安全阀的管道应力分析

摘要：安全阀在运行过程中，经常会受到反作用力及热膨胀影响，为消除安全阀运行过程中的应力，应合理的对安全阀附近管道进行设计。在应力分析过程中，安全阀产生的反力荷载，会对管道产生很大影响，尤其压力高、介质流量大的情况，会对管道产生严重破坏，以下将介绍计算和分析安全阀荷载以及安全阀附近管道的应力分析。

关键词：安全阀；安全阀应力分析；安全阀反作用力

中图分类号： TU714 文献标识码： A

1.安全阀的排气形式

1.1开式排气系统

开式排气系统指安全阀开启时，气体直接排放到大气或与安全阀不连接的放空管。这种排气系统要求满足如下几何条件：

ι≤4D0，m≤6D0

式中 ι——安全阀入口管线至放空管中心线距离，m；

D0——安全阀排气管外径，m；

m——安全阀出口至排气管中心线距离，m；

典型的开式排气系统如图1所示。

1.2闭式排气系统

闭式排气系统指安全阀开启时，气体通过直接与安全阀相连接的排气管排放至远地。典型的闭式排气系统如图2所示。

图1 典型开式排气系统 图2 典型闭式排气系统

对于无毒、非可燃、无爆炸危险的气体可采用开式排气系统；有毒、可燃、有爆炸危险的气体应采用闭式排气系统。

2.安全阀排气管的反作用力

2.1.开式排气系统的反作用力

2.1.1排气弯头

在稳态流动的条件下，安全阀开启时的反力 F 包括动量效应和压力效应两部分。如图4所示。

F=GW + (P - Pa) ƒ·106(2-1)

式中：

F——点1的反作用力，N；

G——质量流率，kg/s,按安全阀开启时最大流率的1.1倍；

W——点1的出库流速m/s；

P——点1的静压，MPa；

ƒ——点1处的流通面积，m2 ；

图4 Pa——大气压力，MPa。

为考虑瞬态流动的影响，还应计入动载因子DLF。

2.1.2放空管

放空管如图5所示,在安全阀开启时，受到F2和F3两个力的作用。F2和F3可按公式(2-1)计算，放空管的支架应能承受垂直方向和水平方向的不平衡和力矩。

如果放空管出口设计成斜面，则反力将沿斜面的法向作用。

放空管的设计应避免出现“反喷”现象。 为防止 这种现象的产生应满足下列条件：

图5

G(W1-W2)>(P2 - Pa)·ƒ2·106 –(P1 - Pa) ƒ1·106(2-2)

2.2闭式排气系统的反作用力

在稳态流动的条件下，闭式系统的排出口有一较大的反作用力，管系其他部位所受的力具有自平衡性，其数值可用公式(2-1)计算。但在安全阀开始开启时，由于是不稳定流动，管系要承受较大的冲击力。3.反作用力的动力放大特性

管系在瞬态载荷作用下受到的力和弯矩一般大于静态值，这种动力放大特性可用动载因子DLF来表征。DLF定义为动挠度与静挠度的最大比值。如果主管道刚性支撑，那么安全阀排气系统(如图6所示)可简化成一个单自由度系统，此时， DLF可按下述方法确定。

(1)安全阀系统的振动周期T，如下：

图6 安全阀系统 (3-1)

式中 T——安全阀系统的振动周期，s；

W——安全阀、人口管、出口管及法兰等的总质量，kg；

h——主管道至出口管中心线的距离，cm；

E——设计温度下入口管材料的弹性模量，MPa；

I——入口管的惯性矩，cm4。

(2)计算安全阀开启时间t0与周期T的比值t0/T, t0为安全阀从全闭到全开的时间。

(3)由t0/T从图7中查出动载因子 DLF。

图7 开式排气系统的动载因子

安全阀排气管中应严格避免积存液体。当安全阀开启后，高速气流携带积液将形成严重的水锤现象。但存放空管表面附着少量冷凝液是可能的，这也可能增加气流对管系的作用力，同时考虑到安全阀开启时间难于确定，以及存在不稳流动等因素，建议DLF取2为宜。

4.安全阀出口的反作用力矩

由反作用力引起的弯矩可按式(4-1)计算，

M1 = F·d·DLF (4-1)

式中M1 —— 弯矩，N·m；

F———反力，N；

d———分析点到反力作用线的距离，m；

DLF——动载因子。

5.安全阀应力管线设计

在应力分析过程中，应用CAESAR II软件，常将安全阀反力荷载以静态荷载进行分析，基本如下：

进行安全阀反作用力的计算或反力由厂家直接提供。

将安全阀反作用力填入CAESAR II软件中，以静态荷载进行分析。

5.1解决安全阀的反力作用

由于安全阀的反力，会对安全阀排气口后的管道产生振动影响，尤其闭式系统的安全阀，因此一般需在安全阀排气出口后的管道上做固定架，见图8：

图8 安全阀后做固定架

5.2解决安全阀热膨胀问题

（1）由于应力管线热膨胀作用，对于低压管道，尤其长管道上设置开式排气系统的安全阀，热位移很大，会对安全阀所在管线产生应力影响，所以一般在安全阀排气出口后的管道上做限位架，见图9：

图9 安全阀后做限位架

（2）在安全阀排气出口后管道上做固定架或限位架，经常会出现二次应力超限问题，因此，需合理增加安全阀附近的管道柔性，来解决应力超限问题，见图10。同时，安全阀排泄时，经常流量很大，排放时间长，通过排气管时会产生噪音，所以需增加消音器等，来解决安全阀排泄时产生的噪音问题。

图10 增加消音器及安全阀管线柔性

6 结语

通过计算和分析安全阀荷载，和对安全阀附近管道进行应力分析并合理的设计，能有效的减小安全阀在运行过程中受到的应力，以及减少安全阀反作用力及热膨胀影响，避免对管道产生严重破坏。

参考文献

1 张德姜，王怀义，刘绍叶.石油化工装置工艺管道安装设计手册（第四版）.中国石化出版社2009.9

2 唐永进.压力管道应力分析（第二版）.中国石化出版社2009