泄压阀动作特性的分析

1、概述

　　泄压阀是防止设备内压力升高超过允许值,确保设备安全运行自动动作的装置。在系统正常工作条件下,高压加热器水侧专用的泄压阀始终处于关闭状态。当系统中的介质压力达到阀门的整定压力时,阀门依靠入口处的压力作用在阀瓣上自动开启,排放多余介质,降低系统内超过的压力,以保证系统的安全。泄压阀开启后,系统内的介质压力降低,阀门开启高度也会随着下降,当系统内介质压力降低到一定程度时,阀门自行关闭。

2、动作分析

2.1、前泄过程

　　在阀门未开启前,阀瓣及导向套筒相应受到弹簧力、零件重力及介质力等力的相互作用(图1、图2) 。

　　(1)弹簧所提供的弹簧力F_s。

　　(2)弹簧、阀瓣、阀杆、上下弹簧座的自身重力F_g。

　　(3)当前入口介质压力对阀瓣所产生推力,即介质力F_p。

　　(4)由于阀门出口与疏水管道相连,疏水管道内静背压在阀瓣上产生推力。在一般的安全阀设计中,习惯于将静背压所产生的推力合并到弹簧力中考虑。同时由于此工程用户未提供静背压压力,因此可以将静背压作为零来考虑。由于此时的弹簧力大于介质对阀门的压力,阀座会对阀瓣产生一个向上的压力(密封力F_q ) ,以达到受力平衡,即

F_s+F_g=F_p+F_q (1)
F_q = F_s + F_g - F_p (2)

式中F_s ———弹簧力,N
　　F_g ———活动件自重力,N
　　F_p ———介质力,N
　　F_q ———密封力,N

　　当系统压力升高时,随着介质压力的增加,介质力增大,相应的密封力变小。当密封力减小到密封所必须的最小密封力时,在密封面上会出现泄漏。此时,泄漏出来的液体所形成的介质流非常的细薄,压力降低到接近静背压,不会对阀瓣受力产生太大的影响。此种泄漏称为前泄。出现前泄时的介质压力为前泄压力,阀门前泄压力由达到密封所需要的最小密封力决定。阀门前泄压力受到多种因素的影响,因此阀门密封所需的最小密封力不宜于准确地计算。按照ASME法规和国家标准的规定,前泄压力不应小于0.9倍的整定压力。

2.2、开启过程

　　随着介质压力的进一步升高,介质力进一步增大。介质的密封力进一步降低,减小到一定程度时,前泄排放出的介质迅速在密封面间向四周散开。排放的介质击打着导向套筒的斜作用面,产生使阀瓣向上移动的作用力F_x (图2、图3) 。由于F_x 力的作用,阀瓣向上运动,介质密封力消失。此时阀门开启,弹簧压缩量增加,弹簧力增加。同时,排放液体会在阀体中腔内产生一定的积聚压,称为动背压。动背压也会在阀瓣上方产生一个向下的推力F_k。

　　但由于此时阀瓣的开启高度很小,因此由积聚压所产生的动背压也很小。

　　此时的受力将变为一个动态平衡,即

F_s + F_g + F_k = F_p + F_x (3)

式中　F_k ———动背压在阀瓣上方产生的向下推力,N
　　F_x ———排放的介质击打着导向套筒的斜作

　　用面,产生的一种使阀瓣向上移动的作用力,N在理论计算时,通常将密封力消失时的状态判定为阀门的开启。在实际应用中,通过检验阀杆的动作来判断阀门的开启,并且阀门开启时所检测到的瞬时介质压力即为阀门的整定压力。

2.3、全行程过程

　　在阀门开启后,随着压力的进一步升高,阀瓣的开启高度也进一步升高。流量也会逐渐增加,通过阀座喷嘴的介质流速也随着增加。这种快速排放的介质在导向套筒的斜作用面所产生的作用力足够大时,会使阀瓣快速向上升起。而阀瓣的升起又会增大这个作用力,从而达到暴开的效果。典型的情况时在超压(超过整定压力)达到2%～6%时,阀瓣会突然升起在整个升程的50%～100%之间波动。对于泄压阀全行程判定, ASME与API标准规定当超压(超过整定压力) ≤10%时,阀门开启达到全行程,而我国标准规定泄压阀超压≤20%时,阀门达到全行程。阀门的试验结果证明,此阀门超压不到10%时开启高度已达到全行程(2mm) 。当阀门刚达到全行程时,介质流量达到最大,流速也最快,因此,此时的动背压很大,同时对阀瓣产生的推力也相应增大,成了影响阀门的一个主要的力,已经不能忽略(图4) 。此时的受力动态平衡方程为

图4　阀瓣受力(全开状态下)