安全阀出口流道面积对其工作特性的影响

概述

       安全阀是各类承压设备(如锅炉、压力容器和压力管道)上普遍使用的安全附件,被广泛应用于石油、化工和电力等多个行业。由于其对于保障设备正常安全地运行具有相当重要的作用,因此对其动作性能和可靠性的要求越来越高。本文所要研究的是安全阀出口流道面积对安全阀性能的影响。出口流道设计是否合理的一个主要指标就是介质流动是否顺畅,是否会发生流动的阻塞。API RP 520中规定,在进行泄压阀排放管线的设计时,应当考虑到附加背压和排放背压对于泄压阀动作特性的共同影响,排放管线的设计应使得系统中任何泄压阀的背压都不超过允许值。文献中规定,安全阀出口管道的设计应考虑背压不超过安全阀定压的一定值。文献中要求,安全阀出口接管直径应大于安全阀出口直径1～3 级,大小头应设在靠近安全阀的出口处。

计算模型

       为了研究不同出口流道面积对安全阀工作特性的影响,建立了6个计算模型,包括2个不同的几何实体,3个入口压力。其中,2个实体除出口流道面积不同以外,其他固壁的尺寸和型面完全相同(图1)。计算模型的喉部流道直径为27mm,进口公称通径为50mm,出口公称通径分别为65mm、80mm,介质为理想气体,入口压力分别为013MPa(a)、110MPa(a)和510MPa(a),入口温度和出口温度为300K,湍流模型采用Realizableκ-ε模型。

图1 　出口公称通径不同的计算实体

分析

       表1为6个算例的排量、升力和背压力的计算结果。表中升力为介质对安全阀运动零件(阀瓣和反冲盘)的作用力。运动件背面静压力是运动件背面各作用面上静压力的平均值。从表中数据可以看出,入口压力相同,出口公称通径不同,其排量变化不大,出口面积小的排量数值略小于出口面积大的。但是,其升力数值相差很大。出口面积小的升力数值小,而且,入口压力越高,两者相差越大。造成升力变化的原因在于运动件背面压力的变化。背压力的变化规律与升力的完全相同, 即相同入口压力下, 出口面积小的背压数值要大于出口面积大的, 而且, 入口压力越高, 两者相差越大。因此,升力减小的原因就在于背压力的增大。虽然表中数据表明排放能力并没有因出口流道面积缩小而削弱, 但这是在安全阀开启高度不变的情况下。许多研究表明, 安全阀的开启高度是影响其排放能力的最主要的因素。因此, 安全阀出口流道面积减小后, 排放能力是否会受到影响, 要看背压的增加是否引起了安全阀开启高度的减小。