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、压力容器和压力管道的保护装置,用来防止受压设备中的压力超过设计允许值,从而保护设备及其运行人员的安全。

  由于安全阀可以不依赖任何外部能源而动作,所以常常作为受压设备的最后一道保护装置。从这个意义上说,它的作用是不能用其他保护装置来代替的。

  当受压设备中介质的压力由于某种原因而异常升高,达到预先的设定值时,安全阀自动开启,继而排放,以防止压力继续升高。当介质压力由于安全阀的排放而降低,达到另一预定值时,阀门又自动关闭,阻止介质继续排出。当介质压力处于正常工作压力时,阀门保持关闭和密封状态。

  以下分别以弹簧直接载荷式安全阀和先导式安全阀为例,进一步说明安全阀的动作原理。

  图1所示为常规弹簧载荷式气体安全阀的动作原理示意,其动作基于力的平衡。在正常操作条件下,进口压力低于整定压力,阀瓣在弹簧力作用下压在阀座上处于关闭位置,阀门处于关闭(密封)状态[图1(a)]。

气体安全阀的工作原理

图1 气体安全阀的工作原理

秒速飞艇官网   此时作用在阀瓣上的弹簧力F为

F=pA+Fs

  式中 p——介质压力,MPa;

  A——阀瓣上受压面积,mm2;

  Fs——为使阀瓣和阀座压紧的向下密封附加力,N。

  阀瓣在阀座密封面上的压紧力Fs,保证了所需的密封性。

  在正常工作时,安全阀处于关闭状态,安全阀阀瓣在系统压力的作用下向上的作用力小于阀瓣受到向下的弹簧力,其差值就是密封附加力Fs,即随着系统压力的增加,安全阀的密封比压是逐渐降低的。

秒速飞艇官网   当系统进口压力等于安全阀的整定压力时,弹簧力等于进口介质作用在关闭阀瓣上的力,阀瓣与阀座之间的作用力等于零。当进口压力略高于整定压力时,介质流过阀座表面进入蓄压腔“B”,由于反冲盘与调节圈间节流作用的结果,蓄压腔“B”内的压力增加[图1(b)],因为这时进口压力作用在更大的面积上,产生一个通常被称为膨胀力的附加力来克服弹簧力。通过调整调节圈,便可以调节环形流道缝隙的大小,从而控制蓄压腔“B”内的压力,这时蓄压腔内被控制的压力将克服弹簧力,导致阀瓣离开阀座,阀门突跳开启。

  一旦阀门已经开启,“C”处便会产生附加增压[图1(c)],这是由于突然流量的增加以及由反冲盘裙边的内沿与调节圈外径所围成的另一个环形流道上的节流所造成的,这些“C”处的附加力(含反冲力)会导致阀瓣在突跳时达到足够的开启高度。

秒速飞艇官网   流量始终被阀座与阀瓣间的开度限制着,直到阀瓣离阀座的开启高度接近1/4喉径。当阀瓣达到这种程度的开启高度以后,流量便由喉部流道面积控制而不是由阀座表面间的面积(帘面积)控制。

  当进口压力已经降到低于整定压力足够多,以致弹簧力足以克服“A”,“B”,“C”三处力之和时,阀门关闭。

  图2表示的是阀瓣从整定压力(图中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统压力间的典型关系

秒速飞艇官网   经历超压阶段到达最大泄放压力(B点),经历启闭压差阶段回到回座压力(C点)的全部行程。

秒速飞艇官网   液体介质用安全阀不会像气体介质用安全阀那样突跳(图3),因为液体流动不产生像气体介质流动那样的膨胀力。液体介质用安全阀必须依靠反作用力来达到开启高度。

液体安全阀的丁作原理示意

图3 液体安全阀的丁作原理示意

  当阀门关闭时,作用在阀瓣上的力与应用于气体介质中的作用力是相同的,直到达到力的平衡,即保持阀座关闭的合力接近零。

  在最初开启时,溢出的液体形成一层非常薄的流体,见图3(a),在阀座表面间迅速扩展,液体冲击阀瓣反冲盘的反作用面,并被折流向下,产生向上推动阀瓣和反冲盘的反作用力。在最初的2%~4%的超过压力范围内,这些力通常建立得很慢。

  随着流量逐渐增加,流过阀座的液体的速度也在增加,这些动量作用力与快速泄放的液体介质由于从反作用表面[图3(b)]被折流向下所产生的作用力的合力足以使阀门达到全开。通常情况下,在2%~6%的超过压力下,阀瓣会突然间升高到50%~100%的全开高,随着超过压力增加,这些力继续增加,推动阀瓣达到全开。ASME鉴定的液体介质用安全阀的排放量,要求安全阀在10%或更小的超过压力下,达到全部的额定泄放量。

  在阀门关闭的过程中,随着超过压力减小,液体介质动量和反作用都减小,弹簧力推动阀瓣返回与阀座接触。

  过去,许多用在液体介质中的泄压阀都是为可压缩(蒸气)介质设计用的安全泄放阀或泄放阀。许多这样的阀门当用在液体介质时,需要高的超过压力(25%)才能达到全开高和稳定的工作,这是因为液体介质无法提供气体介质那样的膨胀力。

  ASME《锅炉和压力容器规范》第Ⅷ卷要求,液体介质在10%超过压力下,达到全开启、稳定工作和额定泄放量。而GB/T 12223—2005则规定额定排放压力不大于1.20倍整定压力。

  图4是先导式安全阀的工作原理图,先导式安全阀由主阀和导阀组成,导阀随系统介质压力的变化而动作,主阀则由导阀的驱动或控制而动作。

先导式安全阀下作原理

图4 先导式安全阀下作原理

  当被保护系统处于正常运行状况时,导阀阀瓣处于关闭状态,系统压力从主阀进口通过导管和导阀传入主阀阀瓣(活塞)上方气室。由于活塞面积大于阀瓣密封面面积,系统压力对阀瓣产生一个向下的合力,使主阀处于关闭、密封状态。

  当系统压力升高达到整定压力时,导阀开启,同时滑阀向上移动封闭导阀的进气通道。主阀阀瓣上方气室的介质经由打开的导阀排出,使主阀阀瓣上方压力(腔压)降低,主阀阀瓣在进口压力的推动下打开而使系统泄压。

秒速飞艇官网   当系统压力降低到一定值时,导阀回座并带动顶杆顶开滑阀,系统压力再次通过导阀传入主阀阀瓣上方气室,并推动主阀阀瓣关闭。

  图5是突跳型先导式安全阀的实际测试的压力关系图。

突跳型先导式安全阀实际测试的压力关系

图5 突跳型先导式安全阀实际测试的压力关系