1、概述

　　彈簧式安全閥是高壓系統(設備、容器管路)上的一種超壓保護裝置。當系統中的壓力過分升高時,能夠自動把過剩的液態、蒸汽態或氣態的介質排放到低壓系統或大氣中去,以保證設備的安全運行和防止事故發生。閥門經過一段時間的排放,當統中壓力回降到工作壓力或者稍底于工作壓力時,安全閥關閉(即閥門回座) 。

2、分析

　　從安全閥的工作過程分析,可以看出安全閥應具備以下4個條件。

　　(1)當達到額定排放壓力時,應能迅速、可靠開啟到額定開啟高度,并排放出額定數量過剩的工作介質。

　　(2)在全開啟狀態下,安全閥應能穩定而無震蕩地排放。

　　(3)安全閥在壓力稍底于工作壓力時關閉,且當隨后壓力回升到工作壓力時,仍能滿足被保護系統的密封要求。

　　(4)處于關閉狀態時,安全閥應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、排量或排量系數和機械特性等方面考察,其中開啟高度和排量是兩個非常重要和必須考察的指標。一般認為開啟高度達到了設計要求,排量也就達到了設計要求,因此相關閥門標準都對安全閥的開啟高度作出了明確的規定。

　　(1) JB 2207-77中規定,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中規定,全啟式安全閥的開啟高度應不小于流通直徑的1/4。帶調節圈和不帶調節圈的微啟式安全閥的開啟高度應分別不小于閥座口徑的1/20和1/40。

　　(3)當介質壓力上升到標準規定的排放壓力的上限值以前,開啟高度應達到設計規定值。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,限制了介質的排出,此時排放量的大小與簾面積的大小有著密切關系。

　　(2)對于全啟式安全閥,其開啟高度達到了喉徑的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的排放。此時排放量與簾面積的關系及對開啟高度的控制應該予以考慮。

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,都可視其為一個典型的拉伐爾噴管,通常測試安全閥性能使用的介質是常溫空氣。當系統的壓力逐漸升高,安全閥便開啟直至排放。此時閥瓣達到最高開啟位置。開啟高度在閥瓣與閥座之間形成一個圓柱空間,其側表面積(簾面積)大于等于閥座喉徑的截面積。系統內的過剩壓力通過閥座通道向外排放。此時可以認為是一種開放式排放。當安全閥穩定排放時,閥瓣處于最高位置,氣體的進口(閥座的進口)與出口(閥體的出口)尺寸是固定不變的,整個通道是穩定的。當壓力在某一瞬間為一定值時,其流動氣體通過通道也是穩定的,即在通道的任何位置上通過氣體的狀態及流速都有確定的數值,氣體通過通道的質量在單位時間內是相同的,不隨時間而變化(圖1) 。其穩定流動的連續方程式為

圖1　介質流動方向

　　m =AV /υ (1)
　　兩邊取對數　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)表明當氣體通過噴嘴時,流道截面、流速和比容三者變化的相互關系。噴管的作用是使氣體通過時壓力急劇下降,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。應該使向外排放的介質在喉徑處達到音速,已獲得最大的排放量。這就要求對安全閥的閥座進行合理的設計, 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P₂ = P₁時, 噴管喉部的速度達到聲速,并且在P2 進一步降低時流量保持不變。

圖2　氣體在拉伐爾噴管中的流動