安全阀反力计算与应力分析

一、什么是排汽反作用力安全阀是化工装置压力容器、压力管道及其他受压设备的超压保护装置。当系统压力超过安全阀的设定起跳压力时，安全阀通过其阀瓣开启使得压力泄放，从而达到降压保护系统的目的。在安全阀的排汽泄压过程中，会对与其相连的管道及其支撑结构产生一定的反作用力，称为排汽反力。

                               
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二、什么是安全阀开闭式系统

安全阀的开式系统与闭式系统当系统压力超过最高允许操作压力时，安全阀将进行排气泄放以降低系统压力，从而保证系统的安全。安全阀开启时，气体直接排放到大气或排放到与安全阀不相连的放空管称为开式系统。安全阀开启时，气体通过直接与安全阀相连接的排气管道排放至密闭系统称为闭式系统。

                               
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流体在闭式排放系统中，可以讲流体是在稳定流动状态下泄放，泄放物进入闭式排放系统时，压力泄放装置一般不会对排放系统产生大的作用力和弯矩。只是在急剧膨胀点有较大的反作用力需要计算。然而简单的分析方法不适用于闭式排放系统，需要对其配管系统进行随时间变化的复杂分析以便获得反作用为和弯矩的实际值。

                               
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以下参照规范都是按照开放式系统进行理论分析计算。

三、计算排汽反力采用的标准规范
安全阀气体泄放反作用力的计算安全阀排气反作用力通常由安全阀制造厂提出。如果制造厂未给出有关数据，可按照以下标准计算：API RP520-2003 《炼油厂减压装置的选型与安装》SY/T 10044-2002《炼油厂压力泄放装置的尺寸确定、选择和安装的推荐作法》(这个标准可以说大部分是参照上面美标的API RP 520) HG/T 20570.2-1995 《安全阀的设置和选用》ASME B31.1-2022 《Power Piping》

安全阀开启后的稳态流动对弯头处的反作用力垂直向下（如上图所示）， 其作用力的大小通常有 3 种计算方法 ，分别是上面描述的几个：API 520、HG/T 20570—1995和ASME B31.1规范中所介绍的。

四、计算方式与比较

由于在安全阀泄压排放过程中， 排气管的出口压力一定大于背压，此时的流动称为临界流动，所以对应的排气管末端参数为临界参数。3个规范中计算公式都是从临界参数推导得出，但API 520的临界参数是由滞止压力和滞止比容来确定，ASME B31.1 的临界参数是由滞止焓来确定。根据气体动力学基础，气流从某一状态绝能等熵滞止到速度为零的状态称为滞止状态， 相应状态下的气流参数称为滞止参数。安全阀在排放前介质流动速度几乎为零，此时的状态可理解为滞止状态，排放压力为滞止压力，排放温度为滞止温度， 然后查相应的滞止比容和滞止焓值。

在工程上，对于介质可近似为理想气体的安全阀系统排汽反力计算，运用两个标准给出的公式计算都是正确的。直接由于文章阅读时间和方便整理，以下直接给总结出相应的公式。整个推导过程在各个标准中相关解释和说明，实施过程中仔细查看标准。

1）API 520 标准中计算公式：

                               
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2）ASME B31.1对开式排放系统中排放弯头处反作用力的计算公式应用了滞止焓，其临界压力、临界速度和排放反作用力计算公式为：

                               
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（美标原文中的表达公式，以下做了一个米制单位的公式）

A ———排汽管流通面积 mm2a、b ———气体常数，可查 ASME B31.1标准附录 II 中表 II-2.2.1h0———安全阀进口处气体的焓值 J / kgp ———泄放时排放口处的临界压力(绝压) MPapa———大气压力( 绝压)MPaV ———泄放时排放口处的临界速度 m/sW———介质质量流量 kg / s3）HG/T 20570.2—1995《安全阀的设置和选用》中，反作用力计算公式为：

4）以上三种表达式的区别与联系

a） API 520、HG/T 20570—1995、ASME B31.1计算安全阀泄压排放时反作用力公式是基于临界参数推导而来， 只是计算方法不一样。API 520 与ASME B31.1 计算结果基本一致， 工程上都可应用。但 HG/T 20570—1995 与 API 520 相差较大。

b） ASME B31.1 引入过热蒸汽和饱和蒸汽滞止焓等热力学参数， 使计算结果更准确。而 API520 是利用理想气体状态方程把滞止压力和滞止比容转化成与滞止温度有关的公式， 对于非理想气体计算可能存在一定的偏差。五、排气反作用力对管道造成的应力

