1．重閉式壓力釋放裝置的定義
對(duì)壓力釋放裝置，在GB／T 12242—2005標(biāo)準(zhǔn)中已有明確，即一種用來(lái)在壓力容器處于緊急或異常狀況時(shí)防止其內(nèi)部介質(zhì)壓力升高到超過(guò)預(yù)定最高壓力的裝置，可見(jiàn)這是一種超壓動(dòng)作保護(hù)裝置。而重閉式壓力釋放裝置是一種在超壓動(dòng)作后再行關(guān)閉的壓力釋放裝置。根據(jù)這一含義，重閉式壓力釋放裝置在各行業(yè)的承壓容器和管道上大量使用，其類型有：泄壓閥、安全閥、平衡式安全閥、先導(dǎo)式安全閥和真空安全閥等不同類型的壓力釋放閥。 重閉式壓力釋放裝置——壓力釋放閥是不借助任何外力而利用介質(zhì)本身的力，在裝置上游靜態(tài)壓力下自動(dòng)開(kāi)啟來(lái)排出一額定數(shù)量的流體，以防止壓力超過(guò)額定的安全值。當(dāng)壓力恢復(fù)正常后，裝置再行關(guān)閉并阻止介質(zhì)繼續(xù)流出。
2．靜態(tài)結(jié)構(gòu)原理與解析
為了更進(jìn)一步地了解和選用重閉式壓力釋放裝置，這里以彈簧加載式安全閥為例作進(jìn)一步的解析。安全閥的定義中有：“……自動(dòng)開(kāi)啟來(lái)排出一額定數(shù)量的流體……再行關(guān)閉……”這里要解析五個(gè)關(guān)鍵詞，“自動(dòng)”、“排出”、“額定數(shù)量”、“流體”和“再行關(guān)閉”。
常規(guī)彈簧加載式安全閥如圖1所示，它由主體部分(2閥體、7閥蓋和10閥帽)組成了一外形筐架，結(jié)合主要內(nèi)件部分(1閥座、4升力盤(pán)、5閥瓣、6彈簧、9閥桿)成了一體，形成了一臺(tái)壓力釋放裝置，其內(nèi)腔閥芯部件的結(jié)構(gòu)決定了相互作用力的關(guān)系如圖1b所示，閥的啟閉是基于相互作用力的平衡原理來(lái)操作完成的。預(yù)先將彈簧作用力F設(shè)定成與整定壓力Ps和關(guān)閉著的閥瓣受力面積A的力相等，見(jiàn)式1。
當(dāng)入口介質(zhì)壓力P低于安全閥的設(shè)定整定壓力Ps時(shí)，閥芯部件仍然密封在閥座密封面上，處于放大圖示b的封閉位置。此時(shí)式1為F>P·A。當(dāng)入口介質(zhì)壓力P將超過(guò)安全閥的設(shè)定整定壓力Ps時(shí)，式1即將成為F≤P·A。作用在閥芯部件下的力將克服彈簧力從而使閥自動(dòng)開(kāi)啟。由此可見(jiàn)，介質(zhì)壓力P的高低變化轉(zhuǎn)換，一旦P≥Ps時(shí)破壞了力的平衡關(guān)系，裝置實(shí)現(xiàn)了“自動(dòng)”。
如果正常運(yùn)行過(guò)程中閥是關(guān)閉的，見(jiàn)圖1b，是彈簧作用力大于作用在閥芯部件(閥瓣)受力面積A處的力。當(dāng)介質(zhì)壓力接近于閥的整定壓力時(shí)，閥瓣和閥座之間的密封比壓近趨于零。此時(shí)有介質(zhì)從密封面處排出，并聽(tīng)見(jiàn)介質(zhì)流穿過(guò)密封面流入環(huán)狀積蓄室中。結(jié)果是壓力在環(huán)狀積蓄室中積聚(見(jiàn)圖2a)。由于這時(shí)的壓力作用面很從A擴(kuò)展到了一次排放壓力區(qū)，可形成一種通常被稱為膨脹力的附加力用來(lái)克服彈簧力。通過(guò)調(diào)節(jié)助推環(huán)，可以改變環(huán)狀積蓄室的環(huán)口開(kāi)度，從而控制積聚在積蓄室中的壓力。在積蓄室中積聚的受控壓力將克服彈簧力使閥瓣從閥座上推開(kāi)，這樣閥門就會(huì)快速開(kāi)啟，實(shí)現(xiàn)了“排出”。當(dāng)適用于可壓縮的氣體介質(zhì)時(shí)環(huán)狀積蓄室的作用更明顯，這就是安全閥的突開(kāi)現(xiàn)象。
