泄壓閥泄壓特性

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1、之前介紹黃銅帶表消聲減壓閥使用注意事項，現在介紹泄壓閥泄壓特性概述

泄壓閥是防止設備內壓力升高超過允許值,確保設備安全運行自動動作的裝置。在系統正常工作條件下,高壓加熱器水側的泄壓閥始終處于關閉狀態。當系統中的介質壓力達到閥門的整定壓力時,閥門依靠入口處的壓力作用在閥瓣上自動開啟,排放多余介質,降低系統內超過的壓力,以保證系統的安全。泄壓閥開啟后,系統內的介質壓力降低,閥門開啟高度也會隨著下降,當系統內介質壓力降低到一定程度時,閥門自行關閉。 泄壓閥是防止管道或者壓力容器內部壓力超過設計壓力，保障設備正常運行安全的一種裝置。在系統的正常運行工況下，管道或者壓力容器上的泄壓閥一只處于關閉狀態。當系中的壓力超過泄壓閥的設定壓力值時，泄壓閥就會自動泄壓開啟，排放超壓介質，進行系統降壓，保證系統安全。由于為了保證管道或者壓力容器的安全閥，泄壓閥的動作一定要求迅速，所以泄壓閥的動作時間一般都很短。在這較短時間內，很難從理論分析上進行它的動作性能呢過描述。今天我們從實際現場測試的數據來分析泄壓閥的動作過程。
        2 試驗閥門參數
        閥門口徑：DN25；壓力等級：PN1.6；型號：A41Y-40C；整定壓力：Ps=0.1MPa；閥門喉徑：18mm，閥門設計行程：h=2mm（做試驗時未做行程限制），試驗介質為清潔水。

2、泄壓閥泄壓特性動作分析

2.1、前泄過程

在閥門未開啟前,閥瓣及導向套筒相應受到彈簧力、零件重力及介質力等力的相互作用(圖1、圖2) 。

(1)彈簧所提供的彈簧力Fs。

(2)彈簧、閥瓣、閥桿、上下彈簧座的自身重力Fg。

(3)當前入口介質壓力對閥瓣所產生推力,即介質力Fp。

(4)由于閥門出口與疏水管道相連,疏水管道內靜背壓在閥瓣上產生推力。在一般的安全閥設計中,習慣于將靜背壓所產生的推力合并到彈簧力中考慮。同時由于此工程用戶未提供靜背壓壓力,因此可以將靜背壓作為零來考慮。由于此時的彈簧力大于介質對閥門的壓力,閥座會對閥瓣產生一個向上的壓力(密封力Fq ) ,以達到受力平衡,即

Fs+Fg=Fp+Fq (1)
Fq = Fs + Fg - Fp (2)

式中Fs ———彈簧力,N
Fg ———活動件自重力,N
Fp ———介質力,N
Fq ———密封力,N

當系統壓力升高時,隨著介質壓力的增加,介質力增大,相應的密封力變小。當密封力減小到密封所必須的小密封力時,在密封面上會出現泄漏。此時,泄漏出來的液體所形成的介質流非常的細薄,壓力降低到接近靜背壓,不會對閥瓣受力產生太大的影響。此種泄漏稱為前泄。出現前泄時的介質壓力為前泄壓力,閥門前泄壓力由達到密封所需要的小密封力決定。閥門前泄壓力受到多種因素的影響,因此閥門密封所需的小密封力不宜于準確地計算。按照ASME法規和國家標準的規定,前泄壓力不應小于0.9倍的整定壓力。

2.2、開啟過程

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,水減壓閥隨著介質壓力的進一步升高,介質力進一步增大。介質的密封力進一步降低,減小到一定程度時,前泄排放出的介質迅速在密封面間向四周散開。排放的介質擊打著導向套筒的斜作用面,產生使閥瓣向上移動的作用力Fx (圖2、圖3) 。由于Fx 力的作用,閥瓣向上運動,介質密封力消失。此時閥門開啟,彈簧壓縮量增加,彈簧力增加。同時,排放液體會在閥體中腔內產生一定的積聚壓,稱為動背壓。動背壓也會在閥瓣上方產生一個向下的推力Fk。但由于此時閥瓣的開啟高度很小,因此由積聚壓所產生的動背壓也很小。此時的受力將變為一個動態平衡,即

Fs + Fg + Fk = Fp + Fx (3)

