化工工程计算-安全阀泄放面积计算帮助文档API 520 — 2014-易算云科技.doc

易算云安全阀的设计计算
API 520 — 2014
1. 易算云计算软件简介
安全阀是容器安全泄放装置的一种，主要配备于压力容器上，应对容器可能出现的超压情况。安全阀一般由弹簧作用，当入口处静压超过其设定压力时，阀瓣上升以泄放被保护系统的超压。
本计算适用于安装单个泄放装置，不包括两相流泄放。
2. 易算云计算软件参考标准
API 520, Sizing, Selection, and Installation of Pressure-relieving Devices
API 521, Pressure-relieving and Depressuring Systems
API 526, Flanged Steel Pressure-relief Valves
3. 易算云计算过程
3.1 安全阀设定压力
安全阀设定压力（PS）系指，当安全阀入口处的静压达到该值时，安全阀将动作。
安全阀保护的系统内有可能存在两个以上的压力设备，再考虑到其中的管道和阀门，安全阀的设定压力要求不大于被保护系统内的最低设计压力。
另外，若已知设备或管道的最高允许工作压力（Maximum Allowable Working Pressure, MAWP），可用最高允许工作压力来替代设计压力。
3.2 允许超压与泄放压力
超压指超过泄压装置设定压力的压力，在压力泄放装置排放期间，允许容器内压力超过容器的最大允许工作压力（或者是设计压力），该压力的增值即是允许超压（Accum%），通常用百分数来表示。依据API 520之规定，对于单阀泄放系统而言，火灾事故工况的允许超压为21%，其他为10%。
泄放压力（P1）系指安全阀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允许超压。
P1 = PS X (1 + Accum%) (1)
对于单阀泄压系统，安全阀与容器有关的压力如下：
表1 安全阀与容器的压力关系
容器
压力百分比
安全阀

121%
火灾工况的最大泄放压力

110%
非火灾工况的最大泄放压力
系统最低设计压力或MAWP
100%
安全阀的最大设定压力

93% ~ 97%
回座压力
表1 表明了不同情况下，被保护系统设置安全阀的最大泄放压力、最大设定压力与被保护系统的最低设计压力之间的数值关系。
3.3 安全阀背压与安全阀的类型
安全阀阀嘴的下游压力（P2）即安全阀的背压。安全阀背压由两部分组成：叠加背压（Superimposed Back Pressure, SBP）和积聚背压（Built-up Back Pressure, BBP）。叠加背压即静背压，系指安全阀未起跳时出口处的静压，它可以是来自安全阀排放管系统中的压力源，可能是稳定的也可能是变化的。积聚背压即动背压，系指安全阀起跳时，由于泄放流体流动而在排放管中引起的摩擦压降。
P2 = SBP + BBP (2)
安全阀通常分为三种类型：常规式（Conventional）、平衡波纹管式（Balanced Bellow）和先导式（Pilot-operated）。而安全阀类型的选择与安全阀背压的大小息息相关。
当普通安装的常规式安全阀开启泄放时，流体流经阀门和管道形成积聚背压，背压将产生一个相同的不平衡力从而影响阀门的通过能力。只要积聚背压小于阀开启后的超压，阀就会在流动状态下保持正常状态，流动特性和阀嘴理论上的流动特性类似。而如果积聚背压比超压增加的多，力的平衡将驱使阀门关闭，这样将引起流体的不稳定流动，从而影响阀门的流通能力。
采用平衡式安全阀的设计可以减少背压对阀门流通能力的影响。
通常来讲，安全阀形式的选择与安全阀背压（P2）与设计压力（PS）的表压之比有关，具体如表2所示：
表2 安全阀背压与安全阀形式选择的关系
安全阀背压与设定压力之比
P2/PS
（表压比）
安全阀形式
(P2/PS) < 10%
常规式
10% ≤ (P2/PS) < 30%
平衡波纹管式
(P2/PS) ≥ 30%
先导式
3.4 气相泄放
3.4.1 临界流动的判断
可压缩气体通过阀嘴、孔板或管线末端发生膨胀，其流速与比容随着下游压力的降低而增加。对于给定的上游条件，通过阀嘴的质量流量不断增加，直到在阀嘴处达到极限。可以证明该极限速度就是在阀嘴处流动介质达到的声速，与极限速度相对应的流量就是临界流量。
在阀嘴处达到声速的压力（Pcf）与入口压力（P1）的绝对压力之比为临界压力比。Pcf就是临界流动压力：

