安全阀的工作原理

2020-04-26 真空技术网整理 阀门手册

  安全阀是锅炉(lu)、压(ya)(ya)力(li)(li)容器(qi)和压(ya)(ya)力(li)(li)管道的(de)保护(hu)装置(zhi),用来防(fang)止受压(ya)(ya)设备(bei)中(zhong)的(de)压(ya)(ya)力(li)(li)超过设计允许值,从而(er)保护(hu)设备(bei)及(ji)其运行人员的(de)安全。

  由于安全阀可以(yi)不依(yi)赖任何外部能源而动作,所(suo)以(yi)常常作为受压设备的最后一道保(bao)护(hu)装(zhuang)置(zhi)。从这个(ge)意义上说,它的作用(yong)是(shi)不能用(yong)其他保(bao)护(hu)装(zhuang)置(zhi)来代替的。

  当受(shou)压(ya)设备中介质的(de)(de)压(ya)力(li)由(you)于(yu)某种原因而异常升(sheng)高,达到预(yu)(yu)先的(de)(de)设定值时,安全(quan)阀(fa)自动开启,继(ji)而排(pai)(pai)放,以防止压(ya)力(li)继(ji)续升(sheng)高。当介质压(ya)力(li)由(you)于(yu)安全(quan)阀(fa)的(de)(de)排(pai)(pai)放而降低(di),达到另一预(yu)(yu)定值时,阀(fa)门又自动关闭(bi),阻(zu)止介质继(ji)续排(pai)(pai)出。当介质压(ya)力(li)处(chu)于(yu)正常工作压(ya)力(li)时,阀(fa)门保持关闭(bi)和密封状态。

  以下(xia)分别(bie)以弹簧直接载荷式安(an)全阀(fa)和先导式安(an)全阀(fa)为例,进一步说明(ming)安(an)全阀(fa)的(de)动作原理(li)。

  图1所(suo)示为常规(gui)弹簧(huang)载荷式气(qi)体(ti)安全阀的动(dong)作原理示意,其动(dong)作基于力的平衡。在(zai)正常操作条件下(xia),进(jin)口压(ya)力低于整(zheng)定压(ya)力,阀瓣在(zai)弹簧(huang)力作用下(xia)压(ya)在(zai)阀座上处于关闭(bi)位置,阀门处于关闭(bi)(密封)状态[图1(a)]。

气体安全阀的工作原理

图(tu)1 气体安全(quan)阀的工作原(yuan)理

  此时作用在阀瓣(ban)上(shang)的弹簧力F为

F=pA+Fs

  式中 p——介质压力,MPa;

  A——阀瓣(ban)上受压面(mian)积(ji),mm2;

  Fs——为使阀(fa)瓣(ban)和(he)阀(fa)座(zuo)压(ya)紧的向下(xia)密封附加力(li),N。

  阀(fa)瓣在阀(fa)座(zuo)密封(feng)面上的压紧(jin)力Fs,保证了(le)所需的密封(feng)性。

  在正常工作时,安(an)(an)全(quan)阀处于关闭状态(tai),安(an)(an)全(quan)阀阀瓣在系统(tong)压(ya)力的(de)(de)(de)(de)作用下向上(shang)的(de)(de)(de)(de)作用力小于阀瓣受到向下的(de)(de)(de)(de)弹簧力,其差(cha)值就是(shi)(shi)密(mi)封(feng)附加力Fs,即随着系统(tong)压(ya)力的(de)(de)(de)(de)增加,安(an)(an)全(quan)阀的(de)(de)(de)(de)密(mi)封(feng)比压(ya)是(shi)(shi)逐渐降低的(de)(de)(de)(de)。