3．動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)原理與解析
閥門一旦開(kāi)啟后，由于升力盤(pán)的作用，在介質(zhì)排出和轉(zhuǎn)向的同時(shí)立即在升力盤(pán)下方形成積聚升力(見(jiàn)圖2b)。并迅速產(chǎn)生二次排放動(dòng)壓區(qū)，來(lái)克服由于開(kāi)高帶給彈簧的壓縮所產(chǎn)生的附加力和升力盤(pán)背面的背壓力使閥瓣迅速升起，介質(zhì)排出量快速增加。
在閥瓣從閥座上升起的高度(開(kāi)高)約為流道直徑的四分之一之前，流量受開(kāi)高之間的開(kāi)度所限制。在閥瓣開(kāi)高達(dá)到流道直徑的四分之一升程之后，流量則受流道直徑面積的限制而不是受開(kāi)啟高度(開(kāi)高)的面積限制。
這樣對(duì)開(kāi)高達(dá)到流道直徑四分之一的全啟式安全閥，其排出的介質(zhì)量(額定數(shù)量)取決于流道直徑，排放面積取決于流道面積，見(jiàn)式2
式中：W——實(shí)際排量，kg/h；
A——流道面積，mm2
Pd——實(shí)際排放壓力，MPa(a)；
Kdr—— 額定排量系數(shù)，可向制造商咨詢，
C—— 絕熱指數(shù)k的函數(shù)；
M—— 氣體的分子量，kg／kmol；
T—— 實(shí)際排放溫度，K；
Z—— 壓縮系數(shù)，在許多情況下Z為1；
V—— 實(shí)際排放壓力和排放溫度下的比容，mm3／kg。
可見(jiàn)，排出的額定數(shù)量必須是閥的開(kāi)高達(dá)到流道直徑的四分之一，否則，閥實(shí)際排出的額定數(shù)量達(dá)不到式2的值。
當(dāng)壓力釋放裝置所保護(hù)系統(tǒng)的介質(zhì)為不可壓縮液體時(shí)，以上解析中的圖2和式(2)均發(fā)生了變化。變化發(fā)生在可壓縮氣體所產(chǎn)生的膨脹力不會(huì)在不可壓液體介質(zhì)中出現(xiàn)，因此液體介質(zhì)用泄壓閥不會(huì)像氣體介質(zhì)用安全閥那樣突開(kāi)，液體介質(zhì)用泄壓閥必須依靠反作用力實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟，當(dāng)閥門開(kāi)啟前，液體介質(zhì)和氣體介質(zhì)作用在閥瓣下的力是相同的，(1)式仍然成立。但從這一點(diǎn)開(kāi)始，力的關(guān)系就完全不同了。如圖3所示，開(kāi)啟之初，排放出的液體所形成的介質(zhì)流非常細(xì)薄，迅速在密封面問(wèn)向四周散開(kāi)，見(jiàn)圖3a。排放的介質(zhì)擊打著閥瓣座的反作用面并斜向下流動(dòng)，產(chǎn)生一種使閥瓣向上移動(dòng)的作用力(渦流)。這種作用力的典型特征是膨脹力和推力均較小，是依靠系統(tǒng)的超壓來(lái)幫助提高作用力。初始在超壓的3％～5％之間，力的積聚非常緩慢。隨著流量的逐漸增加，通過(guò)閥座喉部的介質(zhì)流流速也隨著增加。這種動(dòng)量以及快速排放的介質(zhì)從反作用面轉(zhuǎn)而向下流動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的反作用力，見(jiàn)圖3b。當(dāng)這些力足夠大時(shí)，會(huì)使閥瓣向上升起，并且克服彈簧變形式所產(chǎn)生的力。典型的情況是在超壓達(dá)10％～15％時(shí)，閥瓣會(huì)突然升起在整個(gè)升程的50％～100％之間波動(dòng)。隨著超壓的增加，這種力會(huì)繼續(xù)增加，驅(qū)使閥瓣達(dá)到額定升程。
隨著流體性質(zhì)的不同，其排出量見(jiàn)式(3)
式中：W——實(shí)際排量，kg／h；
A——流道面積，mm。；
Kdr——額定排量系數(shù)，可向制造商咨詢；
