林沐野 鄭鑫 周楊飛 馬柯 鄒家華

（廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣東廣州510000）

安全閥在傳統(tǒng)重工業(yè)及輕工業(yè)承壓設(shè)備中為設(shè)備的安全運行提供了強有力的安全保障，為承壓設(shè)備能夠安全、有效率的生產(chǎn)起到了革命性的推動作用，同時也為承壓設(shè)備的壽命能夠更加長時間的使用起到了經(jīng)濟性的作用。隨著本次試驗進一步的研究檢測，可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)實驗研究中反映安全閥的動態(tài)排放特性的數(shù)據(jù)嚴(yán)重匱乏，安全閥超壓開啟排放的流動特性也無明確的實驗數(shù)據(jù)和理論支撐，所以系統(tǒng)研究安全閥開啟排放相關(guān)動作機理，需要進一步結(jié)合數(shù)值模擬與試驗測試開展研究

1 安全閥介質(zhì)排放基本原理

作用于閥體內(nèi)上密封面的彈簧壓緊力F，彈簧、彈簧座、反沖盤，閥桿等零件重力 且方向向下（因其零部件自重力與系統(tǒng)工況介質(zhì)的工作力相比較小，可忽略不計，只有當(dāng)工作開啟壓力很小時，方可考慮計算）與系統(tǒng)工作中介質(zhì)通過閥體內(nèi)喉經(jīng)處，在閥腔內(nèi)積聚形成的作用力P（系統(tǒng)壓力）×A（面積）且方向向上的介質(zhì)作用力，在彈簧力與介質(zhì)力相互作用來實現(xiàn)起跳排放動作，即安全閥開啟至閉合瞬間閥腔內(nèi)介質(zhì)的排出量[1]。如紅外捕捉開啟瞬間云圖1與安全閥開啟狀態(tài)圖2。

圖1

圖2

2 實驗系統(tǒng)裝置與方法

本次實驗方法為流量計法，且背壓為大氣常壓時的試驗（如圖3）。對于安全閥，由于安全閥開啟過程的動態(tài)特性，不能忽略出口截面積在實質(zhì)上的變化。一般采用便于計算的當(dāng)量面積形式，若采用其他的截面積表達排量公式時，必須滿足安全閥的開啟過程流體流動的熵Φ值不變。因為安全閥閥座喉徑處的直徑最小且面積恒定，所以一般采用喉經(jīng)最小截面積帶入計算排量且忽略閥體內(nèi)介質(zhì)的流動摩擦及擾動損失[2]。本次排量試驗、 排放壓力試驗、回座壓力試驗、開啟高度試驗、排量及排量系數(shù)試驗，檢測能力、現(xiàn)場還原度及結(jié)果精確度和自動化程度等達到國內(nèi)領(lǐng)先水平[8]。

圖3

試驗過程是通過壓力罐截止閥升壓，在介質(zhì)升壓的過程中通過流量計傳感器得出輸入的介質(zhì)體積量，且傳感器精度可以精確到千分位。本次被試安全閥為公稱通徑為DN50，流道直徑為55mm，65mm，75mm整定壓力為0.8MPa和0.6MPa，限制固定閥瓣開高為5mm，排量系數(shù)為0.75的6只A48Y-16C安全閥模型。安裝在靠近鏈接安全閥的管道法蘭上，用于與閥芯傳感器作標(biāo)準(zhǔn)壓力參照，以及 6個壓力傳感器，量程為0-2.5MPa，用于在入口檢測法蘭盤上測試壓力。精度為 0.4 級的壓力表6只，量程為 0-4MPa。采樣時，可以作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器和閥芯傳感器的輸出值是否失真的判斷標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)升高壓力至整定壓力的90%隨后以0.1MPa/S的速率緩慢升高壓力，直至被試安全閥保持開啟(排放)狀態(tài)，然后關(guān)閉壓力罐通向試驗容器的閥門，測試壓力減小，被測試安全閥密封面亦逐漸關(guān)閉，在被測安全閥出口處密封連接流量接收裝置，待出口處接收裝置的流量趨于穩(wěn)定直至為零，且容器內(nèi)壓強回到升壓之前的最初壓力狀態(tài)時，結(jié)束傳感器收集[4]，重復(fù)上述步驟，分別試驗閥門，記錄其泄出的流量。在試驗過程中，應(yīng)利用聽覺、觸覺或視覺觀察并記錄機械特性。如果閥門發(fā)生頻跳、顫振或不能滿意回座，則應(yīng)加以記錄，關(guān)閉接收閥門。

