1-8 API标准安全阀的开发与应用如何？
答：介绍API（American Petroleum Institute，美国石油学会）标准安全阀的规范和特点，论述了在开发该产品中所进行的性能试验和流场仿真方面的研究工作，提出了推广应用的建议。
（1）概述 我国的安全阀基本上是按照机械行业标准进行设计制造的。20世纪70年代以后，随着我国改革开放和国民经济迅速发展，从国外引进了大量石油、化工、能源、冶金和纺织等装置及设备，同时随机进口了大量国外安全阀。这些安全阀大部分是按照API标准设计、制造、试验和验收的。由于API标准安全阀与JB安全阀相比，具有显著的特点和先进性，因而近几年来，一些企业要求安装在易燃、易爆、有害或有毒介质的设备及管道上的安全阀，宜选用API标准安全阀。为了适应各类装置对安全阀的需求，对API标准安全阀进行了探讨和研究。
（2）特性
1）相关标准：与API标准安全阀相关的常用标准和规范如下。
API RP 520 炼油厂压力泄放装置的尺寸确定、选择和安装
第Ⅰ部分 尺寸和选择
第Ⅱ部分 安装
API Std 526 钢制法兰连接泄压阀
API Std 527 泄压阀阀座的密封性
API RP 576 泄压装置的检查
ASME 锅炉与压力容器规范 第Ⅷ卷
第一册 压力容器泄压装置
ASME PTC25 减压装置——性能试验规范
2）名词术语：API标准的某些名词术语与我国国内习惯用语不一致，故予以说明。
①减压装置（Pressure Relief Device）。减压装置是防止工艺系统或承压容器由于事故或不正常工况期间流体压力升高而超过预定压力值。常见的有弹簧直接载荷式减压阀、先导式减压阀和爆破片等。
②减压阀（Pressure Relief Valve）。减压阀是一种减压装置，在系统超压时阀门开启，而当系统压力恢复到正常后阀门关闭，从而防止介质继续外流。常见的有安全阀、减压阀、安全泄放阀、先导式安全阀等。
③安全阀（Safety Valve）。安全阀是一种由入口静压力驱动，并以快速开启或突跳动作为特征的泄压阀。其应用于可压缩流体。
④减压阀（Relief Valve）。减压阀是一种由入口静压力驱动的减压阀，其开启通常与超过压力的压力升高成比例。其应用于不可压缩流体。
⑤安全泄放阀（Safety Relief Valve）。安全泄放阀是一种依应用情况而作为安全阀或减压阀的泄压阀。
3）基本要求：
①安全阀的流道面积（代号）、进出口通径、压力级（磅级）、基本材料、压力-温度范围和进出口安装尺寸按APIStd526规定。
②安全阀的整定压力（ps）允许偏差与整定压力有关。当ps≤0.5MPa时，允许偏差为±0.015MPa；当ps＞0.5MPa时，允许偏差为±3%ps。
③安全阀的设计和制造按ASME《锅炉与压力容器规范》第Ⅷ卷规定。其基本条件包括机械动作、材料选择、制造及装配的检查、制造厂及装配厂的产品试验、设计、焊接及其他等七个方面。
如对阀瓣、阀座、弹簧、导套、提升装置的结构设计和材料选择要求，对制造厂及装配厂的制造、试验设备和质量控制程序的要求，如受压件的强度和气密试验要求，对试验装置、容器和试验方法的要求等。
④标以ASME《锅炉与压力容器规范》第Ⅷ卷标志的泄压阀的排量验证试验应在不超过开启压力的10%或0.02MPa压力下进行。
4）标准比较：JB、GB和API标准安全阀的比较见表1-13。
表1-13 JB、GB和API标准安全阀的比较
5）条款特点：
①规则。API标准对安全阀的结构设计、排量计算、规格、压力级、材料、制造、试验、运输、安装、使用、检查及维修，均有完整和全面的基本要求。
API RP 520/576介绍了各种类型安全阀的结构及其特点。
