安全閥的工作原理

安全閥是鍋爐、壓力容器和壓力管道的保護裝置，用來(lái)防止受壓設備中的壓力超過(guò)設計允許值，從而保護設備及其運行人員的安全。

由于安全閥可以不依賴(lài)任何外部能源而動(dòng)作，所以常常作為受壓設備的zui后一道保護裝置。從這個(gè)意義上說(shuō)，它的作用是不能用其他保護裝置來(lái)代替的。

當受壓設備中介質(zhì)的壓力由于某種原因而異常升高，達到預先的設定值時(shí)，安全閥自動(dòng)開(kāi)啟，繼而排放，以防止壓力繼續升高。當介質(zhì)壓力由于安全閥的排放而降低，達到另一預定值時(shí)，閥門(mén)又自動(dòng)關(guān)閉， 阻止介質(zhì)繼續排出。當介質(zhì)壓力處于正常工作壓力時(shí)，閥門(mén)保持關(guān)閉和密封狀態(tài)。

以下分別以彈簧直接載荷式安全閥和先導式安全閥為例，進(jìn)一步說(shuō)明安全閥的動(dòng)作原理。

圖14-1所示為常規彈簧載荷式氣體安全閥的動(dòng)作原理示意，其動(dòng)作基于力的平衡。在正常操作條件下，進(jìn)口壓力低于整定壓力，閥瓣在彈簧力作用下壓在閥座上處于關(guān)閉位置，閥門(mén)處于關(guān)閉（密封）狀態(tài) [圖 14-1 （a）]。

式中P——介質(zhì)壓力，MPa;

A——閥瓣上受壓面積，mm2;

Fs——為使閥瓣和閥座壓緊的向下密封附加力，N0閥瓣在閥座密封面上的壓緊力Fs，保證了所需的密封性。

在正常工作時(shí)，安全閥處于關(guān)閉狀態(tài)，安全閥閥瓣在系統壓力的作用下向上的作用力小于閥瓣受到向下的彈簧力，其差值就是密封附加力Fs，即隨著(zhù)系統壓力的增加，安全閥的密封比壓是逐漸降低的。

當系統進(jìn)口壓力等于安全閥的整定壓力時(shí)，彈簧力等于進(jìn)口介質(zhì)作用在關(guān)閉閥瓣上的力，閥瓣與閥座之間的作用力等于零。當進(jìn)口壓力略高于整定壓力時(shí)，介質(zhì)流過(guò)閥座表面進(jìn)人蓄壓腔“B”，由于反沖盤(pán)與調節圈間節流作用的結果，蓄壓腔“B”內的壓力增加[圖14-1 （b）]，因為這時(shí)進(jìn)口壓力作用在更大的面積上，產(chǎn)生一個(gè)通常被稱(chēng)為膨脹力的附加力來(lái)克服彈簧力。通過(guò)調整調節圈，便可以調節環(huán)形流道縫隙的大小，從而控制蓄壓腔“B”內的壓力，這時(shí)蓄壓腔內被控制的壓力將克服彈簧力，導致閥瓣離開(kāi)閥座，閥門(mén)突跳開(kāi)啟。

一旦閥門(mén)已經(jīng)開(kāi)啟，“C”處便會(huì )產(chǎn)生附加增壓[圖14-1 （c）]，這是由于突然流量的增加以及由反沖盤(pán)裙邊的內沿與調節圈外徑所圍成的另一個(gè)環(huán)形流道上的節流所造成的，這些“C”處的附加力（含反沖力）會(huì )導致閥瓣在突跳時(shí)達到足夠的開(kāi)啟高度。

流量始終被閥座與閥瓣間的開(kāi)度限制著(zhù)，直到閥瓣離閥座的開(kāi)啟高度接近1/4喉徑。當閥瓣達到這種程度的開(kāi)啟高度以后，流量便由喉部流道面積控制而不是由閥座表面間的面積（簾面積）控制。

