API521安全阀计算规定

1、API 521 安全阀计算规定中国石化集团公司上海医药工业设计院2001年 10月12日1. 应用范畴1.1 本规定仅适用于化工生产装置中压力大于0.2MPa 的压力容器上防超压用安全阀的设置和运算，不包括压力大于 100MPa 的超高压系统。适用于化工生产装置中上述范畴内的压力容器和管道所用安全阀； 不适用于其它行业的压力容器上用的安全阀，如各类槽车、各类气瓶、锅 炉系统、非金属材料容器，以及核工业、电力工业等。1.2运算方法引自工艺设计手册(Q/SPIDI 3PR04-3-1998),使用本规定时，一样情形应按照本规定进行安全阀运算，复杂工况仍按工艺设 计手册有关章节进行运算。1.3 本规

2、定提供了超压缘故分析，使用本规定必须详细阅读该章 节。2. 运算规定的一样讲明 安全阀适用于清洁、无颗粒、低粘度流体，凡必须安装泄压装置而 又不适合安全阀的场所，应安装爆破片或安全阀与爆破片串联使用。在工艺包设计时期（PDP）,应按照工艺装置的操作规范，按照本 规定（见5.0章节），对本规定所列的每个工况进行分析，按照 PDP的物流 表，确定每个工况的排放量，填入安全阀数据表一。在基础设计时期（BDP）和详细设计时期（DDP），按照泄放量的运算 书规定（见 6.0 章节），在安全阀数据表一的基础上，形成安全阀数据表二 （数据汇总表）和安全阀数据表三。安全阀数据表三作为条件提交有关专 业。术语定

3、义3. 1积聚（accumulation）：在安全阀泄放过程中，超过容器的最大承 诺工作压力的压力，用压力单位或百分数表示。最大承诺积聚由应用的操 作规范和火灾事故制定。3. 2背压（back pressure：是由于泄放系统有压力而存在于安全阀出 口处的压力，背压有固定的和变化的两种形式。背压是附加背压和积聚背 压之和。3. 3附加背压（superimposed back pressure：当安全阀启动时，存在 于安全阀出口的静压，它是由于其它阀排放而造成的压力，它有两种形式， 固定的和变化的。3. 4积聚背压（built-up back pressure：泄压阀打开后由于流淌使泄 放主管中

4、增加的压力。最大承诺积聚压力（ maximum allowable accumulated pressure :是最 大承诺工作压力与最大承诺积聚之和。最大承诺工作压力（maximum allowable working pressure :系指在设 计温度下，容器顶部所承诺承担的最大压力。这压力基于设备运算中的正 常厚度、金属腐蚀裕度、负载和压力。最大承诺工作压力是设定安全阀压 力爱护设备的基础。超压（overpressure :超过安全阀设定压力的压力，用压力单位或百分数表示。它与容器设定的最大承诺工作压力时的积聚一样， 假设安全阀人口没有管路缺失。安全阀的设定压力（set pressur

5、e：安全阀人口出的静压达到该值时， 安全阀将动作。操作压力（operation pressure）:容器通常操作时的压力。压力容器的 设计通常有一最大承诺工作压力，它为操作压力提供合适的余量，以阻止 安全阀不合需要的打开。泄放条件（relievi ng con ditio ns）:用于表示安全阀超压时的进口压力和 温度。泄放压力等于安全阀的设定压力加超压，泄放温度为泄放条件下的 流体温度，它可能高于操作温度，也可能低于操作温度。回座压差（blowdown）:设定压力与安全阀关闭压力之差，用设定压力 的百分数或用压力单位表示。4超压的缘故超压是系统中某一部分物料或能量不平稳，或物料和能量同时不平

6、稳 引起的。因此，分析超压的缘故和数量是工艺过程中物料和能量平稳的专 门和复杂工况的综合研究。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承诺累积压力。系统压力包括压力容器、换热器及其他设备和管道，它的设计基于 (a) 正常操作温度下的正常操作压力， (b) 任何一个机械负荷的阻碍， 就会引起 与操作负荷的不同， (c) 安全阀的设定压力。工艺系统设计必须定义最小泄 放，以阻止任何一台设备超过它的最大承诺累积压力。4 1 超压来源 由于能量输入导致液体或气体泄放，因此产生了泄放装置。两个最通 常的能量来源，一是能量输入通过气化或热膨胀间接导致压力升高；二是 直截