API RP 520第Ⅰ部分列出各种流体介质（气体、水蒸气、液体及两相流）排量下所需流道面积的计算方法，并给出相关修正系数。
API Std 526规定了14种流道直径（喉径）在不同温度和压力下的各种规格、压力级及基本材料要求，并规定必须执行ASME规范的相应制造和试验要求。
API Std 527规定了减压阀的密封性试验方法和要求。
API RP 520第Ⅱ部分列出有关安装方面的一些要求。
API RP 576列出减压装置的检查和维修要求。
ASME PTC 25为减压装置的试验装置、试验方法和试验报告提供了标准。
②规格和品种。API标准安全阀规格和品种较多。
弹簧载荷式安全阀的公称尺寸为1～8in（25～200mm），有14种（D～T）流道直径（do=ϕ9.5～ϕ146mm），25种规格，6种磅级压力级（150～2500lb[1]），-268～538℃的温度范围。(https://www.daowen.com)
先导式安全阀的公称尺寸为1～8in（25～200mm），有14种（D～T）流道直径（do=ϕ9.5～ϕ146mm），21种规格，6种磅级压力级（150～2500lb），-268～260℃的温度范围。
API标准安全阀规格、品种多，便于选择合理规格的安全阀。
③温度-压力级。API标准安全阀根据所需排量计算确定流道面积后，按照该流道面积对应的温度范围和允许的最高整定压力，确定适合的压力等级。
④材料。阀瓣、阀座及导向零件应由耐蚀材料制成，应能满足温度和使用条件。依照适用的温度，选用适合的阀体、阀盖及弹簧材料。阀体和阀盖的材料可以不同，但必须满足最低的压力-温度要求。标准中规定了阀体、阀盖和弹簧材料的最低等级牌号。
⑤制造厂和试验装置要求。制造厂的工艺装备、试验设备及质量控制程序能够保证所生产安全阀的性能一致性。安全阀性能试验装置和容器应有足够尺寸和容量。
⑥运输和安装。安全阀运输中应有保护堵盖（塞）。安全阀入口管道的压力损失Δp≤3%ps。
（3）研制 由于按照API标准生产安全阀与按照JB生产安全阀存在差异，因而产品制造过程中常出现许多问题。如结构设计不合理，材料选用不当，整定压力过高或实际排放量不满足要求等。
为了完整全面地了解、熟悉和掌握API标准（ASME规范）相关内容和要求，有必要对API标准安全阀进行深入研究，以显示其特点和先进性。对API标准安全阀的主要研究包括试验研究和建模研究。
1）性能试验研究：
①试验装置。为了进行安全阀的性能及排量试验研究，按照ASME PTC 25《泄压装置——性能试验规范》的要求建设了安全阀全性能试验装置。该试验装置主要由大流量空气压缩机、储气罐、流量调节阀、控制阀、试验容器及工位、流量计、压力传感器、温度传感器、位移传感器、计算机数据采集及处理系统等组成。
试验装置共设三个试验工位。最大试验阀通径为8in（200mm），最高试验压力为23MPa，最高试验流量为100t/h（空气）。试验工位的试验容器的容积分别为4.5m3、1.5m3、0.014m3。
为了更好地比较试验装置能力对安全阀性能的影响，随后又建造了容积为0.5m3的试验装置。典型安全阀的试验结果曲线如图1-16～图1-18所示。
图1-16 入口压力与开启高度曲线
1—入口压力 2—开启高度
图1-17 开启高度与流量曲线
1—开启高度 2—流量
