在化工生产过程中,由于火灾、烘烤、操作失误或机械故障等原因,会造成系统压力超过设备和管道的设计压力。为避免设备或管道在这些情况下因超压造成损坏及发生事故,需要设置安全设施对系统进行泄压。上述安全设施可能是一个可以再关闭的压力泄放阀 (安全阀),也可能是一个不可以再关闭的压力泄放设施 (爆破片),或是一种用于保护常压容器免受超压或超真空度破坏的安全设施 (呼吸阀)。本章将阐述安全阀、爆破片、呼吸阀三种安全设施的工艺设计。本文主要介绍安全阀的分类、选型、计算等。
由于本文篇幅较长，本文按照以下顺序介绍，有需要可直接翻到对应标题处查阅。
术语及定义
压力关系表
安全阀的型式及分类
安全阀型式的选择
安全阀的设置
超压原因及泄放量确定原则
最小泄放面积计算
附件（最小泄放面积计算所需查询的表图）
对于操作压力在0.1~100MPa(表)的压力容器与压力管道上防止超压用的安全阀应按GB150《压力容器》中有关规定计算,需要时也可参照API 520、API521等标准。
术语及定义
实际泄放面积
流体经过安全阀的最小流通面积。
有效泄放面积（最小泄放面积）
用公式或图表计算的泄放面积。有效泄放面积要小于实际泄放面积。
喉径面积
安全阀喷嘴中最小直径处的截面积。
环隙面积
安全阀的阀瓣与阀座之间的圆柱形面积。
最大工作压力
系指容器在正常工作情况下容器顶部可能达到的最大压力。见《设备和管道系统设计压力和温度的确定》(HG/T 20570. 1-95)规定。
设计压力
系指设定的容器顶部的最高压力，应不小于安全阀的设定压力(开启压力)
安全阀设定压力
安全阀入口处的静压达到该值时，安全阀将动作。设定压力要求不大于被保护系统内最低的设计压力。
整定压力（安全阀的开启压力）
安全阀的阀瓣开始升起，物料连续流出时的压力。数值与设定压力相同。
安全阀的背压
作用在安全阀出口处的压力。背压分为静背压和动背压。静背压是指安全阀未起跳时阀出口处的压力;动背压是指安全阀起跳后，由于流体的流动引起的摩擦压力降值。
安全阀的超压
在泄放过程中，安全阀入口处的压力超过设定压力的部分。通常以百分数表示。
安全阀的泄放压力
安全阀的阀芯升到最大高度后阀入口处的压力。泄放压力等于设定压力加超压。
安全阀的回座压力
安全阀起跳后，随着被保护系统内压力的下降，阀芯重新回到阀座时的压力。
最大允许工作压力
系指在设计温度下，容器顶部所允许承受的最大表压力。该压力是根据容器受压元件的有效厚度计算所得，且取其最小值。
压力关系表
下表表示不同情况下被保护系统设置安全阀的最大泄放压力、最大设定压力的数值与被保护容器的设计压力(或最大允许工作压力)数值的比例关系。
安全阀的型式及分类
1. 重力式安全阀
利用重锤的重力控制设定压力的安全阀称为重力式安全阀。当阀前的静压超过安全阀的设定压力时，阀瓣上升以泄放被保护系统的超压；当阀前压力降至安全阀的回座压力时，可自动关闭。
2. 弹簧安全阀
弹簧安全阀按其结构可分为通用式弹簧安全阀和平衡式弹簧安全阀。
① 通用式弹簧安全阀
通用式弹簧安全阀是由弹簧作用的安全阀。其设定压力由弹簧控制,动作特性受背压影响。
② 平衡式弹簧安全阀
平衡式弹簧安全阀是由弹簧作用的安全阀。其设定压力由弹簧控制,用活塞或波纹管减少背压对安全阀动作性能的影响。
3.先导式安全阀
先导式安全阀是由导阀控制的安全阀。其设定压力由导阀控制,动作特性基本不受背压影响,如图34-3所示。带导阀的安全阀又分为快开型 (全启)和调节型 (渐启)两种;此外,导阀又为分流动式和不流动式两种。导阀是控制主阀动作的辅助压力泄放阀。
4. 微启式安全阀
当安全阀入口处的静压达到设定压力时，阀瓣位置随入口压力升高而成比例地升高，最大限度地减少排出的物料。微启式安全阀一般用于不可压缩流体。阀瓣的最大上升高度不小于喉径的1/40~1/20。
5. 全启式安全阀
当安全阀入口处的静压达到设定压力时，阀瓣迅速上升到最大高度,最大限度地排出超压的物料。全启式安全阀一般用于可压缩流体。阀瓣的最大上升高度不小于喉径的1/4。
安全阀型式的选择
1. 排放气体或蒸汽时，选用全启式安全阀。
2. 排放液体时，选用全启式或微启式安全阀。
3. 排放水蒸汽或空气时，可选用带扳手的安全阀。
