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1、一 5 8 一 安全密封 石 油 和 化 工 设 备 2 0 1 0 年 第1 3 卷 石油化工设备安全阀稳定问题研究 张聪麟 ( 中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院，山东 青岛 2 6 6 0 7 1 ) 摘 要安全阀通常用于石油化工业中容积式泵的出口管道上，以防管路超压而损坏管件。当设备系统内压力不超过正常规 定值时，安全阀应密封可靠，无泄漏。当设备或管道内压力升高，超过规定值时，安全阀应 自动泄压 本丈分析了石油化工 设备 中安全 阀的稳定性 问题 。 关键词石油化工设备；安全阀；稳定性：计算 1安全阀稳 定问题 的提 出 稳定是就平衡而言 的。平衡有两种 ：稳定平 衡和不稳定平
2、衡 。如 图1 a 所示 小球 ，它位于 凹槽 底部A处，它所具有的平衡是稳定的。因为当它受 到外力的短时干扰 ，离 开其平衡位置到达位 置A1 后 ，只要去掉干扰外力，小球在重力 的作用下仍 可 回复到原来的平衡位置 。而 图1 b 所示小球 ，它 位于 曲面顶部B处，虽然也可处于平衡，但这种平 衡是极不稳定的，只要有微 小的外力干扰使它离 开B点，它就会滚到B1 点或B2 点而不会再 自动回 复到原来 的位置B点。所 以小球在B点所处的平衡 是不稳定的，它不可能长期停留在此位置上。 A1 图1 稳定平衡与不稳定平衡 正 是 由于平 衡 有 两种 ， 因此在 设 计安 全 阀 时 ，不但要满
3、足 强度 、刚度条件 ，还要考 虑它们 在不 同情 况 下 ，平 衡是 否真 正稳 定 。 因为 “ 稳 定 ”也是保证安全 阀正常工作 的条件，绝 不允许 把不稳定的平衡 当作稳定的平衡来处理 。安全 阀 的稳定性问题有 以下两类 。 1 1 压 杆 问题 如 图2 1( a )所示拉杆 ，在其两端作用着 一 对大小相 等的轴 向拉 力P，杆 处于平衡 。当遇到 横 向力的干扰 ，杆虽然会变弯 ，但一旦撤去横 向 力后，杆总是会恢复成原来的直线形状 ，见图2 一 l ( b )。即拉杆在它原有直线形状下的平衡是稳定 的 。若在杆的两端作用一对轴 向压力 ，并使杆在 横向力的干扰下变弯，见图2
4、 2( a )，则在撤去横 向力后 ，将随轴 向压力P 的大小不 同而可能出现两 种不 同情况 ：当轴 向压力小于某一数值 ( 用 表 示 )时，压杆会恢复它原来 的直线形状，见 图2 2 ( b )，这时压杆 的平衡是稳定 的。但是当轴 向压 力达到 时，压杆就不能恢复其原有的直线形状 了，见图2 2( c )。这就是说压杆能在直线形状下 的平稳就变为不稳定的了。 p p a b 图2 1拉杆不失稳 p p p p p p a b c 图2 2拉杆可能失稳 1 2 压力容器 问题 在弹性薄壁安全阀中，只要壁 内有压应、力， 都 存在 着 可 能失稳 的 问题 。 以圆筒压 力容器 为 例 。
5、受流 体 ( 石油 、化 学溶 液 )或气 体 ( 天然 气 、化学气体 )压力的圆筒在筒壁 内将产生环 向 - - - _ - _ _ - _ _ - - _ - _ - _ 作者简介：张聪麟 ( 1 9 8 3 一)，男，大学本科，助理工程师， 研究方向：中石化安全、环境与健康管理体系 ( H S E MS )的审核 与应用研究 。 ， ， 。 、 ， ， A 一 一 r 、 一 B、 一 、 B 、 Q ， B 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第6 期 张聪麟石油化工设备中安全阀的稳定问题 5 9 压缩应力 ，其值是 ( 其 中：P 压力；D 圆筒直 径；
6、S 圆筒受力面积 )。这种压缩应力如果能够增 大到材料的屈服极限，将引起筒体的屈服变形。 1 - 3 爆 破 问题 石 油 化 工 设 备 中安 全 阀 可 能 出现 不 能 及 时 或 充分地通过释放压力泄压的情况 。这些情况可分 为以下几种 ： ( 1 )由于在压力容器中或类似 的容 器如常压储存斗中反应 失控 ，而导致 内部 的石油 化工设备爆炸 ； ( 2 )单独石油化工设备容器下或 环绕其管道周边、石油化工设备系统或整个装 置 周 围发生的外部火灾 ； ( 3 )其他情况。在这些情 况下，压力和大量蒸气 液体混合物迅速释放 ，可 能使爆破 膜破裂 ，甚至 引起爆炸 。因此必须对爆 破
