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安全閥的作用是什么?
發(fā)布時間:2022-02-14 瀏覽:3378 次

  安全閥是鍋爐、壓力容器和壓力管道的保護裝置,用來防止受壓設備中的壓力超過設計允許值,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任何外部能源而動作,所以常常作為受壓設備的最后一道保護裝置。從這個意義上說,它的作用是不能用其他保護裝置來代替的。

  當受壓設備中介質的壓力由于某種原因而異常升高,達到預先的設定值時,安全閥自動開啟,繼而排放,以防止壓力繼續(xù)升高。當介質壓力由于安全閥的排放而降低,達到另一預定值時,閥門又自動關閉,阻止介質繼續(xù)排出。當介質壓力處于正常工作壓力時,閥門保持關閉和密封狀態(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,進一步說明安全閥的動作原理。

  圖1所示為常規(guī)彈簧載荷式氣體安全閥的動作原理示意,其動作基于力的平衡。在正常操作條件下,進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閉位置,閥門處于關閉(密封)狀態(tài)[圖1(a)]。

  

氣體安全閥的工作原理

 

  圖1 氣體安全閥的工作原理

  此時作用在閥瓣上的彈簧力F為

  F=pA+Fs

  式中 p——介質壓力,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,N。

  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,安全閥處于關閉狀態(tài),安全閥閥瓣在系統(tǒng)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,即隨著系統(tǒng)壓力的增加,安全閥的密封比壓是逐漸降低的。

  當系統(tǒng)進口壓力等于安全閥的整定壓力時,彈簧力等于進口介質作用在關閉閥瓣上的力,閥瓣與閥座之間的作用力等于零。當進口壓力略高于整定壓力時,介質流過閥座表面進入蓄壓腔“B”,由于反沖盤與調節(jié)圈間節(jié)流作用的結果,蓄壓腔“B”內的壓力增加[圖1(b)],因為這時進口壓力作用在更大的面積上,產生一個通常被稱為膨脹力的附加力來克服彈簧力。通過調整調節(jié)圈,便可以調節(jié)環(huán)形流道縫隙的大小,從而控制蓄壓腔“B”內的壓力,這時蓄壓腔內被控制的壓力將克服彈簧力,導致閥瓣離開閥座,閥門突跳開啟。

  一旦閥門已經開啟,“C”處便會產生附加增壓[圖1(c)],這是由于突然流量的增加以及由反沖盤裙邊的內沿與調節(jié)圈外徑所圍成的另一個環(huán)形流道上的節(jié)流所造成的,這些“C”處的附加力(含反沖力)會導致閥瓣在突跳時達到足夠的開啟高度。

  流量始終被閥座與閥瓣間的開度限制著,直到閥瓣離閥座的開啟高度接近1/4喉徑。當閥瓣達到這種程度的開啟高度以后,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。

  當進口壓力已經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,閥門關閉。

  圖2表示的是閥瓣從整定壓力(圖中A點)

  

安全閥閥瓣開啟高度與被保護系統(tǒng)壓力間的典型關系

 

  圖2 安全閥閥瓣開啟高度與被保護系統(tǒng)壓力間的典型關系

  經歷超壓階段到達最大泄放壓力(B點),經歷啟閉壓差階段回到回座壓力(C點)的全部行程。

  液體介質用安全閥不會像氣體介質用安全閥那樣突跳(圖3),因為液體流動不產生像氣體介質流動那樣的膨脹力。液體介質用安全閥必須依靠反作用力來達到開啟高度。

  

液體安全閥的丁作原理示意

 

  圖3 液體安全閥的丁作原理示意

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

  在最初開啟時,溢出的液體形成一層非常薄的流體,見圖3(a),在閥座表面間迅速擴展,液體沖擊閥瓣反沖盤的反作用面,并被折流向下,產生向上推動閥瓣和反沖盤的反作用力。在最初的2%~4%的超過壓力范圍內,這些力通常建立得很慢。

  隨著流量逐漸增加,流過閥座的液體的速度也在增加,這些動量作用力與快速泄放的液體介質由于從反作用表面[圖3(b)]被折流向下所產生的作用力的合力足以使閥門達到全開。通常情況下,在2%~6%的超過壓力下,閥瓣會突然間升高到50%~100%的全開高,隨著超過壓力增加,這些力繼續(xù)增加,推動閥瓣達到全開。ASME鑒定的液體介質用安全閥的排放量,要求安全閥在10%或更小的超過壓力下,達到全部的額定泄放量。

  在閥門關閉的過程中,隨著超過壓力減小,液體介質動量和反作用都減小,彈簧力推動閥瓣返回與閥座接觸。

  過去,許多用在液體介質中的泄壓閥都是為可壓縮(蒸氣)介質設計用的安全泄放閥或泄放閥。許多這樣的閥門當用在液體介質時,需要高的超過壓力(25%)才能達到全開高和穩(wěn)定的工作,這是因為液體介質無法提供氣體介質那樣的膨脹力。

  ASME《鍋爐和壓力容器規(guī)范》第Ⅷ卷要求,液體介質在10%超過壓力下,達到全開啟、穩(wěn)定工作和額定泄放量。而GB/T 12223—2005則規(guī)定額定排放壓力不大于1.20倍整定壓力。

  圖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(tǒng)介質壓力的變化而動作,主閥則由導閥的驅動或控制而動作。

  

先導式安全閥下作原理

 

  圖4 先導式安全閥下作原理

  當被保護系統(tǒng)處于正常運行狀況時,導閥閥瓣處于關閉狀態(tài),系統(tǒng)壓力從主閥進口通過導管和導閥傳入主閥閥瓣(活塞)上方氣室。由于活塞面積大于閥瓣密封面面積,系統(tǒng)壓力對閥瓣產生一個向下的合力,使主閥處于關閉、密封狀態(tài)。

  當系統(tǒng)壓力升高達到整定壓力時,導閥開啟,同時滑閥向上移動封閉導閥的進氣通道。主閥閥瓣上方氣室的介質經由打開的導閥排出,使主閥閥瓣上方壓力(腔壓)降低,主閥閥瓣在進口壓力的推動下打開而使系統(tǒng)泄壓。

  當系統(tǒng)壓力降低到一定值時,導閥回座并帶動頂桿頂開滑閥,系統(tǒng)壓力再次通過導閥傳入主閥閥瓣上方氣室,并推動主閥閥瓣關閉。

  圖5是突跳型先導式安全閥的實際測試的壓力關系圖。

  

突跳型先導式安全閥實際測試的壓力關系

 

  圖5 突跳型先導式安全閥實際測試的壓力關系

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