4. 对设定压力大于3MPa,温度超过235℃的气体用安全阀，则选用带散热片的安全阀，以防止泄放介质直接冲蚀弹簧。
5. 排放介质允许泄漏至大气的，选用开式阀帽安全阀;不允许泄漏至大气的，选用闭式阀帽安全阀。
6. 排放有剧毒、有强腐蚀、有极度危险的介质，选用波纹管安全阀。
7. 高背压的场合，选用背压平衡式安全阀或导阀控制式安全阀。
8. 在某些重要的场合，有时要安装互为备用的两个安全阀。两个安全阀的进口和出口切断阀宜采用机械联锁装置，以确保在任何时候（包括维修，检修期间）都能满足容器所要求的泄放面积。
安全阀的设置
安全适用于清洁无颗粒低粘度流体。凡必须安装安全泄压装置而又不适合安装安全阀的场所，应安装爆破片或安全阀与爆破片串联使用。
凡属下列情况之一的容器必须安装安全
1. 独立的力系统(有断阀与其它系统分开)。该系统指全气相全液相或气相连通；
2. 容器的压力物料来源处没有安全阀的场合；
3. 设计压力小于压力来源处的压力的容器及管道；
4. 容积式泵和压缩机的出口管道；
5. 由于不凝气的累积产生超压的容器；
6. 加热炉出口管道上如设有切断或控制阀时在该上游应设置安全；
7. 由于工艺事故自控事故电力事故火灾事故和公用工程事故引起的超压部位；
8. 液体因两端阀门关闭而产生热膨胀的部位；
9. 凝气透平机的蒸汽出口管道；
10. 某些情况下，由于泵出口止回阀的泄漏，则在泵的入口管道上设置安全；
11. 其它应设置安全阀的地方。
超压原因及泄放量确定原则
超压是指正常物流中的物料和能量的不平衡或中断,引起物料或能量 (或两者同时)在系统某些部分积累的结果。因此,分析超压的原因和程度是对工艺系统中物料及能量平衡的特殊而又复杂的综合研究过程。安全阀的设置要保证一个工艺系统或工艺系统中的任何一个工况的压力不能超过最大允许积聚压力。工艺系统中压力容器、换热器及其他设备和管道需要承载一定的压力,包括以下项目。
① 操作温度下的正常操作压力。
② 工艺过程中任何可能发生故障（如断电等）的组合的影响。
③ 操作压力与安全阀设定压力的差异。
④ 任何额外的内部载荷（如静压头）和外部载荷（如地震载荷或风载荷）的组合的影响。
工艺系统设计必须确定所需的最小压力泄放量,以防止任何一台设备超过它的最大允许积聚压力。
1. 阀门误关闭
①出口阀门关闭，，入口阀门未关闭时，泄放量为被关闭的管道最大正常流量。
②管道两端的切断阀关闭时，泄放量为被关闭液体的膨胀量。此类安全阀的入口一般不大于DN25。但对于大口径、长距离管道和物料为液化气的管道，液体膨胀量按下式计算。
③换热器冷侧进出口阀门关闭时，泄放量按正常工作输入的热量计算，计算公式见下式。
④充满液体的容器，进出口阀门全部关闭时，泄放量按正常工作输人的热量计算。按下式计算液体膨胀工况的泄放量：
2. 循环水故障
①以循环水为冷媒的塔顶冷凝器，当循环水发生故障(断水)时，塔顶设置的安全阀泄放量为正常工作工况下进入冷凝器的最大蒸汽量。
②以循环水为冷媒的其它换热器，当循环水发生故障（断水）时，应仔细分析影响的范围，确定泄放量。
3. 电力故障
①停止供电时，用电机驱动的塔顶回流泵、塔侧线回流泵将停止转动，塔顶设置的安全阀的泄放量为该事故工况下进入塔顶冷凝器的蒸汽量。
②塔顶冷凝器为不装百叶的空冷器时，在停电情况下，塔顶设置的安全阀的泄放量为正常工作工况下，进入冷凝器的最大蒸汽量的75%。
③停止供电时，要仔细分析停电的影响范围，如泵、压缩机、风机、阀门的驱动机构等，以确定足够的泄放量。
4. 不凝气的累积
①若塔顶冷凝器中有较多无法排放的不凝气，则塔顶设置的安全阀的泄放量与2.循环水故障的规定相同。
②其它积累不凝气的场合，要分析其影响范围，以确定泄放量。
5. 控制阀故障
①安装在设备出口的控制阀，发生故障时若处于全闭位置，则所设安全阀的泄放量为流经此控制阀的最大正常流量。
②安装在设备入口的控制阀，发生故障时若处于全开位置时：
对于气相管道，如果满足低压侧的设计压力小于高压侧的设计压力的 2/3，则安全阀的泄放量应按下式计算：
如果高压侧物料有可能向低压侧传热，则必须考虑传热的影响。
对于液相管道，安全阀的泄放量为控制阀最大通过量与正常流量之差，并且要估计高压侧物料有无闪蒸。
6. 过度热量输入
换热器热媒侧的控制阀失灵全开、切断阀误开，设备的加热夹套、加热盘管的切断阀误开等工况下，以过度热量的输人而引起的气体蒸发量或液体的膨胀量来计。