  当系统进(jin)口(kou)压(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)等(deng)于(yu)(yu)(yu)安(an)全(quan)阀(fa)(fa)的(de)(de)整定(ding)压(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)时,弹(dan)(dan)簧(huang)(huang)力(li)(li)(li)等(deng)于(yu)(yu)(yu)进(jin)口(kou)介质作用(yong)在(zai)(zai)关闭(bi)阀(fa)(fa)瓣(ban)(ban)上的(de)(de)力(li)(li)(li),阀(fa)(fa)瓣(ban)(ban)与(yu)阀(fa)(fa)座(zuo)之间的(de)(de)作用(yong)力(li)(li)(li)等(deng)于(yu)(yu)(yu)零。当进(jin)口(kou)压(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)略高(gao)于(yu)(yu)(yu)整定(ding)压(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)时,介质流(liu)过(guo)阀(fa)(fa)座(zuo)表面进(jin)入蓄(xu)压(ya)(ya)(ya)(ya)腔(qiang)(qiang)“B”,由于(yu)(yu)(yu)反冲盘与(yu)调(diao)节圈间节流(liu)作用(yong)的(de)(de)结果,蓄(xu)压(ya)(ya)(ya)(ya)腔(qiang)(qiang)“B”内的(de)(de)压(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)增加[图1(b)],因为这时进(jin)口(kou)压(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)作用(yong)在(zai)(zai)更大的(de)(de)面积上,产生(sheng)一个(ge)通(tong)常被称为膨(peng)胀(zhang)力(li)(li)(li)的(de)(de)附加力(li)(li)(li)来克服弹(dan)(dan)簧(huang)(huang)力(li)(li)(li)。通(tong)过(guo)调(diao)整调(diao)节圈,便可以调(diao)节环形流(liu)道缝隙的(de)(de)大小,从(cong)而(er)控制蓄(xu)压(ya)(ya)(ya)(ya)腔(qiang)(qiang)“B”内的(de)(de)压(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li),这时蓄(xu)压(ya)(ya)(ya)(ya)腔(qiang)(qiang)内被控制的(de)(de)压(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)(li)(li)将克服弹(dan)(dan)簧(huang)(huang)力(li)(li)(li),导致阀(fa)(fa)瓣(ban)(ban)离(li)开阀(fa)(fa)座(zuo),阀(fa)(fa)门突跳开启。

  一旦(dan)阀门(men)已经开启,“C”处便会(hui)(hui)产生附加(jia)增压[图1(c)],这(zhei)是由于突然流(liu)量的(de)(de)增加(jia)以及由反冲盘裙边的(de)(de)内沿与调节圈外径所围成的(de)(de)另一个环(huan)形流(liu)道上的(de)(de)节流(liu)所造(zao)成的(de)(de),这(zhei)些“C”处的(de)(de)附加(jia)力(含(han)反冲力)会(hui)(hui)导(dao)致阀瓣(ban)在突跳时达到(dao)足够的(de)(de)开启高度。

  流量始终被(bei)阀(fa)(fa)座与阀(fa)(fa)瓣间(jian)的开(kai)度(du)限(xian)制着,直(zhi)到阀(fa)(fa)瓣离阀(fa)(fa)座的开(kai)启高(gao)度(du)接(jie)近1/4喉径(jing)。当阀(fa)(fa)瓣达(da)到这(zhei)种程(cheng)度(du)的开(kai)启高(gao)度(du)以后(hou),流量便由喉部流道面(mian)(mian)积控(kong)制而不是由阀(fa)(fa)座表面(mian)(mian)间(jian)的面(mian)(mian)积(帘面(mian)(mian)积)控(kong)制。

  当进口压(ya)(ya)力(li)已经降到(dao)低于(yu)整定(ding)压(ya)(ya)力(li)足够(gou)多,以致弹簧力(li)足以克服(fu)“A”,“B”,“C”三处力(li)之和时,阀(fa)门关(guan)闭。

  图(tu)2表示的是阀瓣从整(zheng)定压力(图(tu)中A点)

安全阀阀瓣开启高度与被保护系统压力间的典型关系

图2 安全阀阀瓣开启高度与被保护系(xi)统(tong)压力间的典型关系(xi)