安全阀排放时流体流动会产生反作用力(作用力垂直向下)。除非采用特殊的设计方式，否则这种力就会传递到压力泄放装置本身，也会传递到固定的支架或者是设备上相联的容器壁上。载荷及其引起的应力精确值取决于反作用力的大小和管系的安装。作为设计者应负责分析排出系统以判定反作用力和连带的弯矩是否会对系统中任何设备引起过大的应力。

反作用力的大小取决于排放是开式还是闭式的。如果为了引导流体进入放空管而要在排放系统中安装弯头，弯头的位置和支架的安装在分析弯矩时是要考虑的重要的因素。六、安全阀管道的柔性设计

安全阀出口管道设计时，需要考虑的因素很多，例如：满足介质流速要求、防止背压过大影响安全阀启动、保证安全阀反力不会对阀门及管道造成破坏、避免管道积液等。重点从保证安全阀反力不会产生破坏这方面,分析出口管道的合理设计。很多做放空管设计时喜欢在管口处加两个90度弯头，使放空管最终管口朝下；或者加一个 90 度弯头，使管口水平排放。

首先分析左边图，放空管水平出口，泄放时必然以水平推力的形式作用到管道出口。由于管道上没有反方向支架来承受此反力，则此力必然通过管道以力矩形式作用到安全阀和设备管口处，当反力大到一定程度时，甚至会导致法兰变形、管口撕裂。向大气排放的安全阀排放管管口朝上时应切成平口，并设置防雨水措施，注意避免泄放时冲击力过大，导致防雨设施脱落伤人。安全阀排放管水平安装时，应将管口切成 45°防雨水，要避免切口方向安装不合适，致使排出物喷向平台。

再分析右边图，放空管出口向下，泄放时出口处的反力则向上作用，由于顶部弯头处没有支架承受反力，则反力最终必然以力和力矩的形式作用在安全阀和管口处，容易造成安全阀、管口及法兰的破坏。

鉴于以上的原因，安全阀排放时的反力以及出口管的自重、振动和热膨胀等力的作用，安全阀出口应设置合理的支架，对于安全阀排放压差较大的管道必要时需设置减振支架（支架设置要根据安全阀反力计算确定）。

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在进行安全阀排汽反作用力的计算与应力分析时，我们主要考虑下面这些步骤和概念：

一、排汽反作用力定义：
在安全阀排汽泄压过程中，由于高速流体的排放，会对安全阀及其连接的管道系统产生一个反向的力，这个力就是排汽反作用力。

二、安全阀开闭式系统：
- 开式系统：安全阀在开启后，气体直接排放到外部环境或者一个与安全阀不直接相连的放空管中。
- 闭式系统：开启的安全阀将气体通过直接相连的管道排放到另外一个封闭容器或者系统中。

三、计算排汽反力采用的标准规范：
使用以下几个标准规范来计算排汽反作用力：
- API RP520-2003《炼油厂减压装置的选型与安装》
- SY/T 10044-2002《炼油厂压力泄放装置的尺寸确定、选择和安装的推荐作法》
- HG/T 20570.2-1995《安全阀的设置和选用》
- ASME B31.1-2022《Power Piping》

四、计算方式与比较：
在计算反作用力时，需要考虑流体的临界流动条件，因为排气管的出口压力高于背压，形成临界流动。不同的标准使用不同的方法来确定临界参数，API 520采用滞止压力和滞止比容，ASME B31.1采用滞止焓。

对于理想气体，可以使用这些标准中的公式来计算反作用力。计算公式会根据气体动力学的原理并结合具体介质的滞止参数，例如滞止比容或滞止焓，进行计算。

为了具体计算公式，需要阅读和遵循以上提及的标准详细说明。在实际的工程实践中，工程师通常会根据具体的系统条件和介质性质选择适合的计算标准和方法。同时，也需要注意实际应用中可能需要对计算得到的理论反作用力进行修正，以考虑真实流体行为与理想情况的偏差，以及实际排放系统可能出现的非稳态流动情况。

在进行应力分析时，则要依据计算得到的反作用力对安全阀及其连接的管道系统进行力学分析，确保在排汽时的强度和稳定性满足设计要求。
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