Kp——超壓修正系數(shù)，超過(guò)壓力為20％時(shí)，Kp= O.925。見(jiàn)圖4確定Kp值。
ρ——密度，kg／mm3；
△P——壓差，其值為Pd-Pb，MPa
此處，Pd——實(shí)際排放壓力，MPa(a)；
Pb——背壓力，MPa(a)。
粘度修正暫不作考慮。
從圖表的曲線表明，流體為液體介質(zhì)時(shí)，圖3的解析已驗(yàn)證了其閥瓣的升程依賴于超過(guò)壓力，超過(guò)壓力低于10％時(shí)，流量(排出額定數(shù)量)受到嚴(yán)重影響。故GB／T 12243—2005要求適用液體介質(zhì)時(shí)在超過(guò)壓力小于或等于20％時(shí)，開(kāi)高應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定值。這有利于在流量計(jì)算時(shí)有足夠大的額定排量系數(shù)。
可見(jiàn)，隨著流體性質(zhì)的不同，壓力釋放裝置的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)要求、性能指標(biāo)、排量系數(shù)以及選型和公稱尺寸的確定均有較大差別。所以在應(yīng)用壓力釋放裝置時(shí)對(duì)流體的特性應(yīng)引起足夠的重視。
作為重閉式壓力釋放裝置“再行關(guān)閉”是一個(gè)關(guān)鍵動(dòng)作，是否能及時(shí)地完成重閉，這與流體特性、選型計(jì)算和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等密切相關(guān)。對(duì)于考核再行關(guān)閉的指標(biāo)有啟閉壓差或回座壓力。當(dāng)裝置開(kāi)啟釋放流體后能及時(shí)關(guān)閉，說(shuō)明啟閥壓差較小或回座壓力較高。GB／T 12243 — 2005標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定對(duì)不同的流體介質(zhì)啟閉壓差有≤(7～20)％整定壓力的不同。
從圖2和圖3動(dòng)態(tài)解析可見(jiàn)，再行關(guān)閉是閥瓣和閥瓣座從高升程至低升程的轉(zhuǎn)變，由于液體不能像蒸汽那樣可產(chǎn)生膨脹力，所以設(shè)計(jì)用于液態(tài)介質(zhì)的泄壓閥，如果用于氣體介質(zhì)會(huì)顯示比用于液體介質(zhì)有較大的啟閉壓差(典型的約為20％)。此外，如果要求將設(shè)定為液體介質(zhì)用的閥門用于氣體操作或反過(guò)來(lái)，則整定壓力和超過(guò)壓力均會(huì)出現(xiàn)一些偏差。再行關(guān)閉還與彈簧作用力有關(guān)。如圖5所示為典型的彈簧加載式安全閥的動(dòng)態(tài)特性曲線。圖中的①、②、③、④為模似的流體動(dòng)態(tài)升力曲線，⑤為所配備的彈簧剛度曲線。當(dāng)閥的入口壓力充分釋放后下降至低于整定壓力(圖5中的曲線④)時(shí)，這時(shí)彈簧力(圖5中的曲線⑤)已能夠克服所有動(dòng)態(tài)升力，曲線④已完成低于了曲線⑤，閥門關(guān)閉。閥門回座(關(guān)閉)時(shí)的壓力就是關(guān)閉壓力Pr。從圖5a和圖5b中還可見(jiàn)配備的彈簧剛度越大(***>***)。即在動(dòng)態(tài)的釋放過(guò)程中，圖5b的彈簧作用力均大于圖5a。其回座壓力Pr也越高，說(shuō)明了圖5b所配備的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有利于及時(shí)再行關(guān)閉。
4．平衡式結(jié)構(gòu)原理與解析
