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(hù)裝置，用來防止受壓設(shè)備中的壓力超過設(shè)計(jì)允許值，從而保護(hù)設(shè)備及其運(yùn)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(shè)備的zui后一道保護(hù)裝置。從這個意義上說，它的作用是不能用其他保護(hù)裝置來代替的。

當(dāng)受壓設(shè)備中介質(zhì)的壓力由于某種原因而異常升高，達(dá)到預(yù)先的設(shè)定值時(shí)，安全閥自動開啟，繼而排放，以防止壓力繼續(xù)升高。當(dāng)介質(zhì)壓力由于安全閥的排放而降低，達(dá)到另一預(yù)定值時(shí)，閥門又自動關(guān)閉， 阻止介質(zhì)繼續(xù)排出。當(dāng)介質(zhì)壓力處于正常工作壓力時(shí)，閥門保持關(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(dǎo)式安全閥為例，進(jìn)一步說明安全閥的動作原理。

圖14-1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(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(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(dāng)系統(tǒng)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(dāng)進(jìn)口壓力略高于整定壓力時(shí)，介質(zhì)流過閥座表面進(jìn)人蓄壓腔“B”，由于反沖盤與調(diào)節(jié)圈間節(jié)流作用的結(jié)果，蓄壓腔“B”內(nèi)的壓力增加[圖14-1 （b）]，因?yàn)檫@時(shí)進(jìn)口壓力作用在更大的面積上，產(chǎn)生一個通常被稱為膨脹力的附加力來克服彈簧力。通過調(diào)整調(diào)節(jié)圈，便可以調(diào)節(jié)環(huán)形流道縫隙的大小，從而控制蓄壓腔“B”內(nèi)的壓力，這時(shí)蓄壓腔內(nèi)被控制的壓力將克服彈簧力，導(dǎo)致閥瓣離開閥座，閥門突跳開啟。

一旦閥門已經(jīng)開啟，“C”處便會產(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裙邊的內(nèi)沿與調(diào)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(dǎo)致閥瓣在突跳時(shí)達(dá)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(dāng)閥瓣達(dá)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(dāng)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(dá)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)用安全閥不會像氣體介質(zhì)用安全閥那樣突跳（圖14-3），因?yàn)橐后w流動不產(chǎn)生像氣體介質(zhì)流動那樣的膨脹力。液體介質(zhì)用安全閥必須依靠反作用力來達(dá)到開啟高度。

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

在zui初開啟時(shí)，溢出的液體形成一層非常薄的流體，見圖14-3（a）,在閥座表面間迅速擴(kuò)展，液體沖擊閥瓣反沖盤的反作用面，并被折流向下，產(chǎn)生向上推動閥瓣和反沖盤的反作用力。在zui初的2%?4%的超過壓力范圍內(nèi)，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(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達(dá)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(dá)到全開。ASME鑒定的液體介質(zhì)用安全閥的排放量，要求安全閥在10%或更小的超過壓力下，達(dá)到全部的額定泄放量。

在閥門關(guān)閉的過程中，隨著超過壓力減小，液體介質(zhì)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(zhì)中的泄壓閥都是為可壓縮（蒸氣）介質(zhì)設(shè)計(jì)用的安全泄放閥或泄放閥。許多這樣的閥門當(dāng)用在液體介質(zhì)時(shí)，需要高的超過壓力 （25%）才能達(dá)到全幵高和穩(wěn)定的工作，這是因?yàn)橐后w介質(zhì)無法提供氣體介質(zhì)那樣的膨脹力。

ASME《鍋爐和壓力容器規(guī)范》第W卷要求，液體介質(zhì)在10%超過壓力下，達(dá)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14-4是先導(dǎo)式安全閥的工作原理圖，先導(dǎo)式安全閥由主閥和導(dǎo)閥組成，導(dǎo)閥隨系統(tǒng)介質(zhì)壓力的變化而動作，主閥則由導(dǎo)閥的驅(qū)動或控制而動作。

當(dāng)被保護(hù)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀況時(shí)，導(dǎo)閥閥瓣處于關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)壓力從主閥進(jìn)口通過導(dǎo)管和導(dǎo)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(tǒng)壓力對閥瓣產(chǎn)生一個向下的合力，使主閥處于關(guān)閉、密封狀態(tài)。

當(dāng)系統(tǒng)壓力升高達(dá)到整定壓力時(shí)，導(dǎo)閥開啟，同時(shí)滑閥向上移動封閉導(dǎo)閥的進(jìn)氣通道。主閥閥瓣上方氣室的介質(zhì)經(jīng)由打開的導(dǎo)閥排出，使主閥閥瓣上方壓力（腔壓）降低，主閥閥瓣在進(jìn)口壓力的推動下打開而使系統(tǒng)泄壓。

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

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

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