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(zhì)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(zhì)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(zhì)繼續(xù)排出。當介質(zhì)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）】。

　　此時作用在閥瓣上的彈簧力F為F=pA+F，（14-1）

　　式中p——介質(zhì)壓力，MPa；

　　A——閥瓣上受壓面積，mm2；

　　F，——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(zhì)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(zhì)流過閥座表面進入蓄壓腔“B”，由于反沖盤與調(diào)節(jié)圈間節(jié)流作用的結果，蓄壓腔“B”內(nèi)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(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，這時蓄壓腔內(nèi)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(jīng)開啟，“C”處便會產(chǎn)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(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(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，閥門關閉。

　　圖2表示的是閥瓣從整定壓力（圖中A點）經(jīng)歷超壓階段到達最大泄放壓力（B點），經(jīng)歷啟閉壓差階段回到回座壓力（C點）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3），因為液體流動不產(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來達到開啟高度。

　　當閥門關閉時，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(chǎn)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(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3（b）】被折流向下所產(chǎn)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(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(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(zhì)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(zhì)無法提供氣體介質(zhì)那樣的膨脹力。

　　安全閥的結構

　　安全閥主要由閥座、閥瓣（閥芯）和加載機構三部分組成。閥座有的和閥體是一個整體，有的是和閥體組裝在一起的，它與設備連通。閥瓣常連帶有閥桿，它緊扣在閥座上。閥瓣上面是加載機構，載荷的大小可以調(diào)節(jié)。當設備內(nèi)的壓力在一定的工作壓力范圍之內(nèi)時，內(nèi)部介質(zhì)作用于閥瓣上面的力小于加載機構加在閥上面的力，兩者之差構成閥瓣與閥座之間的密封力，使閥瓣緊壓著閥座，設備的介質(zhì)無法排出。當設備內(nèi)的壓力超過規(guī)定的工作壓力并達到安全閥的開啟壓力時，內(nèi)部介質(zhì)作用于鬧瓣上面的力大于加載機構施加在它上面的力，于是閥瓣離開閥座，安全閥開啟，設備內(nèi)的介質(zhì)即通過閥座排出、如果安全閥的排量大于設備的安全泄放量，設備內(nèi)壓力即逐漸下降，而且通過短時間的排氣后，壓力即降回至正常工作壓力。此時內(nèi)壓作用于閥瓣上面的力又小于加載機構施加在它上面的力，閥瓣又緊壓著閥座，介質(zhì)停止排出，設備保持正常的工作壓力繼續(xù)運行。

　　安全閥是通過閥瓣上介質(zhì)作用力與加載機構作用力的消長，自行關閉或開啟以達到防止設備超壓的目的。

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