(3)
式(3)中：
Pcf —— 临界流动压力，kPa(a)；
P1 —— 上游泄放压力，kPa(a)；
k —— 泄放温度下理想气体的绝热指数，即cP/cV。
用于气体泄放的安全阀，其尺寸计算方程根据流体时临界流动还是亚临界流动分为两大类。如果阀嘴下游的压力小于或者等于临界流动压力Pcf，将会产生临界流动，应该使用3.4.2和3.4.3中的计算方法；如果阀嘴下游的压力大于临界流动压力Pcf，将会产生亚临界流动，则应该使用3.4.4中的计算方法。
另外，当安全阀使用平衡波纹管式时，应使用3.4.2和3.4.3中的计算方法，通过背压校正系数来校正背压对阀流通能力的影响。
3.4.2 临界流动泄放的尺寸计算
临界流动条件下的气体泄放阀尺寸计算如式(2)所示：

(4)
式(4)中：
A —— 安全阀所需的有效泄放面积，mm2；
W —— 安全阀的泄放量，kg/hr；
C —— 泄放条件下气体的特性系数，由气体的绝热指数k（cP/cV）通过式(5)计算得来；
Kd —— 安全阀有效泄放系数，由安全阀厂家提供，初选时可按以下原则取值：
0.975，安全阀与爆破片联用，或者安全阀单独使用；
0.62，不使用安全阀作为泄放装置，仅有爆破片使用；
P1 —— 安全阀上游泄放压力，kPa(a)，该数值为设定压力，允许超压和大气压之和；
Kb —— 安全阀背压校正系数，仅用于平衡波纹管式安全阀，可由安全阀厂家提供，初选时可按图1选取；
Kc —— 爆破片组合系数，按以下原则取值：
1.0，安全阀单独使用；
0.9，安全阀与爆破片联用；
T —— 流体泄放温度，K；
Z —— 泄放条件下流体压缩因子，可通过图2来选取；
M —— 流体平均分子量。

其中，气体的特性系数（C）由式(5)确定：

(5)
式(5)中：
C —— 气体的特性系数；
k ——气体的绝热指数k（cP/cV）。

图1 平衡波纹管式安全阀背压校正系数Kb（气相）

图2 气体通用压缩因子图
3.4.3 水蒸气泄放（临界流动）的尺寸计算
用于水蒸气泄放的阀门，其临界流动条件下的阀尺寸计算如式(6)所示：

(6)
式(6)中：
A —— 安全阀所需的有效泄放面积，mm2；
W —— 安全阀的泄放量，kg/hr；
P1 —— 安全阀上游泄放压力，kPa(a)，该数值为设定压力，允许超压和大气压之和；
Kd —— 安全阀有效泄放系数，由安全阀厂家提供，初选时可按以下原则取值：
0.975，安全阀与爆破片联用，或者安全阀单独使用；
0.62，不使用安全阀作为泄放装置，仅有爆破片使用；
Kb —— 安全阀背压校正系数，仅用于平衡波纹管式安全阀，可由安全阀厂家提供，初选时可按图1选取；
Kc —— 爆破片组合系数，按以下原则取值：
1.0，安全阀单独使用；
0.9，安全阀与爆破片联用；
KN —— Napier校正系数，按以下原则取值：
当P1 ≤ 10339 kPa(a) 时，KN = 1.0；
当10339 kPa(a) < P1 ≤ 22057 kPa(a) 时，按式(7)计算：

