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。

　　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【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，安全閥閥瓣在系統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，即隨著系統壓力的增加，安全閥的密封比壓是逐漸降低的。

　　當系統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”，由于反沖盤與調節圈間節流作用的結果，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。通過調整調節圈，便可以調節環形流道縫隙的大小，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圈外徑所圍成的另一個環形流道上的節流所造成的，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）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。

　　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，載荷的大小可以調節。當設備內的壓力在一定的工作壓力范圍之內時，內部介質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，設備的介質無法排出。當設備內的壓力超過規定的工作壓力并達到安全閥的開啟壓力時，內部介質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，設備內的介質即通過閥座排出、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，介質停止排出，設備保持正常的工作壓力繼續運行。

　　安全閥是通過閥瓣上介質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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