7、了当较高压力的进入。由于以上一个或二个因素都可能引起超压。安全阀泄放量是最大的泄放量，这最大泄放量可泄放以爱护设备因任 何一个单独的缘故而引起的超压。两个毫无关联的故障同时发生的概率专 门小，因此通常不必考虑。42 压力、温度和组成的阻碍 因为温度和压力会阻碍液体和气体的流量和组成，因此确定每个泄放 量时要考虑温度和压力。当液体加热时就变成了气体。因为密闭容器压力 的增加及热量的进入，改变了平稳，产生了气体。在大多数情形下，容器 内是由不同沸点、不同组份组成的混合物。沸点低的组份第一蒸发，随着 热量的持续进入，较重的组份也开始蒸发，最后，只要进入热量足够多， 最重的组份也蒸发了。在泄压过程中，

8、要研究不同时刻的气体泄放量和摩尔质量，以确定气 体的最大泄放量和组成。泄放压力有时会超过系统组成的临界压力(或亚临界压力) 。在这种情 形下，就要参考压缩系数与密度温度热焓之间的相互关系。如果超压 是由余外物料流入引起的，余外的物料就要在进、出焓相等条件下运算出 的温度下泄放。系统中没有其他的进出物料，如果超压确实是由外部额外热量引起的 这外部输入的热焙等于容器中还在或已蒸发物料之和。通过运算或作图累 计泄放量与时刻的关系，瞬时的最大泄放量就可得到。这最大量泄放量通 常在临界温度邻近。单个安全阀泄放量确定 在这一章节列出了不同的超压缘故，它是泄放量确定的基础， 。以下章 节详细讲明了需要超压爱

9、护的一些通常事故。操作人员的阻碍 决定最大泄放工况还要考虑操作人员的反应和对一连串错误行动的明白得。通常可接收的反应时刻在1030分钟之间，这取决于装置的复杂程 度。这反应的有效性还取决于工艺动力学。5.2 关闭出口阀 当设备或系统所有的出口阀关闭时，为了爱护设备或防止系统超压， 泄放装置的能力要大于等于超压源。如果不是所有的出口阀门关闭，没有 关闭的出口阀泄放量也要适当地考虑。超压源来自泵、压缩机、高压供应 总管、可挥发性气体。这种情形发生在换热器中，关闭出口阀会引起热膨 胀，或者产动气体。泄放量是设定压力加上超压时的泄放量，而不是正常操作条件下的泄 放量。当这一区不没有考虑到时，泄放量常会

10、大大减少。在确定泄放量时， 还要考虑到超压管线与泄放管线之间的摩擦缺失。冷却或回流发生故障总则 需要的泄放量取决于系统泄放压力下的热量和物料平稳。在精馏系统， 泄放量运算取决于有无回流。冷媒停止时，剩余的冷量通常不考虑，因为 这部分冷量发生作用的时刻是专门有限的，同时取决于配管的实际布置。 如果工艺配管系统超常规的大，同时不保温，就要考虑热缺失。因为详细的热量平稳和物料平稳运算有困难，在 5.3.25.3.9 中，列出 通常可接收的确定泄放量的简单原则。全凝 泄放量确实是进入冷凝器的总的气体量，运算的温度对应当设定压力 加上超压和进入的热量减泄放的热量时的新的气相组成，在正常液位的顶部积聚的脉

11、冲量通常限于 10 分钟之内。如果冷媒发生故障超过那个时刻， 回流也没有，顶部的组分、温度和气相量会有专门大的变化。部分冷凝 泄放量是泄放条件下，进出气体量之差。进入的气体量应该按 5.3.2 基 准运算，如果回流的组成或回流量改变，进入冷凝器的气体量就应该由新 的条件决定。风扇发生故障 因为自然对流的作用，既使风扇发生故障，如果泄放条件没有明显不同，通常还有正常能力20%30%的冷凝量，泄放量分不是全凝或部分冷 凝这两种工况的70%80%。然而，实际冷凝量通常取决于空冷器的设计 性能，如果风扇和机械夹点显现，就会降低冷却能力。百叶窗关闭空冷器的百叶窗关闭，确实是整个冷媒发生故障，泄放量运算同

12、 5.3.2 及 5.3.3。百叶窗关闭可能来自自动操纵发生故障，机械联接发生故障，或 者在手动位置的百业窗发生破坏结构性的振动。顶部回流 在大多数情形下，例如：泵关闭或阀门关闭都会引起回流发生故障， 进入冷凝器的流量就等于 5.3.2或 5.3.3的失去冷媒的量。停止回流会产生 不同的气相组成，这会阻碍泄放量。在这种情形下，安全阀尺寸是考虑冷 媒全部停止的工况，但每种工况必须通过测试有关的部分组份和系统得到。泵的循环 泄放量确实是气化量，它是泵循环中获得的热量引起的。气化潜热确 实是在泄放温度、泄放条件下的潜热。顶部回流加上泵的循环顶部回流和泵的循环通常可不能同时发生故障，然而，一个部分故障

