1、概述

　　彈簧式安全閥是高壓系統(tǒng)(設(shè)備、容器管路)上的一種超壓保護(hù)裝置。當(dāng)系統(tǒng)中的壓力過分升高時(shí),能夠自動(dòng)把過剩的液態(tài)、蒸汽態(tài)或氣態(tài)的介質(zhì)排放到低壓系統(tǒng)或大氣中去,以保證設(shè)備的安全運(yùn)行和防止事故發(fā)生。閥門經(jīng)過一段時(shí)間的排放,當(dāng)統(tǒng)中壓力回降到工作壓力或者稍底于工作壓力時(shí),安全閥關(guān)閉(即閥門回座) 。

2、分析

　　從安全閥的工作過程分析,可以看出安全閥應(yīng)具備以下4個(gè)條件。

　　(1)當(dāng)達(dá)到額定排放壓力時(shí),應(yīng)能迅速、可靠開啟到額定開啟高度,并排放出額定數(shù)量過剩的工作介質(zhì)。

　　(2)在全開啟狀態(tài)下,安全閥應(yīng)能穩(wěn)定而無震蕩地排放。

　　(3)安全閥在壓力稍底于工作壓力時(shí)關(guān)閉,且當(dāng)隨后壓力回升到工作壓力時(shí),仍能滿足被保護(hù)系統(tǒng)的密封要求。

　　(4)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí),安全閥應(yīng)在工作壓力下保證必需的密封性。

3、問題的提出

　　衡量一種安全閥性能的優(yōu)劣,要從其密封性能、開啟壓力、排放壓力、回座壓力或啟閉壓差、開啟高度、排量或排量系數(shù)和機(jī)械特性等方面考察,其中開啟高度和排量是兩個(gè)非常重要和必須考察的指標(biāo)。一般認(rèn)為開啟高度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,排量也就達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,因此相關(guān)閥門標(biāo)準(zhǔn)都對安全閥的開啟高度作出了明確的規(guī)定。

　　(1) JB 2207-77中規(guī)定,微啟式安全閥的開啟高度為喉徑的1/40～1/20,全啟式安全閥的開啟高度可以大于或等于喉徑的1/4。

　　(2) GB 12243-89中規(guī)定,全啟式安全閥的開啟高度應(yīng)不小于流通直徑的1/4。帶調(diào)節(jié)圈和不帶調(diào)節(jié)圈的微啟式安全閥的開啟高度應(yīng)分別不小于閥座口徑的1/20和1/40。

　　(3)當(dāng)介質(zhì)壓力上升到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的排放壓力的上限值以前,開啟高度應(yīng)達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定值。對于給定通徑的全啟式安全閥,其偏差為平均值的±5%。

由此可以提出兩個(gè)問題。

　　(1)對于微啟式安全閥,由于其開啟高度并不是很高,所以此時(shí)排放面積小于喉部截面積,排放通道為半封閉式,限制了介質(zhì)的排出,此時(shí)排放量的大小與簾面積的大小有著密切關(guān)系。

　　(2)對于全啟式安全閥,其開啟高度達(dá)到了喉徑的1/4或更高一些,排放面積等于或大于喉部截面積,排放通道為敞開式。排放通道本身并不阻礙介質(zhì)的排放。此時(shí)排放量與簾面積的關(guān)系及對開啟高度的控制應(yīng)該予以考慮。

4、問題的討論

4.1、拉伐爾噴管的工作原理

　　安全閥的閥座一般采用拉伐爾噴嘴。無論閥座的尺寸和角度如何變化,都可視其為一個(gè)典型的拉伐爾噴管,通常測試安全閥性能使用的介質(zhì)是常溫空氣。當(dāng)系統(tǒng)的壓力逐漸升高,安全閥便開啟直至排放。此時(shí)閥瓣達(dá)到最高開啟位置。開啟高度在閥瓣與閥座之間形成一個(gè)圓柱空間,其側(cè)表面積(簾面積)大于等于閥座喉徑的截面積。系統(tǒng)內(nèi)的過剩壓力通過閥座通道向外排放。此時(shí)可以認(rèn)為是一種開放式排放。當(dāng)安全閥穩(wěn)定排放時(shí),閥瓣處于最高位置,氣體的進(jìn)口(閥座的進(jìn)口)與出口(閥體的出口)尺寸是固定不變的,整個(gè)通道是穩(wěn)定的。當(dāng)壓力在某一瞬間為一定值時(shí),其流動(dòng)氣體通過通道也是穩(wěn)定的,即在通道的任何位置上通過氣體的狀態(tài)及流速都有確定的數(shù)值,氣體通過通道的質(zhì)量在單位時(shí)間內(nèi)是相同的,不隨時(shí)間而變化(圖1) 。其穩(wěn)定流動(dòng)的連續(xù)方程式為

圖1　介質(zhì)流動(dòng)方向

　　m =AV /υ (1)
　　兩邊取對數(shù)　lnm = ln (AV /υ)
　　lnm = lnA + lnV - lnυ
　　再微分　d A /A + dV /V - dυ/υ= 0
則　d A /A = dυ/υ- dV /V (2)
式中　m ———流量, kg/ s
　　A ———喉徑截面積,m²

　　V ———喉徑截面處的氣體流速,m / s
　　υ———喉徑截面處的氣體比容,m³ /kg

　　式(1)表明當(dāng)氣體通過噴嘴時(shí),流道截面、流速和比容三者變化的相互關(guān)系。噴管的作用是使氣體通過時(shí)壓力急劇下降,從而獲得高速的氣流。拉伐爾噴管前的壓力P₁是給定的, 在正常情況下, 流束的最小截面應(yīng)與噴管的最小截面相吻合, 這樣排出的流量才能為最大值。應(yīng)該使向外排放的介質(zhì)在喉徑處達(dá)到音速,已獲得最大的排放量。這就要求對安全閥的閥座進(jìn)行合理的設(shè)計(jì), 以取得最佳效果。由圖2可以看出流量是隨著出口處形成的背壓力而變化的。當(dāng)P₂ = P₁時(shí), 噴管喉部的速度達(dá)到聲速,并且在P2 進(jìn)一步降低時(shí)流量保持不變。

圖2　氣體在拉伐爾噴管中的流動(dòng)