫度升高可通過計算得到，如果總熱量傳遞速率和液體的熱膨脹系數知道，就可計算泄放量。計算液體膨脹泄放量公式如下：

W＝BH/Cp

W：質量泄放流量，kg/h

B：體積膨脹系數，1/℃

H：正常工作條件下最大傳熱量，kj/h

Cp：定壓比熱，kj/kg℃

5.13 外部火災

5.13.1 外部火災對濕潤表面容器的影響…液體氣化

  容器內液面之下的面積統稱為濕潤面積。

  發生火災時，外部火災傳入的熱量通過濕潤面積使容器內的物料氣化，濕潤面積只考慮容器小于等于7.5m以下的濕潤面積，通常7.5m以上部分不考慮。濕潤面積包括火災影響范圍內的管道外表面積。

a.對于充滿液體的容器，濕潤面積為7.5米高度內的表面積。

b.對于緩沖罐、分離罐和工藝容器，濕潤表面為正常液面不高于7.5米下的表面。

c.精餾塔的濕潤表面為塔底正常高度和7.5米高度內塔盤上液體部分的表面積之和。

d.貯罐的濕潤面積為7.5米高度內的表面積。

e.球形容器的濕潤面積為半球表面積或距地面7.5米高度內表面積中的較大者。

5.13.2 容器外壁糾正系數（F）

  容器壁外的設施可以阻礙火焰熱量傳至容器，用容器外壁糾正系數（F）反映其對傳熱的影響。

  根據勞動部頒發的《壓力容器安全技術監察規程》中規定：

a.容器在地面上無保溫：F＝1.0

b.容器在地面下用砂土覆蓋：F＝0.3

C.容器頂部設有大于10l/(m2×min)水噴淋裝置：F＝0.6

d.容器在地面上有良好保溫時，按式（2）計算

  根據美國石油學會標準API－520：

a.容器在地面上無保溫：F＝1.0

b.容器有水噴淋設施：F＝1.0

c.容器在地面上有良好保溫時：按式（1）計算：

      F=4.2×10-6λ/do(904.4-t)         （1）

式中：      λ：保溫材料的導熱系數，kj/(m×h×℃)

        do：保溫材料厚度，m

        t：泄放溫度，℃

d.容器在地面之下和有砂土覆蓋的地上容器，按式（3）計算，將其中的保溫材料的導熱系數和厚度換成土壤或砂土相應的數值。

  另外，保冷材料不耐燒，因此，保冷容器的外壁糾正系數(F)為1.0。

5.13.3 安全泄放量

5.13.3.1 根據勞動部頒發的《壓力容器安全技術監察規程》中規定：

a.無保溫層

W＝2.55×105FA0.82/HL            （2）

W：質量泄放量，kg/h

A：總濕潤面積，m2

HL：泄放條件下氣化熱，kj/kg

F：容器外壁糾正系數，取F=1.0

b.有保溫層

W＝2.61×(650-t) ×λ×A0.82/(HL×do)   （3）

W：質量泄放流量，kg/h

A：總濕潤面積，m2

HL：泄放條件下氣化熱，kj/kg

λ：保溫材料的導熱系數，kj/(m×h×℃)

do：保溫材料厚度，m

t：泄放溫度，℃

5.13.3.2根據根據美國石油學會標準API 520中規定：對于有足夠的消防保護措施和有能及時排走地面上泄漏的物料措施時，容器的泄放量為：

   W＝1.555×105FA0.82/HL                  （4）

否則，采用式（5）計算

      W＝2.55×105FA0.82/HL                  （5）

   式中符號同式（2）。

5.13.4 外部火災對無濕潤表面容器的影響…氣體膨脹

  無濕潤表面容器是指容器內是蒸汽、氣體或超臨界流體，以及在正常條件下是氣、液兩相，但在泄放條件下，變成全氣相。

  無濕潤表面容器在外部火災情況下，容器將在短時間內由于金屬材料的軟化而發生破壞。設置安全閥不能保護這類容器不受破壞，因此要安裝消防設施和排放系統使容器遠離易燃的物料。

  計算公式如下：

W＝8.764×(MP1)0.5×A1×(Tw-T)1.25/T11.1506

W：質量泄放流量， kg/h

M：分子量

P1：泄放壓力，MPaA

A1：距地面7.5m以下的容器外表面面積，m2

TW：金屬壁溫，K，對于碳鋼為866K

T1：氣體溫度，K

T1=P1/Pn×Tn

Pn：氣體正常操作壓力，MPaA

Tn：氣體正常操作溫度，K

5.14 換熱器管破裂

5.14.1 泄壓裝置安裝的必要性

  根據ASME規范，換熱器和類似的容器應該安裝安全閥，以保護換熱器在內部發生故障時，避免超壓。具體體現以下四個問題：

a.預計內部故障的形式和范圍

b.泄放量的確定

c.選擇快速起跳的安全閥以避免超壓

d.選擇合適的安裝位置以便及時檢測到超壓

  換熱器管破裂，大量高壓側流體流入換熱器低壓側，會引發事故，極小的泄漏會引起換熱器超壓。標準的水壓試驗是設備設計壓力的1.5倍，所以換熱器低壓側的設計壓力應不小于高壓側設計壓力的2/3，如果實際的低壓側試驗壓力低于1.5倍的設計壓力，低壓側就應確定是否需要設安全閥。低壓側的設計壓力大于等于2/3高壓側設計壓力，低壓側就不需要設安全閥。對于新設計的換熱器，可提高低壓側的設計壓力以減少風險。