②性能及排量试验。安全阀的流道结构设计对其性能及排量有重要影响。API Std 526规定了安全阀的进出口及流道尺寸，其出口面积与流道面积的比例为64.26～3.02，与JB规定的4.13～3.06相比范围及比例均较大，特别对于通径较小者有显著差别。针对结构的差异，进行了性能和排量试验。大量试验表明：a.试验装置性能对安全阀的性能有重要影响。通过对五种规格（11/2H3、2J3、3K4、3L4、4M6）的安全阀在不同试验装置上对比试验结果可以得出，试验装置的容量对安全阀的整定压力和启跳压力基本无影响。只有试验装置的容量足够大时，才能判断安全阀的回座压力及机械特性是否符合要求。b.与API Std 526安全阀相比，出口面积较小的JB安全阀其排量系数较小。在试验装置上对API和JB两种标准的安全阀进行了排量试验。试验表明，JB安全阀的出口面积较小者，影响到其排量系数减小。一般JB安全阀的排量系数为0.8～0.9，而按API标准制造的安全阀其排量系数可达0.98。
图1-18 安全阀发生颤振时的开启高度曲线
③背压试验。安全阀的出口背压对其性能有较大影响。较高的背压会影响到安全阀的动作性能及其排量。安全阀背压试验系统如图1-19所示。
图1-19 安全阀背压试验系统
背压通过背压发生器产生，调节背压主要是通过改变背压发生器中背压调节器孔板尺寸来调节安全阀出口排放背压。通过背压试验，得出两点经验：a.排放背压存在临界值，超过允许值后，会导致安全阀力学性能遭到破坏，引起安全阀颤振等现象，排放过程不稳定。b.安全阀开启高度随排放背压的升高而减小，排放背压的存在，引起开启高度的降低，导致安全阀的实际排量降低。
2）流场仿真建模研究：虽然借助于先进的性能试验装置，在安全阀动作特性和排量等方面上获得了许多成果，然而试验研究却存在着投入大、周期长、方法有局限的问题。所以将计算流体力学（CFD）应用到安全阀的基础理论研究中。利用计算流体力学软件，建立了一些安全阀内部流场的三维模型。经过试验验证，这些模型具有足够的精度和可靠性，完全可以用于工程研究，其中两个算例所得到的排量数值与试验数据的对比见表1-14。
表1-14 计算排量数值与试验数据的对比
通过对安全阀内部流场研究，对安全阀的内部流动有了全新的认识。在安全阀整个流道中，阀座的喉部是最小的几何流通截面。所以在安全阀的工程计算和设计过程中，这个流道面积就被假设为整个流道中的实际最小气动流通面积，如果该流场处于临界或超临界流动状态，则在阀座喉部处达到声速。
以往通过试验方法，已经证实这个假设存在问题，安全阀的临界截面不在阀座喉部，而是在其下游。但是究竟是什么样的流场形态，产生这一现象的机理是什么，这些试验很难解答的问题若通过流场仿真就可以很容易地解答。
图1-20为某规格安全阀内部流场中声速和超声速区域的马赫数等值线图。从图中可以看出，介质在阀座喉部的流动是亚声速的，实际的气动临界截面位于阀座与阀瓣之间形成的圆柱侧面上。
综上所述，由于API标准安全阀与JB安全阀相比，具有显著的特点和先进性。因而近些年来，API标准安全阀在我国得到越来越广泛的应用。从目前现状分析，提出以下几点建议：
1）安全阀制造厂、检验单位及使用部门需全面、完整地了解、熟悉和掌握API标准（ASME规范）相关内容和要求。
图1-20 安全阀内部流场中的马赫数等值线图
2）设计单位与制造厂应严格遵循API标准（ASME规范）要求进行安全阀的设计选型、选材和制造。
3）各制造厂对生产的API标准安全阀应开展充分的性能研究工作，以显出API标准安全阀的特点。各制造厂应通过具有资质的检测部门确定安全阀的排量系数以供用户选型时使用。
4）目前国内安全阀制造厂的生产手段和试验条件较国外厂家有较大差距，特别在试验条件方面。因而，建议安全阀制造厂和检验单位应创造条件满足安全阀性能试验的要求。例如，关于试验装置和容器应有足够尺寸和容量。这涉及回座压力的准确性及力学性能的判断。
5）安全阀使用单位应向供货单位（制造厂）提出安全阀的明确订货要求，并在收货时索要相关文件（如合格证、质量证明书、试验报告等）及进行必要项目的验收。
[1]1lb=0.45359237kg。