(7)
KSH —— 水蒸气过热校正系数，当水蒸气饱和时，KSH = 1.0，其他温度小于1200 oF温度下的KSH参照表3来选取；
需要作出说明的是，当水蒸气的温度大于1200 oF（648.9 ℃）时，需采用3.4.2中的临界流动计算方法。
表3 水蒸汽过热校正系数KSH
设定压力
psig (kPag)
温度
oF (℃)
300
(149)
400
(204)
500
(260)
600
(316)
700
(371)
800
(427)
900
(482)
1000
(538)
1100
(593)
1200
(649)
15(103)
1.00
0.98
0.93
0.88
0.84
0.80
0.77
0.74
0.72
0.70
20(138)
1.00
0.98
0.93
0.88
0.84
0.80
0.77
0.74
0.72
0.70
40(276)
1.00
0.99
0.93
0.88
0.84
0.81
0.77
0.74
0.72
0.70
60(414)
1.00
0.99
0.93
0.88
0.84
0.81
0.77
0.75
0.72
0.70
80(551)
1.00
0.99
0.93
0.88
0.84
0.81
0.77
0.75
0.72
0.70
100(689)
1.00
0.99
0.94
0.89
0.84
0.81
0.77
0.75
0.72
0.70
120(827)
1.00
0.99
0.94
0.89
0.84
0.81
0.78
0.75
0.72
0.70
140(965)
1.00
0.99
0.94
0.89
0.85
0.81
0.78
0.75
0.72
0.70
160(1103)
1.00
0.99
0.94
0.89
0.85
0.81
0.78
0.75
0.72
0.70
180(1241)
1.00
0.99
0.94
0.89
0.85
0.81
0.78
0.75
0.72
0.70
200(1379)
1.00
0.99
0.95
0.89
0.85
0.81
0.78
0.75
0.72
0.70
220(1516)
1.00
0.99
0.95
0.89
0.85
0.81
0.78
0.75
0.72
0.70
240(1654)
-
1.00
0.95
0.90
0.85
0.81
0.78
0.75
0.72
0.70
260(1792)
-
1.00
0.95
0.90
0.85
0.81
0.78
0.75
0.72
0.70
280(1930)
-
1.00
0.96
0.90
0.85
0.81
0.78
0.75
0.72
0.70
300(2068)
-
1.00
0.96
0.90
0.85
0.81
0.78
0.75
0.72
0.70
350(2413)
-
1.00
0.96
0.90
0.86
0.82
0.78
0.75
0.72
0.70
400(2757)
-
1.00
0.96
0.91
0.86
0.82
0.78
0.75
0.72
0.70

设定压力
psig (kPag)
温度
oF (℃)
300
(149)
400
(204)
500
(260)
600
(316)
700
(371)
800
(427)
900
(482)
1000
(538)
1100
(593)
1200
(649)
500(3346)
-
1.00
0.96
0.92
0.86
0.82
0.78
0.75
0.73
0.70
600(4136)
-
1.00
0.97
0.92
0.87
0.82
0.79
0.75
0.73
0.70
800(5514)
-
-
1.00
0.95
0.88
0.83
0.79
0.76
0.73
0.70
1000(6893)
-
-
1.00
0.96
0.89
0.84
0.78
0.76
0.73
0.71
1250(8616)
-
-
1.00
0.97
0.91
0.85
0.80
0.77
0.74
0.71
1500(10339)
-
-
-
1.00
0.93
0.86
0.81
0.77
0.74
0.71
1750(12063)
-
-
-
1.00
0.94
0.86
0.81
0.77
0.73
0.70
2000(13786)
-
-
-
1.00
0.95
0.86
0.80
0.76
0.72
0.69
2500(17232)
-
-
-
1.00
0.95
0.85
0.78
0.73
0.69
0.66
3000(20679)
-
-
-
-
1.00
0.82
0.74
0.69
0.65
0.62
3.4.4 亚临界流动泄放的尺寸计算
亚临界流动条件下的气体泄放阀尺寸计算如式(8)所示：