當(dāng)氣流在安全閥內(nèi)部高速流動會隨進出口壓力比的大小不同，因此本次試驗應(yīng)當(dāng)考慮到出現(xiàn)臨界流動與亞臨界流動的狀態(tài)，且介質(zhì)氣體為使得安全閥的排量計算也不一樣，在考慮氣體壓縮因素后，理想氣體狀態(tài)方程時依然適用，即PV=ZnRT，可得出GB12241-2005的兩種理論流態(tài)上的排量公式式2、式3，在達到臨界流動之前，氣體或蒸汽通過流道是隨著下游壓力的減小而增加的。一旦達到臨界流動，下游壓力的進一步減小將不會使得流量繼續(xù)增加。

A—— 為喉徑最小截面積為πd2/4；

Kd——為喉經(jīng)處的額定排量系數(shù)；

K——為常數(shù)（對于常溫常壓下空氣的k值為1.4）

P1，P2——安全閥的進出口壓力

其中 A 為安全閥結(jié)構(gòu)喉徑最小面積；C、M、Z 都是與氣體自身相關(guān)的特性數(shù)據(jù)，T是開爾文溫度值；Pd代表絕對的排放壓力值，Kb亞臨界流動下的理論排量修正系數(shù)。如表1 。

表1

實驗數(shù)據(jù)結(jié)果通過導(dǎo)出形成表2，對比分析發(fā)現(xiàn)，以同樣開啟高度為5mm時分析其排量，相同的整定壓力和超壓情形下安全閥的排放能力對比分析顯示受出口直徑差異的影響并不很明顯，但是隨著開啟高度的進一步變化，安全閥出口直徑的差異強烈影響到平均意義和監(jiān)控測點的排量值；對于全局平均、穩(wěn)定排放階段平均、監(jiān)控點計算的排量數(shù)值來說都有隨出口面積增大而增大的趨勢，并且影響明顯。此外，在試驗過程中發(fā)現(xiàn)通過對比也能發(fā)現(xiàn)安全閥的出口直徑設(shè)計值偏小時，其排放性能是很不穩(wěn)定，震蕩劇烈，顯然這種狀況是很不利于排量測試的，原因就在于截面變小流體通行受阻，其閥腔內(nèi)部的背壓力變化明顯，導(dǎo)致位移也振蕩劇烈影響到排量值；而對于較大出口面積，安全閥的排放更加容易，更容易達到臨界流動。從數(shù)值大小看，理論上平均意義的穩(wěn)定排放階段的數(shù)據(jù)偏高，而實際監(jiān)控點計算方法與全局意義的排量計算值略小。綜上所述，在開啟整個過程中開啟高度影響到排放能力，其次出口直徑大小也有一定影響。

表2

3 結(jié)論

（1）通過在試驗過程中發(fā)現(xiàn)排量計算上存在的差異不確定性，安全閥結(jié)構(gòu)的差異也導(dǎo)致了排放量的不同，從已有的數(shù)據(jù)中來看，主要集中表現(xiàn)在對復(fù)雜的安全閥超壓泄放流體流態(tài)進行理論闡述和數(shù)學(xué)分析，認(rèn)為安全閥排放能力會受到進出口的壓力比、自身幾何尺寸的影響[7]。但沒有深入而詳細的研究表明超壓泄放流動在不同的位置處出現(xiàn)何種流態(tài)，由于安全閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難測定安全閥最小流道截面的流速，從而無法根據(jù)最小流道截流面積處是否達到音速來確定安全閥臨界壓力比，這就給準(zhǔn)確計算和選擇安全閥排量公式帶來的一定困難。此外，因使得滯止在閥腔內(nèi)部的介質(zhì)也需要排出，達到閥腔內(nèi)最初無壓力的狀態(tài)，傳統(tǒng)安全閥排量計算公式中采用靜參數(shù)代替滯止壓力有所不妥，難免引入誤差，需要引起足夠的重視。

