泄壓閥泄壓特性

                         上海申弘閥門有限公司

1、之前介紹黃銅帶表消聲減壓閥使用注意事項(xiàng)，現(xiàn)在介紹泄壓閥泄壓特性概述

泄壓閥是防止設(shè)備內(nèi)壓力升高超過允許值,確保設(shè)備安全運(yùn)行自動(dòng)動(dòng)作的裝置。在系統(tǒng)正常工作條件下,高壓加熱器水側(cè)的泄壓閥始終處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)中的介質(zhì)壓力達(dá)到閥門的整定壓力時(shí),閥門依靠入口處的壓力作用在閥瓣上自動(dòng)開啟,排放多余介質(zhì),降低系統(tǒng)內(nèi)超過的壓力,以保證系統(tǒng)的安全。泄壓閥開啟后,系統(tǒng)內(nèi)的介質(zhì)壓力降低,閥門開啟高度也會(huì)隨著下降,當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)壓力降低到一定程度時(shí),閥門自行關(guān)閉。 泄壓閥是防止管道或者壓力容器內(nèi)部壓力超過設(shè)計(jì)壓力，保障設(shè)備正常運(yùn)行安全的一種裝置。在系統(tǒng)的正常運(yùn)行工況下，管道或者壓力容器上的泄壓閥一只處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)系中的壓力超過泄壓閥的設(shè)定壓力值時(shí)，泄壓閥就會(huì)自動(dòng)泄壓開啟，排放超壓介質(zhì)，進(jìn)行系統(tǒng)降壓，保證系統(tǒng)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(dòng)作一定要求迅速，所以泄壓閥的動(dòng)作時(shí)間一般都很短。在這較短時(shí)間內(nèi)，很難從理論分析上進(jìn)行它的動(dòng)作性能呢過描述。今天我們從實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)來分析泄壓閥的動(dòng)作過程。
        2 試驗(yàn)閥門參數(shù)
        閥門口徑：DN25；壓力等級(jí)：PN1.6；型號(hào)：A41Y-40C；整定壓力：Ps=0.1MPa；閥門喉徑：18mm，閥門設(shè)計(jì)行程：h=2mm（做試驗(yàn)時(shí)未做行程限制），試驗(yàn)介質(zhì)為清潔水。

2、泄壓閥泄壓特性動(dòng)作分析

2.1、前泄過程

在閥門未開啟前,閥瓣及導(dǎo)向套筒相應(yīng)受到彈簧力、零件重力及介質(zhì)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(dāng)前入口介質(zhì)壓力對(duì)閥瓣所產(chǎn)生推力,即介質(zhì)力Fp。

(4)由于閥門出口與疏水管道相連,疏水管道內(nèi)靜背壓在閥瓣上產(chǎn)生推力。在一般的安全閥設(shè)計(jì)中,習(xí)慣于將靜背壓所產(chǎn)生的推力合并到彈簧力中考慮。同時(shí)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(shí)的彈簧力大于介質(zhì)對(duì)閥門的壓力,閥座會(huì)對(duì)閥瓣產(chǎn)生一個(gè)向上的壓力(密封力Fq ) ,以達(dá)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(dòng)件自重力,N
Fp ———介質(zhì)力,N
Fq ———密封力,N

當(dāng)系統(tǒng)壓力升高時(shí),隨著介質(zhì)壓力的增加,介質(zhì)力增大,相應(yīng)的密封力變小。當(dāng)密封力減小到密封所必須的小密封力時(shí),在密封面上會(huì)出現(xiàn)泄漏。此時(shí),泄漏出來的液體所形成的介質(zhì)流非常的細(xì)薄,壓力降低到接近靜背壓,不會(huì)對(duì)閥瓣受力產(chǎn)生太大的影響。此種泄漏稱為前泄。出現(xiàn)前泄時(shí)的介質(zhì)壓力為前泄壓力,閥門前泄壓力由達(dá)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(zhǔn)確地計(jì)算。按照ASME法規(guī)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,前泄壓力不應(yīng)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(yíng)閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,水減壓閥隨著介質(zhì)壓力的進(jìn)一步升高,介質(zhì)力進(jìn)一步增大。介質(zhì)的密封力進(jìn)一步降低,減小到一定程度時(shí),前泄排放出的介質(zhì)迅速在密封面間向四周散開。排放的介質(zhì)擊打著導(dǎo)向套筒的斜作用面,產(chǎn)生使閥瓣向上移動(dòng)的作用力Fx (圖2、圖3) 。由于Fx 力的作用,閥瓣向上運(yùn)動(dòng),介質(zhì)密封力消失。此時(shí)閥門開啟,彈簧壓縮量增加,彈簧力增加。同時(shí),排放液體會(huì)在閥體中腔內(nèi)產(chǎn)生一定的積聚壓,稱為動(dòng)背壓。動(dòng)背壓也會(huì)在閥瓣上方產(chǎn)生一個(gè)向下的推力Fk。但由于此時(shí)閥瓣的開啟高度很小,因此由積聚壓所產(chǎn)生的動(dòng)背壓也很小。此時(shí)的受力將變?yōu)橐粋€(gè)動(dòng)態(tài)平衡,即

