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安全閥排放管道支架設計

文檔作者：陳紅文檔來源：中國石化洛陽石化工程公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月21日
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安全閥排放管道支架設計
陳紅? 中國石化洛陽石化工程公司洛陽471003
摘要分析和研究安全閥排放管支架的設計。通過分析和計算所受的力和力矩，介紹安全閥排放管
道支架的設計方法。
關鍵詞安全閥排放管支架
在安全閥配管設計中，排放管支架設計是一
項重要的工作，它關系到安全閥能否正常工作，
也關系到裝置的安全。
1 力和力矩
安全閥的排放系統(tǒng)分閉式和開式兩種，計算
其反作用力和力矩采用不同的方法。
閉式排放系統(tǒng)排放至儲罐或者火炬系統(tǒng)，排
放終點通常連接設備，其出口管道產(chǎn)生的熱位移
較大。除要考慮排放介質(zhì)反作用力和自重的影響
外，還需計算二次應力。
開式排放系統(tǒng)排放至大氣，其特點是瞬時
性，排放管受熱介質(zhì)影響較小，不計算熱位移對
出口管的影響，即不需計算二次應力。
1.1 閉式排放系統(tǒng)
通常，安全閥閉式排放系統(tǒng)的排放管相對較
長，我們稱之為“管系”。在穩(wěn)態(tài)流動條件下，
管系各部位所受的力和力矩具有自平衡性。
在連續(xù)排放高溫介質(zhì)的情況下，會使管道產(chǎn)
生變形。管道與設備（或火炬）相連接的地方，
由于設備溫度的變化而出現(xiàn)端點位移，端點位移
也使管系變形。這些變形使管系承受彎曲、扭
轉(zhuǎn)、拉伸和剪切等應力。目前，計算各點所受力
和力矩通常用應力分析程序CAESARⅡ進行計
算。我們可以將安全閥出口管道的操作條件和管
系的走向等數(shù)據(jù)輸入計算機，應用程序進行計
算。由于閉式排放系統(tǒng)出口管道力和力矩的計算
有完善的計算程序，同時該程序應用也較為廣
泛，故本篇對該部分不作介紹。
1.2 開式排放系統(tǒng)
開式排放系統(tǒng)的出口管道沒有程序化的計
算，其計算結(jié)果對排放管的支架設計很重要，因
此我們將該部分作為重點進行分析和研究。
目前計算安全閥排放管所受力和力矩常用的
方法是荷載分析法。荷載分析及計算方法考慮安
全閥的排放管除承受內(nèi)壓、自重等靜荷載以外，
還要承受排氣的反作用力等動力荷載。下面將給
出排放管動力荷載的計算公式。
安全閥排放管出口的流動狀態(tài)可能是臨界流
動（臨界壓力大于或等于大氣壓力），也可能是
亞臨界流動（臨界壓力小于大氣壓力），兩者計
算方法是不同的。
首先，根據(jù)安全閥排放介質(zhì)的參數(shù)計算排放
管出口的臨界壓力、臨界流速和臨界比容：
PcE 2
?K（K+1）
·Gf
?P0V0
·10-3 （1）
WcE 2K
K+1
?·P0V0
·103 （2）
VcEWc·fG
（3）
式中，Pc為臨界壓力，MPa；Wc為臨界流速，
m／s；Vc為臨界比容，m3／kg；K為介質(zhì)的比熱
比（絕熱指數(shù)），對于空氣、O2
、N2
、CO等，K
E1.4；對H2
，KE1.41；對于過熱蒸汽、CO2
、
H2S等，KE1.3；對飽和蒸汽，KE1.13；G為
介質(zhì)流量，kg／s；f為排放管出口流通截面，
m2；P0
為安全閥入口滯止壓力，MPa；V0
為安
全閥入口滯止比容，m3／kg。
其次，根據(jù)上述公式計算結(jié)果，可以判斷排
30 CHEMICALENGINEERINGDESIGN 化工設計2005，15（4）