7. 易挥发物料进入高温系统
①轻烃误入热油以及水误入热油等工况下，由于产生大量蒸汽，致使容器内的压力迅速上升。
②由于此事故工况下的泄放量无法确定而且压力升高十分迅速，所以，安装安全阀是不合适的，应设置爆破片。
③这种工况的保护措施是确保避免发生此类事故。
8. 换热器管破裂
①如果换热器低压侧的设计压力小于高压侧的设计压力的2/3时，则应作为事故工况考虑。
②根据①的条件，安全阀的泄放量按下计算出的结果和高压侧正常流量比较，取二者的较小值。
③换热器管破裂时的泄放量
9. 化学反应失控
①对于放热的化学反应，如果温度、压力和流量等自动控制失灵，使化学反应失控，形成“飞温”，这时产生大量的热量，使物料急剧大量蒸发，形成超压。这类事故工况，安装安全阀无论在反应时间，还是在泄放速率方面均不能满足要求，应设置爆破片。
②如果专利所有者能提供准确的化学反应动力学关联式，推算出事故工况下的泄放量，则可以在专利所有者和建设方的同意下设置安全阀。
10. 外部火灾
本规定适用于盛有液体的容器暴露在外部火灾之中。
①容器的湿润面积(A)
容器内液面之下的面形充称为湿润面积。外部火焰传入的热量通过湿润面积使容器内的物料气化。不同型式设备的湿润面积计算如下：
卧立式容器：距地面7. 5m或距能形成大面积火焰的平台之上7. 5m高度范围内的容器外表面积与最高正常液位以下的外表面积比较，取两者中较小值。
a. 对于椭圆形封头的设备全部外表面积为：
b.气体压缩机出口的缓冲罐一般最多盛一半液体，湿润表面为容器总表面积的50%。
c.分馏塔的湿润表面为塔底正常最高液位和7. 5m高度内塔盘上液体部分的表面积之和。
球型容器：球型容器的湿润面积，应取半球表面积或距地面7. 5m高度下表面积二者中的较大值。
湿润面积包括火灾影响范围内的管道外表面积。
②容器外壁校正系数(F)
容器壁外的设施可以阻碍火焰热量传至容器，用容器外壁校正系数(F)反映其对传热的影响。
根据劳动部颁发的《压力容器安全技术监察规程》中规定:
a.容器在地面上无保温：F=1. 0
b.容器在地面下用砂土覆盖：F=0.3
c.容器顶部设有大于10l/(m2·min)水喷淋装置：F=0. 6
d.容器在地面上有完好保温，见11.安全泄放量式计算
根据美国石油学会标准API-520：
a.容器在地面上无保温：F=1.0
b.容器有水喷淋设施：F=1. 0
c.容器在地面上有良好保温时，按11.安全泄放量式计算：
d.容器在地面之下和有砂土覆盖的地上容器，(F)值按10.安全泄放量式计算，将其中的保温材料的导热系数和厚度换成土壤或砂土相应的数值。
另外，保冷材料一般不耐烧，因此，保冷容器的外壁校正系数(F)为1.0。
11.安全泄放量
根据劳动部颁发的《压力容器安全技术监察规程》中规定：
①无保温层
②有保温层
根据美国石油学会标准API-520中规定:对于有足够的消防保护措施和有能及时排走地面上泄漏的物料措施时，容器的泄放量为：
否则按照下式计算：
上述两式符号同上，F取值见10.外部火灾。
最小泄放面积计算
计算的最小泄放面积为物料流经安全阀时通过的最小截面积。对于全启式安全阀为喉径截面积，对于微启式安全阎为环隙面积。
1. 根据劳动部颁发的《压力容器安全技术监察规程》计算如下
①对于气体、蒸汽在临界条件下的最小泄放面积
流量系数(C0)由制造厂提供。若没有制造厂的数据时，对于全启式安全阀：C0 =0.6~0.7；对于带调节圈的微启式安全阀：C0 =0.4~0.5；对于不带调节圈的微启式安全阀：C0 =0.25~0.35。
气体特性系数(X)见文末附件1。
气体压缩因子(Z)查图见文末附件2。
②根据计算的最小泄放面积(a)，计算安全阀喉径(d1)或阀座口径(D)
2. 根据美国石油学会标准API-520中的规定如下：
①临界条件的判断
如果背压满足下式，则为临界流动，否则为亚临界流动。
②气体或蒸气在临界流动条件下的最小泄放面积
流量系数(C0)由制造厂提供，若没有制造厂的数据，则取C=0. 975。系数(X)由下式计算或查表（文末附件1）。
背压修正系数(Kb)仅用于波纹管背压平衡式安全阀(查图见文末附件3)临界流动条件下，对于弹簧式安全阀Kb=1.