  经(jing)历(li)超压(ya)阶段到达最大泄放压(ya)力(li)(B点(dian)),经(jing)历(li)启(qi)闭压(ya)差阶段回到回座压(ya)力(li)(C点(dian))的全部(bu)行程。

  液体(ti)(ti)介(jie)质用(yong)安全阀不会(hui)像(xiang)气体(ti)(ti)介(jie)质用(yong)安全阀那样(yang)突跳(tiao)(图3),因为液体(ti)(ti)流动不产生(sheng)像(xiang)气体(ti)(ti)介(jie)质流动那样(yang)的膨胀力(li)。液体(ti)(ti)介(jie)质用(yong)安全阀必须依靠反作用(yong)力(li)来达(da)到开启高度。

液体安全阀的丁作原理示意

图3 液(ye)体安全阀的丁作原理示意

  当(dang)阀门关(guan)闭时,作用(yong)(yong)在(zai)阀瓣上的(de)力与应用(yong)(yong)于气体介质中(zhong)的(de)作用(yong)(yong)力是相同的(de),直到达到力的(de)平衡(heng),即保持阀座关(guan)闭的(de)合力接近零。

  在最(zui)初开启时(shi),溢出的(de)(de)液体形(xing)成一层非常薄的(de)(de)流体,见图3(a),在阀座表面(mian)间迅速扩展,液体冲击阀瓣(ban)反(fan)冲盘的(de)(de)反(fan)作用面(mian),并被折流向(xiang)下,产生向(xiang)上(shang)推动阀瓣(ban)和反(fan)冲盘的(de)(de)反(fan)作用力。在最(zui)初的(de)(de)2%~4%的(de)(de)超过压力范围内(nei),这些(xie)力通(tong)常建立得很慢。

  随着(zhe)流量逐渐增加(jia),流过(guo)阀(fa)(fa)座的液体的速(su)度(du)也在增加(jia),这些动量作用力(li)与快(kuai)速(su)泄放的液体介质由于从反(fan)作用表面[图3(b)]被折(zhe)流向下(xia)(xia)所(suo)产生的作用力(li)的合(he)力(li)足以使阀(fa)(fa)门达(da)到(dao)全(quan)开。通常情况下(xia)(xia),在2%~6%的超(chao)(chao)过(guo)压(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia),阀(fa)(fa)瓣会(hui)突然间升高到(dao)50%~100%的全(quan)开高,随着(zhe)超(chao)(chao)过(guo)压(ya)(ya)(ya)力(li)增加(jia),这些力(li)继续(xu)增加(jia),推动阀(fa)(fa)瓣达(da)到(dao)全(quan)开。ASME鉴定的液体介质用安(an)全(quan)阀(fa)(fa)的排放量,要求安(an)全(quan)阀(fa)(fa)在10%或(huo)更小的超(chao)(chao)过(guo)压(ya)(ya)(ya)力(li)下(xia)(xia),达(da)到(dao)全(quan)部(bu)的额定泄放量。

  在阀门(men)关闭的过程(cheng)中,随着超过压(ya)力减(jian)小(xiao),液体介质(zhi)动(dong)量和反作(zuo)用(yong)都减(jian)小(xiao),弹(dan)簧力推动(dong)阀瓣返回与阀座接触(chu)。

  过去,许多用在液体(ti)介(jie)(jie)质(zhi)(zhi)中的(de)泄压(ya)阀(fa)都是为(wei)可(ke)压(ya)缩(蒸气)介(jie)(jie)质(zhi)(zhi)设(she)计用的(de)安全(quan)泄放阀(fa)或泄放阀(fa)。许多这样(yang)(yang)的(de)阀(fa)门当用在液体(ti)介(jie)(jie)质(zhi)(zhi)时(shi),需(xu)要高的(de)超过压(ya)力(li)(25%)才(cai)能达(da)到全(quan)开(kai)高和稳定的(de)工作,这是因(yin)为(wei)液体(ti)介(jie)(jie)质(zhi)(zhi)无(wu)法提供气体(ti)介(jie)(jie)质(zhi)(zhi)那样(yang)(yang)的(de)膨胀力(li)。