? 陳紅：工程師。1994年畢業(yè)于撫順石油學院化工設備與機械專業(yè)。一直從事管道設計工作。聯(lián)系電話：（0379）63851302，
13783174880。
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放管的流動狀態(tài)。
如果為臨界流動，則排放管道的末段參數(shù)為
臨界參數(shù)，始端參數(shù)與管道的總阻力系數(shù)ζ有
關。
始端參數(shù)可按下式計算：
PsEPc·（K+1
2 β-K-1
2β
） （4）
WSEWC
／β （5）
VSEVC
／β （6）
β2E 2K
K+1ζ+1+2·lnβ （7）
式中，Ps為排放管始端介質(zhì)壓力，MPa；Ws為
排放管始端介質(zhì)流速，m／s；Vs為排放管始端介
質(zhì)比容，m3／kg；β為介質(zhì)的比容比；ζ為等截面
管道的總阻力系數(shù)：
ζEλ
DL+Σξ （8）
式中，λ為管道的摩擦系數(shù)；D為管道的內(nèi)徑，
m；L為管道的長度，m；Σξ 為管道局部阻力
系數(shù)的總和。
如果為亞臨界流動狀態(tài)，則虛段比容比：
βEPII
／PC+ （PII
／PC
?）2+K2-1
K+1
虛段阻力系數(shù)：
ξ1EK+1
2K
（β2-2lnβ-1）
1.2.1 排放管受力
在穩(wěn)態(tài)流動的條件下，安全閥開啟時的反作
用力F包括動量效應和應力效應兩部分，即：
FEG·W+（P-Pa）f·106 （9）
式中，F(xiàn)為排放管出口的反作用力，N；G為質(zhì)
量流率，kg／s，按安全閥開啟時最大流率的1.1
倍；W為排放管的出口流速，m／s；P為排放管
出口的靜壓，MPa；f為排放管出口的通流面積，
m2；Pa為大氣壓力，MPa。
為了考慮瞬態(tài)流動的影響，還應計入動載因
子DLF（及動力放大特性），常取DLFE2。
1.2.2 排放管受力矩
由排放管所受力引起的彎矩可按以下公式計
算：
M1EF·d·DLF （10）
式中，M1
為彎矩，N·m；F為反力，N；d為分
析點到反力作用線的距離，m；DLF為動載因
子。
1.2.3 加放空管時所受力和力矩
在進行安全閥出口排放管設計時，如果在出
口管道外加設放空管，如圖1所示，且安全閥放
空管和放空管支架生根點與安全閥出口管和出口
管支架生根點隔開，則將大大降低安全閥放空管
對安全閥的影響。故安全閥出口管道支架設計還
包括安全閥放空管支架設計，因此，需計算放空
管所受力和力矩。
放空管在安全閥開啟時，受到FA
和FB
兩個
力的作用，它們可按上述公式計算。設置支架
時，支架應能承受垂直方向和水平方向的不平衡
力和力矩。
圖1 安全閥出口放空管
放空管所受力：
FEFB-FA-W
式中，F(xiàn)B
、FA
根據(jù)式（9）計算；W為放空管自
身的重量（如果放空管很短，可忽略）。
放空管所受力矩同樣可以按式（10）計算。
為了便于分析安全閥排放管所受的力和力
矩，我們將把安全閥排放管分成兩部分：安全閥
出口管和安全閥放空管（對閉式排放系統(tǒng)安全閥
出口排放管同樣適用）。
1.2.4 示例
通過以上對開式排放系統(tǒng)排放管道所受力和
力矩的分析，我們可以用來解決實際問題。下面
以某煉油廠的安全閥開式排放條件為例，計算排
放管道所受力和力矩。
某煉油廠一安全閥的排放介質(zhì)為過熱蒸汽，
排放量為62t／h。安全閥開啟壓力為P0E11.2
2005，15（4） 陳紅安全閥排放管道支架設計31
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MPa，過熱溫度為520?，比容為V0E0.03245
m3／kg，垂直放空管道長度為LE10m。
由于安全閥出口管通常做法是加放空管，所
以下面將同時計算安全閥出口管出口和放空管固
定點所受的力和力矩。根據(jù)工藝參數(shù)和出口介質(zhì)