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

式中 Fk ———動(dòng)背壓在閥瓣上方產(chǎn)生的向下推力,N
Fx ———排放的介質(zhì)擊打著導(dǎo)向套筒的斜作

用面,產(chǎn)生的一種使閥瓣向上移動(dòng)的作用力,N在理論計(jì)算時(shí),通常將密封力消失時(shí)的狀態(tài)判定為閥門的開啟。在實(shí)際應(yīng)用中,通過檢驗(yàn)閥桿的動(dòng)作來判斷閥門的開啟,并且閥門開啟時(shí)所檢測(cè)到的瞬時(shí)介質(zhì)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(jìn)一步升高,閥瓣的開啟高度也進(jìn)一步升高。流量也會(huì)逐漸增加,通過閥座噴嘴的介質(zhì)流速也隨著增加。這種快速排放的介質(zhì)在導(dǎo)向套筒的斜作用面所產(chǎn)生的作用力足夠大時(shí),會(huì)使閥瓣快速向上升起。而閥瓣的升起又會(huì)增大這個(gè)作用力,從而達(dá)到暴開的效果。典型的情況時(shí)在超壓(超過整定壓力)達(dá)到2%～6%時(shí),閥瓣會(huì)突然升起在整個(gè)升程的50%～99%之間波動(dòng)。對(duì)于泄壓閥全行程判定, ASME與API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)超壓(超過整定壓力) ≤10%時(shí),閥門開啟達(dá)到全行程,而我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定泄壓閥超壓≤20%時(shí),閥門達(dá)到全行程。閥門的試驗(yàn)結(jié)果證明,此閥門超壓不到10%時(shí)開啟高度已達(dá)到全行程(2mm) 。當(dāng)閥門剛達(dá)到全行程時(shí),介質(zhì)流量達(dá)到大,流速也快,因此,此時(shí)的動(dòng)背壓很大,同時(shí)對(duì)閥瓣產(chǎn)生的推力也相應(yīng)增大,成了影響閥門的一個(gè)主要的力,已經(jīng)不能忽略(圖4) 。此時(shí)的受力動(dòng)態(tài)平衡方程為

當(dāng)閥門剛達(dá)到全行程時(shí),如果再繼續(xù)升壓,這時(shí)由于導(dǎo)向套上部的行程控制,閥瓣不可能再向上運(yùn)動(dòng),此時(shí)閥瓣與導(dǎo)向套上部行程控制之間將產(chǎn)生力Fm 以保證受力平衡。這時(shí)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(dāng)超壓達(dá)到10% ,此時(shí)所測(cè)得的閥座口的流量才是閥門的排放量。

2.4、關(guān)閉過程

隨著介質(zhì)的排出,入口管道內(nèi)壓力逐漸降低,即介質(zhì)力逐漸下降,根據(jù)受力平衡,彈簧及動(dòng)背壓會(huì)推動(dòng)閥瓣向下運(yùn)動(dòng),閥瓣與導(dǎo)向套上部行程控制之間的力消失。彈簧力與動(dòng)背壓變小,達(dá)到新的受力平衡。當(dāng)入口壓力一直降低至閥瓣密封面與閥座密封面相接觸時(shí),此時(shí)密封面之間將產(chǎn)生密封力,這時(shí)的受力平衡方程為

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

當(dāng)介質(zhì)力降到一定的程度后,此時(shí)密封面之間所產(chǎn)生的密封力已經(jīng)達(dá)到了為達(dá)到密封所需要的小密封力,此時(shí)密封面停止泄漏,實(shí)現(xiàn)*密封。這時(shí)的入口壓力即為閥門回座壓力。理論上,對(duì)回座壓力的判斷應(yīng)是密封面之間所產(chǎn)生的密封力等于為達(dá)到密封所需要的小密封力。試驗(yàn)時(shí),對(duì)于回座壓力的判斷是在系統(tǒng)保壓后,閥體疏水口處1min不見水滴流出時(shí)的壓力即為回座壓力。

3、分析過程中的簡(jiǎn)化

根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及試驗(yàn)結(jié)果證明,在分析過程中可以簡(jiǎn)化部分參數(shù)。

(1)由于系統(tǒng)超壓的原因與超壓過程是十分復(fù)雜的,具有很強(qiáng)的不確定性。同時(shí)安全閥開啟后系統(tǒng)的壓力降曲線也不能*確定,因此可以把系統(tǒng)壓力簡(jiǎn)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(shù)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(jì)。閥門的動(dòng)背壓在閥門起跳時(shí)數(shù)值小,但在閥門達(dá)到大行程時(shí)其數(shù)值很大,應(yīng)給予考慮。

(3)閥門小罩內(nèi)的介質(zhì)對(duì)閥門影響不大。

4、動(dòng)作特性試驗(yàn)

按照上述理論及幾個(gè)過程推導(dǎo)公式的的應(yīng)用在泄壓閥試驗(yàn)臺(tái)上,以DN40、PN4泄壓閥為樣機(jī),進(jìn)行了動(dòng)作特性分析試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。表1 泄壓閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)(DN40、PN4)泄壓閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5、結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)泄壓閥的動(dòng)作特性分析試驗(yàn), 優(yōu)化了閥門的結(jié)構(gòu), 使閥門的動(dòng)作穩(wěn)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(dá)到使用效果, 滿足系統(tǒng)安全性的要求。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：斯派莎克蒸汽減壓閥在化纖管路應(yīng)用