7、膜 进行 小心 的设 计 。 2安全 阀的主要 结构 形式 安全阀的主要结 构有杠杆式 、弹簧式和先导 式 ( 脉冲式 )三种。 ( 1 )杠杆式 安全阀。系利用杠杆和重锤来平 衡阀瓣压力 ，通过杠 杆和 阀杆将重锤力作用到阀 瓣上 ，使 阀门保持密封无泄漏 。调节重锤在杠 杆 上 的位置 ，可 以达到所要求 的起跳压力 。这种 安 全 阀的优点是 由阀杆传来 的力是不变的；缺 点是 占空间位置大 ，较笨重 ，回座压力低。该阀一般 用于中低压小锅炉或减温减压器等 固定设备上。 ( 2 )弹簧式安全 阀。系利用压缩弹簧力来平 衡阀瓣压力 ，通过压缩弹簧力作用 到阀瓣上 ，使 阀门保持密封 。优点
8、是体积 小，较轻便 ，灵敏度 高，安装时不受位 置限制；缺 点是作用在 阀杆上 的力随压缩弹簧的变形而变化 。同一型号规格的 安全 阀，可 以通过更换不同规格 的弹簧来改变其 工作压力级 。在某 一压力级范 围内，通过调整螺 杆来调节开启压力( 整定压力 )。因此，在 选用 安全阀时，应按实际工作压力来选定。 ( 3 )先导式安全 阀。系利用副 阀 ( 脉冲阀) 和主阀连在一起 ，通过脉冲 阀的脉冲作用来驱动 主阀的动作 。这类安全 阀在高温 高压锅炉上均有 应用 。它一般 由主安全阀、脉冲 安全 阀、截止 阀 和节流 阀等组成 。根据需要调节脉冲安全阀的弹 簧和节流 阀的开度来调整所 需的起
9、跳压力和回座 压力 ，也可 以通过 电磁控制系统来调整或操作安 全装置 。由于安全装置采用 了机械和 电气两种保 护 ，因而提高了安全装置的可靠性。 主安全 阀靠介质压力使 阀瓣压 向阀座 ，保持 密封 。但阀的上部还备有弹簧 ，在介质压力 尚未 达到额定值 时，它使 阀瓣压紧，保 持密封 。脉冲 安全阀上 部带有开启和关 闭电磁铁 ，关 闭用的电 磁铁平时可不通 电，当阀门密封面有泄漏时 ，即 接通 1 1 O V电源 ，使阀门密封 。当机械调整 回座压 力过低 时，接通 电源促使阀瓣 回座 ，以获得较 高 的回座压力 。另外脉冲安全 阀每次起跳后，要等 系统和 阀门冷却后再进 行下一次起跳
10、 ，以防造成 运行中起跳压力波动。 3安全阀稳定性计算 3 1 安全 阀和安全泄压阀泄压面积的计算 在确定安全 阀最终尺寸及压 力泄放装置的选 择中，必须考虑许 多细节和特殊 情况，通常包括 典型化 工和石油化工应用的重要 要求 。在完成任 何计算之 前，应该分析可能的原 因以及不 同温度 和压力 下的流动条件 ，并 由此分析列表确定最可 能的以及最差 的情况 。当存在 内部爆炸或化学反 应 失控 的可能性 ，甚至怀疑其存在时 ，必须通过 严格 的分析和计算来确 定流量 、压力和温度等 的 大小 。选择最苛刻 的工况和方案来进行合理 的泄 放设计 ，防止设备破裂 。在存在反应失控 的情况 下
11、，只能采用如下 方法处理 ：采用爆破膜 的预定 爆破或遥控，以及采用 自动的工艺作用对反应的 爆炸条件进行急冷或应用工业急冷介质。 3 2标准压力泄放面积排放孔 口 这 些装 置 的 “ 孔 口 ”面积 系 指在 安 全 阀泄 压管 嘴 的出 口端面 积 ，石油 、天然 气 、化工液 ( 气 )体通过其排放 。工业上 安全 阀按 阀体进 口 直径 ( i n )孔 口代号 阀体 出口直径( i n )来标 志其规格。例如，一个 阀可标志为3 E 4 标准孔 口面 积代号如下。 表1 标准孔 口面积代号 孔 口代号字母 D E F G H J K L M N P Q 孔 口面积m 2 0 1 1
12、 O 1 9 6 0 3 0 7 0 5 0 3 0 7 8 5 1 2 8 7 1 8 3 8 2 8 5 3 3 6 0 0 4 3 4 0 6 3 8 0 l 1 O 5 孔口代号字母 R T V W W 2 X Y Z Z 2 A A B B B B 2 5 7 2 6 1 2 8 8 1 5 9 ， O 孔 口面积m l 6 0 26 0 42 1 9 93 6 l 01 8 6 0 7 5 8 2 6 8 9 0 9 5 1 O 8 8 6 1 3 6 6 9 1 6 8 7 4 1 8 5 0 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
