先导式水击泄压阀的试验研究

2014-03-27 李晓峰北京航天动力研究所

　　介绍了先导式水击泄压阀的结构特点和工作原理，论述了阀门动作特性和流量特性的试验方法和结果。

1、概述

　　在油品的长输管道中突然停泵、开关阀门过快或机组转速变化等，均会引起管道中油流的骤变，这种变化产生一种压力波，在管线中迅速传递，产生水击。国内外长输管道的发展趋势是管道网络化和密闭输送，这就使长输管道水力系统更复杂，更容易形成水击。当管道中发生水击，并且压力峰达到水击泄压阀的设定值时，水击泄压阀快速开启，部分油品泄入到泄压罐。由于水击泄压阀的开启使管路中液体的体积发生了变化，液体的压能得到释放，使水击压力波的强度得到减弱，因此起到了保护管道和设备安全的目的。水击泄压阀以非直接作用式为主，其中先导式水击泄压阀( 以下简称泄压阀) 相比于其他控制类型的水击泄压阀，具有流通能力强、反应灵敏、无需外力控制和温度适用范围广等优点。

2、工作原理

　　泄压阀由主阀和导阀组成，导阀响应系统介质压力自身动作从而控制主阀的开关动作。其导阀能够快速响应入口压力的变化，在管道内水击波传递到阀前，系统压力超过设定压力值后，导阀迅速开启，并控制主阀迅速打开。先导式水击泄压阀属于自动泄压阀，其驱动力为管道中的介质压力。泄压阀并联安装在受保护管线上，阀门上游一侧与受保护的管线相连通，下游一侧与泄放管线相连( 图1) 。

泄压阀安装方式

1. 主阀2. 导阀3. 远程压力管

图1 泄压阀安装方式

　　泄压阀( 图2) 的主阀本体是轴流式的，整体分为主阀入口、主阀内腔气室和主阀出口3 部分。取压点设在水击泄压阀的上游管线上，上游管道中的压力通过远程压力管进入导阀，导阀通过压力管分别与主阀内腔气室和主阀出口相连。

泄压阀

1. 阀体2. 阀瓣3. 弹簧4. 固定套5. 导套6. 密封件7. 阀座8. 过滤器9. 导阀10. 压力管

图2 泄压阀

　　在正常工作状态下，上游管道中的压力进入导阀，通过气室压力管进入主阀内腔气室，主阀阀瓣在系统压力的作用下与密封件接触，从而保持关闭。当管道中产生水击时，上游管道压力超过设定压力，导阀动作，切断主阀内腔与上游系统压力的连通，泄放主阀内腔压力到主阀出口。主阀内腔失去介质力的作用，阀瓣左移，主阀开启，迅速泄放部分介质，消减水击压力峰，从而起到保护作用。随着水击泄放阀的开启，水击波的能量得到释放。如果管道压力降至水击泄压阀设定值以下，介质重新进入主阀内腔气室，作用在主阀阀瓣上，主阀阀瓣右移，泄压阀重新关闭，恢复到正常运行状态。

3、结构特点

　　随着长输管线的发展，泄压阀对泄放量的需求也越来越高，产品结构逐渐发展为具有高泄放能力，排放噪声更小，结构紧凑的轴流式主阀。主阀内芯设计为橄榄形，与阀体配合形成合理的泄放流道，提供消除水击所需的瞬间泄放量。泄压阀通过导阀感受水击压力控制泄压阀的开启及关闭，为非直接作用式泄压阀，主要控制功能均由导阀实现，因此导阀具备能够快速响应入口压力变化的能力。在管道内水击波传递到阀前，系统压力超过设定压力值后，导阀迅速开启，并控制主阀迅速打开。导阀应适用于液体介质，对主阀关闭过程缓慢控制，不会形成二次水击。

　　泄压阀工作介质一般为易燃易爆的油品，从环保及安全角度考虑，导阀不能排空，出口必须接入主阀出口。主阀出口与带压管线相连，可能存在背压，因此导阀应具备承受背压特性，确保水击泄压阀的设定压力及动作性能不受背压影响。

4、性能试验

　　为了对泄压阀的动作特性及流量特性进行研究，进行了水击动作试验和流量试验。

　　4.1、水击动作

　　泄压阀能够迅速开启，平稳关闭至关重要。为研究其动作特性，分别进行了在近泵端和近快关阀端的有或无泄压阀的水击试验( 图3) 。试验介质水及其环境温度为10 ～ 12℃。

水击试验系统

1. 水源2. 水泵3. 流量计4. 快关阀5. 水击泄压阀6. 快关阀7. 调节阀

图3 水击试验系统

　　分析试验结果( 图4、图5) ，不使用泄压阀保护试验系统时，迅速关闭快关阀，系统压力在极短时间内出现峰值，其值为系统正常运行压力的3 倍以上。在首次最高的压力峰值后，系统压力形成波形振荡，其波动随着时间的推移而逐渐衰减，4 ～ 5s 后系统中的压力波动逐渐稳定。压力波动稳定后，管线中持续压力为原工作压力的2 倍以上。使用泄压阀时，由于泄压阀的迅速响应，首次最高压力峰值显著降低，并且在首次压力峰值之后，压力波动快速稳定，管线压力降低到水击泄压阀的设定压力值，远低于无保护时的状态。

近快关阀端有/无泄压阀保护时P2压力曲线