重閉式壓力釋放裝置的適用場(chǎng)合通常有兩種介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)——臨界流動(dòng)和亞臨界流動(dòng)，前面解析的情況均設(shè)為臨界流動(dòng)。則亞臨界流動(dòng)的條件可用式(4)來(lái)表示：
式中：Pd——實(shí)際排放壓力，MPa(a)；
Pb——背壓力，MPa(a)；
k——在排放時(shí)進(jìn)口狀況下的絕熱指數(shù)(對(duì)于理想氣體，k等于比熱容比)。
可見(jiàn)當(dāng)背壓力Pb>Pd·[2/(k+1)]k/(k-1)時(shí)，重閉式壓力釋放裝置的出、入口介質(zhì)流動(dòng)的釋放會(huì)出現(xiàn)亞臨界流動(dòng)狀況。這種由背壓力過(guò)高帶來(lái)的亞臨界流動(dòng)會(huì)導(dǎo)致壓力釋放裝置的排量降低以及整定壓力的準(zhǔn)確性。圖6為壓力釋放閥的示意圖，圖6a為常規(guī)的壓力釋放閥，它的整定壓力Ps與彈簧力F和密封面中徑Dmz有關(guān)。圖6b為常規(guī)壓力釋放閥受到背壓力Pb的影響，它的整定壓力Ps與背壓力Pb和背壓力所作用的結(jié)構(gòu)面積差值(Dmz—d)有關(guān)，這樣很明顯背壓力Pb直接影響Ps。為了避免Pb的影響，在壓力釋放閥的結(jié)構(gòu)中引入了波紋管平衡式壓力釋放裝置。圖7為波紋管平衡式壓力釋放閥的示意圖，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)置了波紋管，而且使得波紋管的中徑D與密封面中徑Dmz完全一致，這樣函數(shù)式O.785Pb(Dmz2-D2)自動(dòng)消失，整定壓力Ps就不受Pb的影響。所以，設(shè)置有波紋管的平衡式壓力釋放閥可應(yīng)用于有背壓力的場(chǎng)合。
從圖l和式1的解析可見(jiàn)，當(dāng)系統(tǒng)的介質(zhì)壓力較高時(shí)，相應(yīng)的整定壓力Ps也提高，所配備的彈簧作用力也相應(yīng)提高。同理，所配備的閥門公稱尺寸越大或排放量較大，需要的彈簧作用力和結(jié)構(gòu)尺寸也相應(yīng)增大，這給彈簧的制造和加工工藝帶來(lái)了一定的難度。所以在壓力釋放裝置中引入了脈沖先導(dǎo)式安全閥，如圖8所示。圖8a為大排量的重閉式壓力釋放裝置，它由1主閥和2沖量導(dǎo)閥所組成的壓力釋放裝置。為了避免大口徑的主閥配備加工和制造難度較大的彈簧，采用了有利于密封的倒裝結(jié)構(gòu)閥瓣配備活塞的設(shè)計(jì)方案，裝置的開(kāi)啟由2小沖量導(dǎo)閥的同一承壓設(shè)備的壓力P信號(hào)來(lái)控制。圖8b為無(wú)沖量導(dǎo)閥壓力信號(hào)主閥關(guān)閉時(shí)的受力結(jié)構(gòu)圖，活塞3的受力面積大于閥瓣4的受力面積。可見(jiàn)其密封性及佳，且隨入口壓力的增高密封比壓越大，密封效果越好。圖8c為有2小沖量導(dǎo)閥開(kāi)啟提供主閥壓力P信號(hào)時(shí)主閥打開(kāi)的受力結(jié)構(gòu)圖，受力面積較大的活塞3推動(dòng)受力面積較小的閥瓣，使得主閥被完全打開(kāi)，介質(zhì)完全釋放。所以脈沖先導(dǎo)式壓力釋放裝置適用于大口徑和大排量的場(chǎng)合是比較理想的。
5．負(fù)壓式結(jié)構(gòu)原理與解析
當(dāng)承壓設(shè)備出現(xiàn)負(fù)壓時(shí)，也需要進(jìn)行超(負(fù))壓保護(hù)。所以在重閉式壓力釋放裝置中有一種負(fù)壓安全閥，它的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)思路與彈簧加載式安全閥相類似，如圖9所示。
設(shè)彈簧作用力為F，如圖9a所示，經(jīng)受力分析，確定負(fù)壓整定壓力的關(guān)系式
式中：Ps——負(fù)壓整定壓力，MPa(a)；