壓力，可計算出安全閥出口管為Φ159mm*4.5
mm，放空管為Φ219mm*6m（可參考表1放
空管尺寸選擇表），安全閥排放管如圖2所示。
圖2 安全閥排放管
計算放空管重量：
WEL*π（D2
）2-（d2
［ ）2］*p
E315N
通過計算，II-III段的流通截面為0.01767
m2；質(zhì)量流率為974.6kg／m2·s。I-II段的流通
截面為0.03365m2；質(zhì)量流率為511.8kg／m2·s。
由等截面管道的總阻力系數(shù)得II-III段總
阻力系數(shù)為0.4677；I-II段的總阻力系數(shù)為
1.5。
首先計算I-II段：
過熱蒸汽的比熱容比：
KE1.3
臨界壓力：
PcE 2
?K（K+1）
·GfP0V ?0
·10-3
E 2
?1.3（1.3+1）*511.8 ?11.2*0.03245*
10-3
E0.252MPa
臨界流速：
WcE 2K
K+1
?·P0V0
·103
E 2*1.3
?1.3+1*11.2*0.03245*103
E640.9m／s
臨界比容：
VcEWc·fG
E640.9／511.8
E1.252m3／kg
由于Pc大于大氣壓力，所以為臨界流動，
管段I-II按臨界流動狀態(tài)計算。
按式（7）經(jīng)試算求得管段I-II段的比容比：
βE2.027
截面II的參數(shù)為：
PIIEPc（K+1
2 β-K-1
2β
）
E0.252*（1.3+1
2 *2.027- 1.3-1
2*2.027
）
E0.569MPa
WIIEWc／β
E640.9／2.027
E316.18m／s
VIIEVc／β
E1.252／2.027
E0.618m3／kg
然后計算II-III段：
臨界壓力：
PcE 2
?K（K+1）
·Gf
?P0V0
·10-3
E 2
?1.3（1.3+1）*974.6*?11.2*0.03245*10-3
E0.480MPa
臨界流速：
WcE 2K
K+1
?·P0V0
·103
E 2*1.3
?1.3+1*11.2*0.03245*103
E640.9m／s
臨界比容：
VcEWc·fG
E640.9／974.6
E0.658m3／kg
由于Pc小于PII
，所以為亞臨界流動。
則虛段比容比：
βEPII
／PC+ （PII
／PC
?）2+K2-1
K+1
E0.569／0.480+?（0.569／0.480）2+1.32-1
1.3+1
E1.145
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虛段阻力系數(shù)：
ξ1EK+1
2K
（β2-2lnβ-1）
E1.3+1
2*1.3
（1.1452-2ln1.145-1）
E0.0363
全段阻力系數(shù)：
ΣξE0.4677+0.0363
E0.5039
按公式（7）經(jīng)試算求得管段C-B段的比容比：
βE1.574
截面III的參數(shù)為：
PIIIEPc（K+1
2 β-K-1
2β
）
E0.480*（1.3+1
2 *1.574- 1.3-1
2*1.574
）
E0.823MPa
WIIIEWc／β
E640.9／1.574
E407.18m／s
VIIIE Vc／β
E0.658／1.574
E0.418m3／kg
故可以算出III點所受的力：
FIIIEG·W+（PIII-Pa）f*106
E62
3.6*407.18+（0.823-0.0981）*0.01767
*106
E19821N （方向向右）
截面II受力：
FIIEG·W+（PII-Pa）f*106
E62
3.6*316.18+（0.569-0.0981）*0.03365
*106
E21291N
方向向下，相反，截面II放空管受力向上。
安全閥入口接管根部的彎矩：動力系數(shù)