(8)
式(8)中：
A —— 安全阀所需的有效泄放面积，mm2；
W —— 安全阀的泄放量，kg/hr；
F2—— 亚临界流动系数，通过式(7)计算得来；
Kd —— 安全阀有效泄放系数，由安全阀厂家提供，初选时可按以下原则取值：
0.975，安全阀与爆破片联用，或者安全阀单独使用；
0.62，不使用安全阀作为泄放装置，仅有爆破片使用；
P1 —— 安全阀上游泄放压力，kPa(a)，该数值为设定压力，允许超压和大气压之和；
P2 —— 安全阀背压，kPa(a)；
Kc —— 爆破片组合系数，按以下原则取值：
1.0，安全阀单独使用；
0.9，安全阀与爆破片联用；
T —— 流体泄放温度，K；
Z —— 泄放条件下流体压缩因子，可通过图2来选取；
M —— 流体平均分子量。
其中，亚临界流动系数（F2）由式(9)确定：

(9)

式(9)中：
r —— 安全阀出口与进口的绝压比，即P2/ P1；
k ——气体的绝热指数k（cP/cV）。
3.5 液相泄放
ASME规范要求，设计用于液体泄放的压力泄放阀要求验证液体的泄放能力，确认液体泄放能力的方法包括确定按10%超压设计的液体泄放阀的泄放系数。
3.5.1 有液相泄放验证的安全阀
有液相泄放验证的安全阀，其尺寸按如式(10)计算：

(10)
式(10)中：
A —— 安全阀所需的有效泄放面积，mm2；
Q —— 安全阀的泄放量，m3/hr；
Kd —— 安全阀有效泄放系数，由安全阀厂家提供，初选时可按以下原则取值：
0.65，安全阀与爆破片联用，或者安全阀单独使用；
0.62，不使用安全阀作为泄放装置，仅有爆破片使用；
Kw —— 安全阀背压校正系数，仅用于平衡波纹管式安全阀，可由安全阀厂家提供，初选时可按图3选取；
Kc —— 爆破片组合系数，按以下原则取值：
1.0，安全阀单独使用；
0.9，安全阀与爆破片联用；
P1 —— 安全阀上游泄放压力，kPag，该数值为设定压力与允许超压之和；
P2 —— 安全阀背压，kPag；
Gl —— 液体相对密度，以15.6℃（60 oF）下的水为1.0。
Kv —— 粘度校正系数，由式(11)确定。

(11)
式(11)中：
Kv —— 粘度校正系数；
Re —— 雷诺数，由式(12)确定：

(12)
式(12)中：
Re —— 雷诺数；
Q —— 安全阀的泄放量，m3/hr；
Gl —— 液体相对密度，以15.6℃（60 oF）下的水为1.0；
μ —— 液体动力粘度，cp；
A —— 安全阀所需的有效泄放面积，mm2。

图3 平衡波纹管式安全阀背压校正系数Kw（液相）
由上述可知，液相有效泄放面积的计算是一个需要迭代的过程。可以先假设Kv = 1.0，然后根据得到的泄放面积A来核算雷诺数Re，若Re > 105，则不需要进行粘度校正；否则需要根据雷诺数重新计算Kv。
3.5.2 无液相泄放验证的安全阀
无液相泄放验证的安全阀，其尺寸按如式(13)计算：

(13)

式(13)中：
A —— 安全阀所需的有效泄放面积，mm2；
Q —— 安全阀的泄放量，m3/hr；
Kd —— 安全阀有效泄放系数，由安全阀厂家提供，初选时可采用0.62来进行计算；
Kw —— 安全阀背压校正系数，仅用于平衡波纹管式安全阀，可由安全阀厂家提供，初选时可按图3选取；
Kc —— 爆破片组合系数，按以下原则取值：
1.0，安全阀单独使用；
0.9，安全阀与爆破片联用；
Kp —— 安全阀超压校正系数，按图4选取；
PS —— 安全阀设定压力，kPag；
P2 —— 安全阀背压，kPag；
Gl —— 液体相对密度，以15.6℃（60 oF）下的水为1.0。
Kv —— 粘度校正系数，由式(11)和式(12)确定。

图4 液相泄放安全阀超压校正系数Kp
与3.5.1中的计算类似，对于无液相验证的安全阀，其有效泄放面积的计算是一个需要迭代的过程。可以先假设Kv = 1.0，然后根据得到的泄放面积A来核算雷诺数Re，若Re > 105，则不需要进行粘度校正；否则需要根据雷诺数重新计算Kv。

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