1、概述

　　安全閥是受壓設備、容器或管路上的超壓保護裝置。當設備、容器或管路內的壓力升高超過允許值時,閥門自動開啟,繼而全量排放,以防止設備、容器或管路內的壓力繼續升高。當壓力降低到規定值時,閥門應自動及時關閉,從而保護設備、容器和管路的安全運行。核電站中采用了大量的彈簧式安全閥,其中部分介質為液體的彈簧式安全閥,在運行過程中可能由于閥門的顫震導致波紋管斷裂,或者引起其連接管道的破裂,對系統的安全性及可靠性帶來了一定的影響。

2、顫震分析

　　彈簧式安全閥利用彈簧壓縮力對閥瓣加載、用以調定開啟壓力并在介質直接作用下開啟,從而實現對受壓設備、容器或管路的超壓保護。彈簧式安全閥具有結構簡單、調整靈活、可靠性高等特點,但其也存在閥門泄漏、開啟壓力漂移和顫震現象等。顫震是指安全閥的閥瓣迅速異常的來回運動,在此過程中,閥瓣不接觸閥座。當被保護設備內壓力異常升高達到開啟壓力時,閥門自動開啟,此時設備內介質得以排放。當被保護容器內的壓力還高于起跳壓力時,安全閥進口管的壓力已經低于回座壓力,安全閥回座。在很短的時間內,通過壓力傳遞,閥門進口管內的壓力又達到起跳壓力,閥瓣上升,如此循環,產生顫震。

　　彈簧式安全閥的顫震現象主要緣于閥門自身設計的缺陷或閥門運行條件的特殊情況。如閥門選用彈簧的剛度過大,閥門啟閉壓差小(即開啟壓力與回座壓力差值較小) ,閥門排量小,導致開啟后排放不充分,或工作介質為不可壓縮的液體,工作壓力遠小于整定壓力,進口管長度與管徑之比大,背壓過大,進口流道壓力損失過大及在L/D較大的情況下閥門所連接的箱罐體積過大。

　　彈簧式安全閥的顫震現象可能引起被保護設備、容器或管路介質的異常排放,并且由于閥門顫震引發的振動可能導致連接管道的破裂。對于彈簧式安全閥,可通過加裝阻尼器或者改進閥門設計,消除顫震現象,保證系統或設備的正常運行。

3、阻尼器工作原理及特點

　　對于在電站運行過程中發生過顫震的安全閥,可以采用加裝阻尼器的方法,通過施加于安全閥閥桿上的阻尼力,使得閥門在回座前充分的排放被保護設備、容器介質,從而消除顫震現象。

3.1、油壓式阻尼器

　　油壓式阻尼器(圖1)通過閥桿的位移使流體在兩個腔室之間流動。閥桿上升時,流體通過調節孔和隔膜孔(類似于止回閥)進行流通,此時上下腔室的壓差很小,可以忽略不計,不影響閥門的開啟時間。閥門關閉閥桿下降時,隔膜孔關閉,流體僅通過調節孔流通,此時上下壓差產生一個向上的力,避免閥門的快速回座,從而消除頻繁顫震的現象。油壓式阻尼器是一種獨立的裝置,便于維修、運輸和安裝,在閥門關閉時可防止閥瓣撞擊保護密封面,同時維持閥門在超壓時的性能。其波紋管設計可適應閥桿位移導致腔室的體積變化和溫度變化,并通過外置的調節孔進行阻尼作用的調節。由于采用油作為水力流體和采用波紋管設計,使得該動力密封系統產生的摩擦力可以忽略不計。

1.連接桿　2.阻尼器主體　3.隔膜片　4.塞 5.波紋管　6.調節孔

圖1　油壓式阻尼器

3.2、機械式阻尼器

　　機械式阻尼器(圖2)是在彈簧式安全閥的閥桿連接軸上安裝一個起制動作用的裝置,彈簧力通過圓錐形的石墨墊圈,將軸向的載荷轉化為徑向作用力,減小閥桿的振動。在閥門關閉時,通過制動裝置內彈簧的壓縮擠壓石墨墊圈,產生的摩擦力使閥桿下降速度變緩。機械式阻尼器結構簡單,成本較低,便于安裝和維修,即能解決閥門顫震問題,又不影響閥門密封性能。

圖2　機械式阻尼器

4、自穩式安全閥

　　自穩式安全閥是彈簧式安全閥的一種改進結構(圖3),其通過在閥瓣下連接一個盤片(盤片的直徑D >喉徑d) ,并在盤片上開孔及在盤片的側面開槽的方式,實現閥門的快速開啟及緩慢回座,從而避免閥門顫震現象的產生。當壓力容器的壓力達到設定壓力,閥門在開啟瞬間(0.1s) ,腔A的壓力迅速釋放8%～10% ,釋放的速度大于通過盤片小孔補充的速度,導致上下腔產生一個壓差,使閥門迅速開啟,避免了震動和噪聲。閥門開啟后,介質可以通過盤片上的小孔和側面的槽孔排出。當壓力降低到設定壓力后,閥瓣開始回座。閥門回座的速度一開始很快,當盤片側面的槽孔進入喉徑內時,介質排出的面積開始減小,閥瓣越往閥座靠近,槽孔被擋住越多,當閥瓣即將接觸閥座的時候,介質只能通過小孔。隨著面積的逐步減小,緩沖的力量逐步增大,使得閥瓣最后輕輕地貼合在閥座上。

　　自穩式安全閥具有高可靠性、穩定的開啟和關閉、適用介質多樣化等優點,但其盤片上的小孔和側面槽口需進行精確的計算及加工,以滿足對閥門正常運行的相關要求。

(a)關閉狀態PA< PB(b)開啟狀態S>S1

圖3　自穩式安全閥

5、結語

　　彈簧式安全閥存在的顫震現象已經引起了國內外核電廠及監測部門的重視。在安全閥的選擇過程中,需要對可能存在的顫震現象進行考慮,部分廠家甚至推薦大量安裝阻尼器或者使用自穩式安全閥。但是,由于存在太多的不可確定性,顫震現象無法通過理論分析或者相關的試驗來確定其是否會產生,而加裝阻尼器對于閥門的影響也無法判斷。自穩式安全閥的設計在國外部分電站已經有所應用,為閥門顫震現象的消除提供了一種新的考慮方案。