式中 Fk ———動背壓在閥瓣上方產生的向下推力,N
Fx ———排放的介質擊打著導向套筒的斜作

用面,產生的一種使閥瓣向上移動的作用力,N在理論計算時,通常將密封力消失時的狀態判定為閥門的開啟。在實際應用中,通過檢驗閥桿的動作來判斷閥門的開啟,并且閥門開啟時所檢測到的瞬時介質壓力即為閥門的整定壓力。

2.3、全行程過程

在閥門開啟后,隨著壓力的進一步升高,閥瓣的開啟高度也進一步升高。流量也會逐漸增加,通過閥座噴嘴的介質流速也隨著增加。這種快速排放的介質在導向套筒的斜作用面所產生的作用力足夠大時,會使閥瓣快速向上升起。而閥瓣的升起又會增大這個作用力,從而達到暴開的效果。典型的情況時在超壓(超過整定壓力)達到2%～6%時,閥瓣會突然升起在整個升程的50%～99%之間波動。對于泄壓閥全行程判定, ASME與API標準規定當超壓(超過整定壓力) ≤10%時,閥門開啟達到全行程,而我國標準規定泄壓閥超壓≤20%時,閥門達到全行程。閥門的試驗結果證明,此閥門超壓不到10%時開啟高度已達到全行程(2mm) 。當閥門剛達到全行程時,介質流量達到大,流速也快,因此,此時的動背壓很大,同時對閥瓣產生的推力也相應增大,成了影響閥門的一個主要的力,已經不能忽略(圖4) 。此時的受力動態平衡方程為

當閥門剛達到全行程時,如果再繼續升壓,這時由于導向套上部的行程控制,閥瓣不可能再向上運動,此時閥瓣與導向套上部行程控制之間將產生力Fm 以保證受力平衡。這時的受力方程為

Fs + Fg + Fk + Fm = Fp + Fx (5)

閥門入口壓力曲線圖5 閥門入口壓力曲線

只有當超壓達到10% ,此時所測得的閥座口的流量才是閥門的排放量。

2.4、關閉過程

隨著介質的排出,入口管道內壓力逐漸降低,即介質力逐漸下降,根據受力平衡,彈簧及動背壓會推動閥瓣向下運動,閥瓣與導向套上部行程控制之間的力消失。彈簧力與動背壓變小,達到新的受力平衡。當入口壓力一直降低至閥瓣密封面與閥座密封面相接觸時,此時密封面之間將產生密封力,這時的受力平衡方程為

Fs + Fg + Fk = Fp + Fx + Fq (6)

當介質力降到一定的程度后,此時密封面之間所產生的密封力已經達到了為達到密封所需要的小密封力,此時密封面停止泄漏,實現*密封。這時的入口壓力即為閥門回座壓力。理論上,對回座壓力的判斷應是密封面之間所產生的密封力等于為達到密封所需要的小密封力。試驗時,對于回座壓力的判斷是在系統保壓后,閥體疏水口處1min不見水滴流出時的壓力即為回座壓力。

3、分析過程中的簡化

根據實際經驗以及試驗結果證明,在分析過程中可以簡化部分參數。

(1)由于系統超壓的原因與超壓過程是十分復雜的,具有很強的不確定性。同時安全閥開啟后系統的壓力降曲線也不能*確定,因此可以把系統壓力簡化成不受安全閥排放影響的剛性曲線來分析(圖5) 。以此作為閥門入口壓力輸入,其中Ps = 3.62MPa，P = 3MPa (此參數用戶未提供,供參考,不影響分析)

Pp ≤1.1Ps = 1.1 ×3.62 = 3.982MPa ( g)
Pc ≥0.9Ps = 0.9 ×3.62 = 3.258MPa ( g)
Ph ≥0.8Ps = 0.8 ×3.62 = 2.896MPa (g)

(2)閥門的靜背壓在分析中可以忽略不計。閥門的動背壓在閥門起跳時數值小,但在閥門達到大行程時其數值很大,應給予考慮。

(3)閥門小罩內的介質對閥門影響不大。

4、動作特性試驗

按照上述理論及幾個過程推導公式的的應用在泄壓閥試驗臺上,以DN40、PN4泄壓閥為樣機,進行了動作特性分析試驗,試驗數據見表1。表1 泄壓閥試驗數據(DN40、PN4)泄壓閥試驗數據

5、結語

通過對泄壓閥的動作特性分析試驗, 優化了閥門的結構, 使閥門的動作穩定, 前泄壓力增大。加大閥門的排放量, 增大閥門的啟閉壓差, 使泄壓閥達到使用效果, 滿足系統安全性的要求。與本產品相關論文：斯派莎克蒸汽減壓閥在化纖管路應用