DLF取2，則
MEFII
·d·DLF
E21291*0.5*2
E21291N·m
為了克服安全閥入口接管根部處的彎矩，故
要求在安全閥出口管彎頭處設一支架。
截面I受力：
FIEG·W+（PC-Pa）f*106
E62
3.6*640.9+（0.252-0.0981）*0.03365*
106
E16216N
I點處垂直分力：
FIVEFI*cos30≠
E14043N
水平分力：
FIHEFI*sin30≠
E8108N
動力系數(shù)取2，求固定點受力：
垂直分力：
FVE2*（FII-FIV-W ）
E2*（21291-14043-315）
E13866N（方向向上）
水平分力：
FHE2*FIH
E2*8108
E16216N（方向向右）
由垂直分力FV
對固定點產(chǎn)生的力矩為：
MVEFV*L0E13886*0.5
E6943N·m
根據(jù)判斷力和力矩方向，用右手原則，力矩
方向朝里。
又由于水平分力對固定點也產(chǎn)生了力矩
MHEFH*0.5
E16216*0.5
E8108N·m
用右手原則，力矩方向朝里，故固定點所受
彎矩：
MEMV+ MH
E15051N·m
通過計算固定點所受的力和力矩，為設計放
空管支架提供依據(jù)。
2 支架設計
安全閥排放管道支架設計包括：開式排放管
道支架和閉式排放系統(tǒng)管道支架的設計。所謂支
架設計，實際上是根據(jù)各種已有的支架型式（已
通過計算程序校核，并現(xiàn)場實際應用可行），依
據(jù)計算的各點所受的力和力矩（閉式排放系統(tǒng)管
道還包括位移），正確選取合適的支架。
選取支架的原則：所選取的支架允許的荷載
和許用彎矩，必須大于實際所受的力和彎矩。
2.1 開式排放系統(tǒng)
由前面分析，安全閥開式排放系統(tǒng)管道包括
2005，15（4） 陳紅安全閥排放管道支架設計33
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出口管和放空管。其支架設計包括這兩部分管道
的支架設計。
2.1.1 出口管道
通過前面分析，安全閥出口管II點受力和
力矩為：
FIIE21291N
M E21291N·m
根據(jù)FII
受力方向向下，故在彎頭處應設置
支撐支架。根據(jù)張德姜等編著的《石油化工裝置
工藝管道安裝設計手冊》第十五章“管道支吊架
系列”里“碳鋼管道彎頭支托系列”，選取WT
-1-150-H型號的支架。通常，支撐管管徑比
安全閥出口管小一級，如圖3所示。
圖3 安全閥出口管支架
2.1.2 放空管道
安全閥放空管道的支架要求應能承受泄放時
的反作用力和產(chǎn)生的力矩。通常在安全閥放空管
道上靠近最上面排放口處設置固定支架，同時，
為了防止安全閥出口產(chǎn)生過大的橫向沖擊力，在
固定支架下面的垂直管道上，每隔6~8m設置
導向支架，如圖2所示。
（1）固定支架
通過以上計算的放空管道固定點的受力和力
矩，依據(jù)張德姜等編著的《石油化工裝置工藝管
道安裝設計手冊》中第十五章“管道支吊架系
列”進行選取。
支架計算條件長度：
L0E500mm
固定點垂直分力：
FVE13866N
水平分力：
FHE16216N
彎矩：
ME15051N·m
可選用生根在柱子上的三角支架ZJ-2-8
型。
支架的懸臂梁型鋼規(guī)格為：［12.6，斜撐為
∠100*8。
支架允許的垂直荷載：
F'VE113050N>FV
其允許的水平推力：
F'HE0.3F'V
E33915N>FH
也許有人會說所選取的允許垂直荷載F'V
和
水平推力F'H
比實際大很多，但如果選用［10，
其允許的垂直荷載F'VE19650N>FV
滿足條
件，但由F'HE0.3F'VE5895N

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