13、和一个全部发生故障依旧可能的。泄放量同 5.3.6 和 5.3.7。侧线回流停止同 5.3.6 和 5.3.7。泄放量足够大以便泄放从系统获得的热量而产生的气 化量。吸取流发生故障 对碳氢化合物的贫油，通常贫油发生故障可不能引起泄放；而关于 酸性气体脱除单元，大量的气体 （大约 25或更多 ）会被吸取剂吸取，如果 失去吸取剂，因为下游系统不能处理增加的流量，会使压力升高到泄放压 力。合成气二氧化碳吸取单元中的下游气体进入甲烷化就更难分析。任何 一点点超过设计能力的二氧化碳进入甲烷化，同时即使发生部分吸取剂故 障，也会导致快速升温，引起甲烷化进料阀关闭，打开放空阀。如果放空 阀关闭，会引起超压。

14、每种工况必须研究它的工艺和外表特性，研究范畴应包括对下游工 艺单元的阻碍以及对吸取剂的配管和外表的阻碍。不凝性气体积聚 随着工艺物流的开释，不凝性气体在正常条件下可不能积聚，然而有 某种管道布置，会使不凝性气体积聚在某一点，引起冷凝器破裂，这一作 用相当于失去冷媒。易挥发物料进入系统水进入热油 尽管水进入热油会引起超压，但没有公认的方法运算泄放量。如果进 入的水量和热量可确认，泄放阀阀径就可象物料阀门一样运算，不幸的是， 进入的水量永久不能明白。同时由于从液体到气体体积膨胀如此之大 （常压 下，大约为 1： 1,400），产生的气体是瞬时的，阀门能否快速打开是个咨询 题。通常，为这一偶然事故不

15、提供压力泄放装置。在工艺设计和操作中力 争取消这种可能性。为了幸免水积聚形成袋形应安装蒸汽凝液疏水阀，在 水到热工艺管线上安装双切断阀和放空阀。轻烃进入热油讲明同 5.6.1，轻烃进入热油，从液体变成气体的速率不小于 1：1,400。 工艺物流上的自控阀发生故障总则设备或系统上的自动操纵阀直截了当受工艺操纵或间同意工艺变化操 纵 （例如：压力、流量、液位或温度 ）。当自控阀发生故障时，自控阀应该保 证按照基础设计的要求，处于全关或全开的位置。泄放量确定运算任何工况的泄放量，不考虑因操纵阀而引起泄放，也确实是操纵 阀所在的位置，应能保证正常工艺流量通过。正常的阀门位置第一是考虑 设计能力和系统关

16、闭的工况，而不是考虑事故。因此，如果流过操纵阀的 条件不改变 （见 5.7.5），就要修改这些操纵阀的正常流量，更换泄放条件， 保证下游系统能处理增加的流量。操纵阀进口操纵阀进口可能有一根或多根进口管线。关于只有一根进口管线的操 纵阀，只考虑全开位置，而不考虑操纵阀发生故障的位置。操纵阀打开， 也可能是外表发生故障或误操作引起的。关于有多根进口管线的操纵阀系 统，应保证在这些管线上的任何一个操纵阀应在它的正常操作位置，因此， 泄放量是预期的最大进口流量与正常出口流量之差，假设条件是：这系统 中一个操纵阀关闭，而其他操纵阀仍在正常操作点 （即：正常打开，正常关 闭或节流 ）。如果操纵阀的一个或多

17、个出口关闭，或者使操纵阀的多个进口 打开，并引起操纵阀的第一个进口打开，泄放量为预期的最大进口流量与 打开的出口流量之差。5.7.4 操纵阀出口 每个操纵阀出口在确定泄放量时应考虑全开和全关位置，不考虑由于 外表系统发生故障或误操作而引起操纵阀处于错误的位置。如果一个或多 个进口阀由于出口阀错误关闭而打开，压力泄放装置应满足阻止超压的要 求，泄放量是最大进口流量与最大出口流量之差，要运算泄放条件下的所 有流量，也要考虑操纵阀操作工粗心引起的关闭。专门泄放量的考虑尽管操纵阀，例如：隔膜阀的规格和尺寸只考虑正常操作工况，但在 非正常工况下，例如安全阀泄放时，这些操纵阀也能操作。阀的设计和操 作位置