  ASME《锅炉和压(ya)力(li)容器规(gui)(gui)范(fan)》第Ⅷ卷要求(qiu),液(ye)体介质在10%超过压(ya)力(li)下,达到全开启、稳定(ding)工作和额定(ding)泄放(fang)量(liang)。而GB/T 12223—2005则规(gui)(gui)定(ding)额定(ding)排放(fang)压(ya)力(li)不大于1.20倍整定(ding)压(ya)力(li)。

  图4是先导式(shi)安全阀(fa)的(de)工作原理图,先导式(shi)安全阀(fa)由(you)主(zhu)阀(fa)和(he)导阀(fa)组成,导阀(fa)随系统介质(zhi)压力的(de)变化而动作,主(zhu)阀(fa)则(ze)由(you)导阀(fa)的(de)驱动或控(kong)制而动作。

先导式安全阀下作原理

图4 先导式(shi)安(an)全阀(fa)下作原(yuan)理

  当被(bei)保(bao)护系(xi)统(tong)处于正常(chang)运行状(zhuang)况时,导阀(fa)(fa)(fa)(fa)阀(fa)(fa)(fa)(fa)瓣处于关闭(bi)状(zhuang)态,系(xi)统(tong)压力(li)(li)(li)从主(zhu)阀(fa)(fa)(fa)(fa)进口(kou)通(tong)过导管和导阀(fa)(fa)(fa)(fa)传入主(zhu)阀(fa)(fa)(fa)(fa)阀(fa)(fa)(fa)(fa)瓣(活塞(sai)(sai))上方气室。由于活塞(sai)(sai)面(mian)积(ji)大于阀(fa)(fa)(fa)(fa)瓣密封(feng)面(mian)面(mian)积(ji),系(xi)统(tong)压力(li)(li)(li)对阀(fa)(fa)(fa)(fa)瓣产生一个向下的合力(li)(li)(li),使主(zhu)阀(fa)(fa)(fa)(fa)处于关闭(bi)、密封(feng)状(zhuang)态。

  当系(xi)统压(ya)(ya)力升高达到整定压(ya)(ya)力时,导阀(fa)(fa)开启,同时滑阀(fa)(fa)向上移动封闭导阀(fa)(fa)的进气通道(dao)。主阀(fa)(fa)阀(fa)(fa)瓣(ban)上方气室的介质(zhi)经由打(da)开的导阀(fa)(fa)排出,使(shi)主阀(fa)(fa)阀(fa)(fa)瓣(ban)上方压(ya)(ya)力(腔压(ya)(ya))降(jiang)低(di),主阀(fa)(fa)阀(fa)(fa)瓣(ban)在进口压(ya)(ya)力的推(tui)动下打(da)开而(er)使(shi)系(xi)统泄压(ya)(ya)。

  当系(xi)统压(ya)力降低到一定值时(shi),导(dao)阀(fa)(fa)(fa)回座并带动顶(ding)杆顶(ding)开滑(hua)阀(fa)(fa)(fa),系(xi)统压(ya)力再次(ci)通过(guo)导(dao)阀(fa)(fa)(fa)传入(ru)主阀(fa)(fa)(fa)阀(fa)(fa)(fa)瓣上方气室,并推动主阀(fa)(fa)(fa)阀(fa)(fa)(fa)瓣关闭。

  图(tu)5是突跳型先导(dao)式安全阀的实(shi)际测试的压力关系图(tu)。

突跳型先导式安全阀实际测试的压力关系

图5 突跳型先导式(shi)安全(quan)阀实际测试的压力关系