气体压缩因子(Z)查图见文末附件2。
部分物料的绝热指数(k)见文末附件4，若没有k的数据，则X=315。
③气体或蒸气在亚临界条件下的最小泄放面积
下式适用于导阀式安全阀和弹簧设定时考虑了静背压的影响的弹簧式安全阀，在亚临界流动条件下的最小泄放面积的计算：
亚临界流动系数(Kf)查文末附件7
流量系数(C0)值由制造厂提供，若没有制造厂数据时，C0 =0. 975，其它符号同前。
简便计算弹簧式安全阀在亚临界流动条件下的最小泄放面积时，可先按临界流动条件下的式计算，再将计算结果除以按图查得（文末附件8）的背压修正系数(Kb)，即为亚临界条件下的最小泄放面积。
背压平衡式安全阀在亚临界流动时的最小泄放面积按式计算，但背压修正系数(Kb)应由制造厂提供。
④水蒸汽
流量系数(C0)值由制造厂提供，若无制造厂数据时，C0 =0. 975
过热蒸汽校正系数(Ksh)查表见文末附件5，对于饱和蒸汽，Ksh=1.0。
Napier系数(KN)按下述要求选取：
⑤液体
超压系数(Kp)查图（文末附件9）所示。
背压修正系数(Kw)，对弹簧式安全阀Kw =1.0；对于波纹管背压平衡式安全阀， Kw查图（文末附件10）。
粘度修正系数(Kv )查图（文末附件11）
流量系数(C0)对于按美国机械工程师协会ASME第Ⅷ部分第Ⅰ分篇或国标GB150设计的容器上安装的安全阀，C0 =0. 65，其它(如管道上)安装的安全阀，C0 =0. 62。
计算泄放压力(P)时所用的超压，对于按ASME第Ⅷ部分第Ⅰ分篇或国标GB150设计的容器，超压为10%，其它(如管道上)安装的安全阀，超压为25%。其余符号同前。
⑥两相流体
气-液平衡态的两相流体，流经阀体时部分液体要产生闪蒸，闪蒸现象会降低阀门的质量流通能力。泄放量的计算方法如下:
a.确定闪蒸量：分别计算液相自泄放压力经绝热过程至临界压力下和至背压下的闪蒸量，取小者。
b.用闪蒸的气量和泄放时混合物中的气量之和，根据背压情况及安全阀的型式等，按照式气体或蒸气在临界流动条件下的最小泄放面积或气体或蒸气在亚临界条件下的最小泄放面积计算气相所需的最小泄放面积。
c.根据液体计算液相所需的最小泄放面积。
d.将b和c项的计算结果相加，即为所需的最小泄放面积。
背压对安全阀的上述计算过程有很大的作用。因此：
a.应仔细计算泄放管道中两相流体的压力降；
b.管道压力降的产生，会使部分液体继续气化；
c.来自冷冻(如液化气的排放)的物料排放系统，在排放管道中有时会产生液滴和低温；
d.对于气相处于临界条件下泄放时，计算液相泄放量时背压取临界压力(Pcf)。
附件
附件1
附件2
附件3
附件4
附件5
附件6
附件7
附件8
附件9
附件10
附件11
参考资料：HG/T 20570.2-95《工艺系统工程设计技术规定》、《化学工艺设计手册》、GB150-2011《压力容器》、API-520《Sizing Selection and Installation of Pressure-Relieving Devices in Refineries》、API-526《Flanged Steel Safety-Relief Valves》等。图片自网络。