18、应符合非正常工况下的操纵信号，由于泄压条件下的泄放量与正常 工况下的泄放量是不同的，因此在运算操纵阀的能力时要按照泄放工况的 温度和压力来确定泄放量。极端情形是流体的状态是变化的（例如，从液 体到气体，或从气体到液体） ，例如选择处理液体与处理气体的全开调剂阀 的区不专门大，在失去液位的地点气化，使高压气体通过操纵阀到只按正 常进入的液体气化运算管径的系统。非正常工艺热量进入泄放量是泄放条件下气体产生的最大流量（包括来自过热产生的不凝 性气体），少于正常的凝液量或气体量。在每种工况，设计者应考虑系统潜 在的工况和它的每一个组成。5.9 内部爆炸（不包括爆燃）气体和空气混合物引起内部爆炸时，超压

19、爱护应该采纳爆破片而不采 纳安全阀，因为内部燃烧扩散引起的快速升压如采纳安全阀爱护容器就太 慢了。泄放面积取决于以下因素：初始条件（温度、压力、组成） 。 明确的燃烧扩散气相或气体的物性。容器的体积d 泄放装置的起跳压力e. 发生爆炸事故时的最大压力化学反应按照 DIERS （Design Institute of Emergency Relief Systems）方法， 确定化学反应的紧急事故泄放气管径。具体方法如下：定义化学反应非正常工况的设计基础 通过实验测试运算非正常工况的系统特性 通过两相流运算公式运算管径化学反应失控通常与下列因素有关：外部火灾失去混合失去冷却试剂装载错误电力故障确

20、定发生电力故障时的泄放量，要认真研究电力故障对哪些设备有阻 碍，这些故障是如何阻碍装置生产的。液体膨胀缘故液体膨胀是指温度升高引起体积增加，通常有以下几个缘故；a. 充满冷液的管道或容器被切断时，因为蒸汽伴热、盘管、环境热量 或火灾获得热量。换热器冷侧切断，冷侧的液体被热侧加热。充满常温液体的管道或容器被切断，管道或容器里的液体被辐射热加 热。60oF烃类和水膨胀系数液体重度（oAPI）数值（F）3-34.90.000435-50.90.000551-63.90.000664-78.90.000779-88.90.000889-93.90.0008594-100及更轻的0.0009水0.000

21、15.12.2 管径和设定压力 泄放量不是专门容易确定的，因为每种实际情形液体泄放量是专门小 的，因此要定合理的，而不是安全系数过大的安全阀。通常采纳3/4” x1”的安全阀。如果有理由相信这一尺寸不够，应采纳3.14.3 的方法。选择合适的设定压力应该研究系统关闭时所有的设计流率，设定的热 膨胀压力决不能大于被爱护系统的最大压力。如果只有液体膨胀一种工况， 安全阀的设定压力要设得较高；如果安全阀出口进入一个封闭系统，应考 虑背压的阻碍。5.12.3 专门工况 地面上的不保温大管径长管道和大型容器或充满液体的换热器上安装安全阀时，通常大于3/4” X 1”。在常温或低于常温的长管道两端的进出口

22、阀门关闭时，阳光辐射引起的温度升高可通过运算得到，如果总热量传 递速率和液体的热膨胀系数明白，就可运算泄放量。运算液体膨胀泄放量 公式如下：W = BH/CpW ：质量泄放流量， kg/hB :体积膨胀系数，1/CH ：正常工作条件下最大传热量， kj/hCp:定压比热，kj/kg C外部火灾5.13.1 外部火灾对潮湿表面容器的阻碍液体气化容器内液面之下的面积统称为潮湿面积。 发生火灾时，外部火灾传入的热量通过潮湿面积使容器内的物料气化， 潮湿面积只考虑容器小于等于7.5m以下的潮湿面积，通常7.5m以上部分 不考虑。潮湿面积包括火灾阻碍范畴内的管道外表面积。关于充满液体的容器，潮湿面积为

23、7.5米高度内的表面积。关于缓冲罐、分离罐和工艺容器， 潮湿表面为正常液面不高于 7.5米下 的表面。精馏塔的潮湿表面为塔底正常高度和 7.5 米高度内塔盘上液体部分的 表面积之和。贮罐的潮湿面积为 7.5 米高度内的表面积。球形容器的潮湿面积为半球表面积或距地面 7.5 米高度内表面积中的 较大者。容器外壁纠正系数（ F） 容器壁外的设施能够阻碍火焰热量传至容器， 用容器外壁纠正系数 （F） 反映其对传热的阻碍。按照劳动部颁发的压力容器安全技术监察规程 （1991年 1 月 1 日施 行）中规定：a. 容器在地面上无保温：F= 1.0b. 容器在地面下用砂土覆盖：F= 0.3C.容器顶部设有