P——大氣壓力，0.101325MPa(a)；
F——彈簧作用力，N；
A——閥瓣的密封面積，mm2。
當(dāng)閥的結(jié)構(gòu)確定后，負(fù)壓整定壓力取決于彈簧力，閥的開(kāi)啟升程取決于彈簧剛度，閥的關(guān)閉取決于大氣的射人量、流道面積以及彈簧剛度。可見(jiàn)，這與圖2a和圖2b的倒置結(jié)構(gòu)氣流動(dòng)力學(xué)原理相一致。
6．結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)以上對(duì)重閉式壓力釋放裝置的解析，能進(jìn)一步地了解和掌握重閉式壓力釋放裝置。為了嚴(yán)格地區(qū)分和應(yīng)用重閉式壓力釋放裝置，可用下列的定義來(lái)區(qū)別和應(yīng)用：
當(dāng)重閉式壓力釋放裝置——壓力釋放閥的開(kāi)度一般與超過(guò)壓力增加值成比例為特征時(shí)，是一種泄壓閥或者比例式安全閥，主要適用于不可壓縮性介質(zhì)。
當(dāng)重閉式壓力釋放裝置——壓力釋放閥是以快速開(kāi)啟或突然動(dòng)作和爆開(kāi)為特征時(shí)，是一種安全閥或者全啟式安全閥，通常適用于可壓縮性介質(zhì)。
當(dāng)重閉式壓力釋放裝置——壓力釋放閥是以各種背壓不影響動(dòng)作性能為特征時(shí)，是一種平衡式安全閥，主要適用于有背壓和防腐蝕場(chǎng)合。
當(dāng)重閉式壓力釋放裝置——壓力釋放閥是以導(dǎo)閥脈沖信號(hào)控制大排量主釋放裝置為特征時(shí)，是一種脈沖式安全閥，一般適用于大排放量的超壓保護(hù)。
當(dāng)重閉式壓力釋放裝置——壓力釋放閥是以補(bǔ)充流體以防止容器內(nèi)過(guò)高真空度為特征時(shí)，是一種真空安全閥，適用于負(fù)壓保護(hù)。
在通常工況下，蒸汽鍋爐、蒸汽管道一般用帶扳手不封閉的安全閥，氣體介質(zhì)一般用封閉的安全閥，英文名為safety valve ；水等液體不可壓縮介質(zhì)一般用泄壓閥，英文名為relief valve；受背壓波動(dòng)較大和有毒易燃的容器或管路系統(tǒng)一般用平衡式安全閥，英文名為balanced pressure safety valve；對(duì)大口徑、大排量及高壓系統(tǒng)一般用脈沖式安全閥，英文名為pilot Operated pressure safety valve；在負(fù)壓或操作過(guò)程中可能會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓的系統(tǒng)一般用真空負(fù)壓安全閥，英文名為vacuum safety valve。
在特殊工況下，排放的介質(zhì)有液體、氣體或多相混合物介質(zhì)時(shí)，可設(shè)計(jì)用于液體(或液體和氣體)的平衡式(以減小背壓的影響)彈簧加載式泄壓閥。當(dāng)閥門入口處兩相(液相和氣相)混合物的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)中氣體為小于等于50％時(shí)，則應(yīng)設(shè)計(jì)用于液體或液一氣兩相介質(zhì)的泄壓閥。若一容器中有液一氣兩相介質(zhì)并有一定液體含量的氣壓區(qū)，則應(yīng)使用氣體介質(zhì)的安全閥。若一熱交換器中有液一氣兩相介質(zhì)并在水一側(cè)需超壓保護(hù)時(shí)，則應(yīng)使用液體介質(zhì)的泄壓閥。在特定工況下，可能會(huì)要求閥門排放液體或氣體，這取決于造成超壓的工況(例如，熱交換管斷裂)。這種用途下，推薦使用一個(gè)設(shè)計(jì)用于液體介質(zhì)的泄壓閥或使用一個(gè)設(shè)計(jì)用于液一氣兩相介質(zhì)的泄壓閥。
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