（2）對于安全閥的排量系數(shù)確定[6]，一般需要完成許多不同工況組合的實驗測試，很顯然完成如此大量的測試在現(xiàn)實中顯然是不能接受也極其耗費財力。安全閥的排量系數(shù)一般是由生產(chǎn)廠家提供的參數(shù)（特定的液體或氣體狀態(tài)下的測試參數(shù)），而安全閥選型時都無一例外的將排量系數(shù)值視為唯一、確定、不變的參數(shù)值，一般其值的大小被標(biāo)于銘牌，這樣以來，就使得排量系數(shù)的信息實質(zhì)上是不完善的。這種認(rèn)為排量系數(shù)是具有普適意義的參數(shù)觀點明顯不合理。

（3）安全閥的開啟流動瞬態(tài)性，從結(jié)構(gòu)和工作機理上來看，過流截面積是恒定的；而安全閥在瞬態(tài)超壓開啟過程中，則有過流道面積的不穩(wěn)定性和波動性，這并不能確定（流道確定，入口壓力穩(wěn)恒）的穩(wěn)定排放流動。此外，傳統(tǒng)研究一般是對穩(wěn)恒狀態(tài)進行數(shù)值仿真和實驗測試，或多或少采用恒定限高法、穩(wěn)定壓力入口等方式進行初步研究，很顯然，這種流動假設(shè)過于簡單，也完全不符合實際[5]。因為安全閥的排放能力是隨時間在劇烈波動變化的，具有瞬態(tài)特性，所以也需要引起足夠的關(guān)注和研究。

（4）安全閥的臨界流動判斷問題 ，當(dāng)安全閥制造完畢，其實際的流道幾何狀態(tài)并未確定，流體介質(zhì)在其流道內(nèi)高速流動時流態(tài)的變化、是否有層流、紊流變化，是否會因流通截面積的改變而改變其自身運動狀態(tài)，速度、壓力的增減都有可能發(fā)生，更重要的是會出現(xiàn)速度增加到臨界狀態(tài)，傳統(tǒng)的簡單模型研究認(rèn)為介質(zhì)流速達到音速甚至超過音速，并且之后流體會快速降壓，直至到負(fù)壓的狀態(tài)。而且也認(rèn)為入口的流動情形的不同會導(dǎo)致最小截面的位置和尺寸發(fā)生變化。但是，傳統(tǒng)的研究僅僅認(rèn)為入口流道、閥口密封面、反沖盤外延附近為可能存在聲速頓賽的區(qū)域是不足的，就過流截面面積發(fā)生變化，這一點來說，閥腔與出口相接處截面亦發(fā)生變化安全閥排放性能影響因素彈簧式安全閥是廣泛用于受壓容器上的一種安全保護裝置，它是依靠彈簧力和介質(zhì)力來實現(xiàn)動作。當(dāng)介質(zhì)壓力逐漸升高與彈簧力平衡或超過彈簧力時，閥門開啟；當(dāng)介質(zhì)壓力小于彈簧力時，閥門關(guān)閉。對于既定結(jié)構(gòu)的安全閥，一般認(rèn)為其安全閥的排量系數(shù)以及排放能力是確定的，而很少涉及各種因素對安全閥的排放性能的影響。然而實際上影響閥門動作因素很多。其中認(rèn)為閥腔內(nèi)積的多少，彈簧的剛度及銹蝕的狀態(tài)的變化，反沖盤形狀、閥瓣與調(diào)節(jié)圈的尺寸、角度是影響安全閥的排放性能的主要因素。

（5）采用實驗得出安全閥的閥前壓力在低壓狀態(tài)時，安全閥的排量放能力會有所降低，需要考慮排量修正。此外，調(diào)節(jié)圈作為一種可以調(diào)節(jié)安全閥通行截面積的部件，也影響到排放能力的大小。調(diào)節(jié)圈裝置會對排量系數(shù)Kd產(chǎn)生較大的影響，在安全閥的設(shè)計、選用及調(diào)試時應(yīng)給予必要的重視。為了減小調(diào)節(jié)圈位置對安全閥排量系數(shù)的影響。