24、大于10l/（m2 x min）水喷淋装置：F= 0.6d. 容器在地面上有良好保温时，按式（ 2）运算 按照美国石油学会标准 API 520：a. 容器在地面上无保温：F= 1.0b. 容器有水喷淋设施：F= 1.0c. 容器在地面上有良好保温时：按式（ 1）运算：F=4.2 x 10-6 入 /do（904.4-t）（1）式中：入：保温材料的导热系数，kj/（m x hxC ）do：保温材料厚度，mt :泄放温度，Cd. 容器在地面之下和有砂土覆盖的地上容器，按式（3）运算，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，保冷材料不耐烧，因此，保冷容器的外壁纠正系数（F）为

25、1.0。安全泄放量5.13.3.1 按照劳动部颁发的压力容器安全技术监察规程 （1991 年 1 月 1 日施行）中规定：a. 无保温层W = 2.55X 105FA0.82/HL( 2)W ：质量泄放量， kg/hA ：总潮湿面积， m2HL ：泄放条件下气化热， kj/kgF ：容器外壁纠正系数，取 F=1.0b. 有保温层W = 2.61 x (650-t) x 入 x A0.82/(HL x do) (3)W :质量泄放流量，kg/hA:总潮湿面积，m2HL :泄放条件下气化热，kj/kg入：保温材料的导热系数，kj/(m x hxC )do：保温材料厚度，mt :泄放温度，C5.13

26、32按照按照美国石油学会标准 API 520中规定：关于有足够的消防爱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:W= 1.555x 105FA0.82/HL(4)否则，采纳式( 5)运算W = 2.55x 105FA0.82/HL(5)式中符号同式( 2)。5.13.4外部火灾对无潮湿表面容器的阻碍气体膨胀 无潮湿表面容器是指容器内是蒸汽、气体或超临界流体，以及在正常 条件下是气、液两相，但在泄放条件下，变成全气相。无潮湿表面容器在外部火灾情形下，容器将在短时刻内由于金属材料 的软化而发生破坏。设置安全阀不能爱护这类容器不受破坏，因此要安装 消防设施和排放系统使容器远离易燃的

27、物料。运算公式如下:W = 8.764x (MP1)0.5 x A1 x (Tw-T)1.25/T11.1506W :质量泄放流量， kg/hM :分子量P1 ：泄放压力， MPaAA1 ：距地面 7.5m 以下的容器外表面面积， m2TW ：金属壁温， K ，关于碳钢为 866KT1 ：气体温度， KT1=P1/Pnx TnPn ：气体正常操作压力， MPaATn ：气体正常操作温度， K换热器管破裂泄压装置安装的必要性按照 ASME 规范，换热器和类似的容器应该安装安全阀，以爱护换热 器在内部发生故障时，幸免超压。具体体现以下四个咨询题：a. 估量内部故障的形式和范畴b. 泄放量的确定c.

28、 选择快速起跳的安全阀以幸免超压d. 选择合适的安装位置以便及时检测到超压 换热器管破裂，大量高压侧流体流入换热器低压侧，会引发事故，极 小的泄漏会引起换热器超压。 标准的水压试验是设备设计压力的 1.5倍，因 此换热器低压侧的设计压力应不小于高压侧设计压力的2/3，如果实际的低压侧试验压力低于 1 .5倍的设计压力，低压侧就应确定是否需要设安全阀。 低压侧的设计压力大于等于 2/3 高压侧设计压力，低压侧就不需要设安全 阀。关于新设计的换热器，可提升低压侧的设计压力以减少风险。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，在低压侧设置安全阀。泄放量的确

29、定高压侧流体为液相的泄放量W=72000CtAt(2g(PH- PL) p )0.5W ：质量泄放流量， kg/hCt :流淌系数，省却值=1.0At ：管侧截面积， m2At = (Dtube2/4) nDtube :管内径，mmg :重力加速度(g = 9.80665)PH :高压侧的操作压力， kPaAPL :低压侧的泄放压力， kpaAp：高压侧流体的密度，kg/m3 高压侧流体为气相的泄放量kH)-(PL/PH)(kHW = 20At(2g(kH/(kH-1)(MPH2/(ZHRTH)(PL/PH)(2/ +1)/ (kH)0.5W :质量泄放流量， kg/hAt :管侧截面积， m2At = (Dtube2/4) nDtube :管侧内径， mg :重力加速度(g = 9.80665