當進(jìn)口壓力已經(jīng)降到低于整定壓力足夠多，以致彈簧力足以克服“A”，“B”，“C”三處力之和時(shí)，閥門(mén)關(guān)閉。

圖14-2表示的是閥瓣從整定壓力（圖中A點(diǎn)）

經(jīng)歷超壓階段到達zui大泄放壓力點(diǎn)），經(jīng)歷啟閉壓差階段回到回座壓力（C點(diǎn)）的全部行程。

液體介質(zhì)用安全閥不會(huì )像氣體介質(zhì)用安全閥那樣突跳（圖14-3），因為液體流動(dòng)不產(chǎn)生像氣體介質(zhì)流動(dòng)那樣的膨脹力。液體介質(zhì)用安全閥必須依靠反作用力來(lái)達到開(kāi)啟高度。

當閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，作用在閥瓣上的力與應用于氣體介質(zhì)中的作用力是相同的，直到達到力的平衡，即保持閥座關(guān)閉的合力接近零。

在zui初開(kāi)啟時(shí)，溢出的液體形成一層非常薄的流體，見(jiàn)圖14-3（a）,在閥座表面間迅速擴展，液體沖擊閥瓣反沖盤(pán)的反作用面，并被折流向下，產(chǎn)生向上推動(dòng)閥瓣和反沖盤(pán)的反作用力。在zui初的2%?4%的超過(guò)壓力范圍內，這些力通常建立得很慢。

隨著(zhù)流量逐漸增加，流過(guò)閥座的液體的速度也在增加，這些動(dòng)量作用力與快速泄放的液體介質(zhì)由于從反作用表面[圖14_3 （b）]被折流向下所產(chǎn)生的作用力的合力足以使閥門(mén)達到全開(kāi)。通常情況下，在 2%?6%的超過(guò)壓力下，閥瓣會(huì )突然間升高到50%? 100%的全開(kāi)高，隨著(zhù)超過(guò)壓力增加，這些力繼續增加，推動(dòng)閥瓣達到全開(kāi)。ASME鑒定的液體介質(zhì)用安全閥的排放量，要求安全閥在10%或更小的超過(guò)壓力下，達到全部的額定泄放量。

在閥門(mén)關(guān)閉的過(guò)程中，隨著(zhù)超過(guò)壓力減小，液體介質(zhì)動(dòng)量和反作用都減小，彈簧力推動(dòng)閥瓣返回與閥座接觸。

過(guò)去，許多用在液體介質(zhì)中的泄壓閥都是為可壓縮（蒸氣）介質(zhì)設計用的安全泄放閥或泄放閥。許多這樣的閥門(mén)當用在液體介質(zhì)時(shí)，需要高的超過(guò)壓力 （25%）才能達到全幵高和穩定的工作，這是因為液體介質(zhì)無(wú)法提供氣體介質(zhì)那樣的膨脹力。

ASME《鍋爐和壓力容器規范》第W卷要求，液體介質(zhì)在10%超過(guò)壓力下，達到全開(kāi)啟、穩定工作和額定泄放量。而GB/T 12223—2005則規定額定排放壓力不大于1. 20倍整定壓力。

圖14-4是先導式安全閥的工作原理圖，先導式安全閥由主閥和導閥組成，導閥隨系統介質(zhì)壓力的變化而動(dòng)作，主閥則由導閥的驅動(dòng)或控制而動(dòng)作。

當被保護系統處于正常運行狀況時(shí)，導閥閥瓣處于關(guān)閉狀態(tài)，系統壓力從主閥進(jìn)口通過(guò)導管和導閥傳人主閥閥瓣（活塞）上方氣室。由于活塞面積大于閥瓣密封面面積，系統壓力對閥瓣產(chǎn)生一個(gè)向下的合力，使主閥處于關(guān)閉、密封狀態(tài)。

當系統壓力升高達到整定壓力時(shí)，導閥開(kāi)啟，同時(shí)滑閥向上移動(dòng)封閉導閥的進(jìn)氣通道。主閥閥瓣上方氣室的介質(zhì)經(jīng)由打開(kāi)的導閥排出，使主閥閥瓣上方壓力（腔壓）降低，主閥閥瓣在進(jìn)口壓力的推動(dòng)下打開(kāi)而使系統泄壓。

當系統壓力降低到一定值時(shí)，導閥回座并帶動(dòng)頂桿頂開(kāi)滑閥，系統壓力再次通過(guò)導閥傳入主閥閥瓣上方氣室，并推動(dòng)主閥閥瓣關(guān)閉。

圖14-5是突跳型先導式安全閥的實(shí)際測試的壓力關(guān)系圖。

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