關(guān)于全啟式安全閥定義的討論

孫 琦 謝青延 趙昆玉

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院 深圳 518109）

關(guān)于全啟式安全閥定義的討論

孫 琦 謝青延 趙昆玉

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院 深圳 518109）

安全閥根據(jù)其閥桿的開啟高度分為全啟式和微啟式安全閥。全啟式安全閥因其排量大，廣泛應(yīng)用于承壓類特種設(shè)備中。在日常的檢驗(yàn)工作中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)全啟式安全閥的定義其合理性值得商榷。本文就全啟式安全閥定義的合理性及可能存在的問題加以討論，提出按實(shí)際排量系數(shù)來定義全啟式安全閥。

全啟式 開啟高度 流道直徑 簾面積 排量

安全閥有多種分類方法，不同種類的安全閥其使用場所及條件各不相同。其中，根據(jù)安全閥閥桿的開啟高度將安全閥分為全啟式和微啟式安全閥。全啟式安全閥因其排量大，被廣泛應(yīng)用于承壓類特種設(shè)備中。TSG G0001—2012《鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》［1］對安全閥的選用作了明確規(guī)定：蒸汽鍋爐的安全閥應(yīng)當(dāng)采用全啟式彈簧安全閥。TSG ZF001—2006《安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》［2］B5.1規(guī)定：全啟式安全閥運(yùn)用于排放氣體、蒸汽或者液體介質(zhì)，微啟式安全閥一般運(yùn)用于排放液介質(zhì)。

全啟式彈簧安全閥屬于彈簧直接載荷式安全閥，GB/T 12243—2005《彈簧直接載荷式安全閥》［3］及DL/T 959—2005《電站鍋爐安全閥應(yīng)用導(dǎo)則》［4］根據(jù)開啟高度將安全閥分為全啟式和微啟式安全閥，具體規(guī)定為：安全閥的開啟高度大于或等于流道直徑1/4的定義為全啟式安全閥；開啟高度為流道直徑1/40～1/20的定義為微啟式安全閥。

以上說明：

1）全啟式安全閥的定義是根據(jù)安全閥的開啟高度判定的；

2）全啟式安全閥的使用場所是有明確規(guī)定的。

因此，判定全啟式安全閥的技術(shù)指標(biāo)：閥桿的開啟高度大于或等于流道直徑的1/4的規(guī)定顯得尤為重要。

1 開啟高度與排量的關(guān)系

安全閥最重要的作用是泄放介質(zhì)、降低壓力、保護(hù)承壓類特種設(shè)備。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出全啟式的概念，主要是指當(dāng)閥桿的開啟高度大于或等于流道直徑的1/4時(shí)，其喉部的面積近似等于閥瓣開啟后閥瓣與閥座之間形成的簾面積，如圖1所示。因此，當(dāng)開啟高度大于或等于流道直徑的1/4時(shí)，從閥座進(jìn)口、閥座喉部、閥座出口、簾面積到安全閥出口，就形成一個(gè)全流通的通道，即類似一個(gè)流量打了一定“折扣”的理想噴嘴，其流量是可以理論計(jì)算的。

圖1 喉徑、開啟高度及流道面積、簾面積示意圖

根據(jù)GB/T 12241—2005《安全閥一般要求》［5］，以蒸汽介質(zhì)（工況為干飽和蒸汽，壓力為0.1～11MPa）為例：

式中：

Wts——理論排量，kg/h；

A ——流道面積，m2；

Pd——實(shí)際排放壓力，MPa（絕壓）。

式（1）表明：理論排量與流道面積及實(shí)際排放壓力成正比。只要知道流道面積和實(shí)際排放壓力這兩個(gè)指標(biāo)，就可以計(jì)算出安全閥的實(shí)際排量。當(dāng)然，這里必須滿足一個(gè)前提條件就是閥桿的開啟高度大于或等于流道直徑的1/4，也就是達(dá)到臨界流動(dòng)狀態(tài)，即：在達(dá)到臨界流動(dòng)之前，氣體通過安全閥的流道的流量是隨著下游壓力的減小而增加的。一旦達(dá)到臨界流動(dòng)，下游壓力的進(jìn)一步減小將不會(huì)使流量繼續(xù)增加，也就是安全閥的流量是一個(gè)穩(wěn)定值。安全閥在動(dòng)作時(shí)，只有閥桿開高達(dá)到此要求，式（1）才成立。同時(shí)，目前尚無在閥桿開高未達(dá)到此要求時(shí)的計(jì)算公式，因此，閥桿開啟高度未達(dá)到1/4喉徑的試驗(yàn)安全閥是無法進(jìn)行排量計(jì)算的。其排量的大小因開高的不同而不同，具體排量數(shù)據(jù)只能通過實(shí)際測量獲得。

安全閥型式試驗(yàn)檢驗(yàn)項(xiàng)目分為動(dòng)作性能試驗(yàn)和排量試驗(yàn)。閥桿開啟高度為動(dòng)作性能試驗(yàn)重要的技術(shù)指標(biāo)之一，在動(dòng)作性能試驗(yàn)合格后，才可以進(jìn)行排量性能試驗(yàn)。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，只要安全閥動(dòng)作時(shí)其閥桿開啟高度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，也就是其流體流動(dòng)達(dá)到臨界狀態(tài)，就可以通過流道面積及實(shí)際排放壓力計(jì)算得到理論排量，再通過排量系數(shù)換算成實(shí)際排量并加以應(yīng)用。

2 理論分析及流體仿真

上文闡明：全啟式安全閥對閥桿開啟高度的定義在實(shí)際應(yīng)用和檢測判定指標(biāo)中非常重要。但是，在日常的工作中發(fā)現(xiàn)，針對不同的技術(shù)條件，簡單的使用此技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其合理性值得商榷，具體分析如下。

現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于開啟高度大于或等于流道直徑的1/4的技術(shù)條件是如此推導(dǎo)出來的：安全閥開啟后的簾面積大于等于喉部面積，見圖1，即：

式（2）表明：當(dāng)閥桿開啟高度等于流道直徑的1/4時(shí)，即便閥桿開啟高度繼續(xù)增加，其喉部流體速度及排量不會(huì)增加，也就是閥座內(nèi)的流體達(dá)到臨界狀態(tài)，流體速度及排量達(dá)到極限值，即式（1）計(jì)算的理論排量值。顯然，公式成立的一個(gè)假設(shè)條件就是：安全閥流體流經(jīng)簾面積的平均速度等于正常工況下（閥座上無閥瓣、正常閥座噴嘴）喉部的平均速度。

針對這一個(gè)假設(shè)條件，實(shí)際在理論分析、流體仿真及實(shí)際測試時(shí)，這兩個(gè)速度是受閥座結(jié)構(gòu)形式及安全閥開啟后其簾面積的形狀影響的，這兩個(gè)速度是不完全相等的，是有條件相等的，此條件就是在工況2中其流體的流動(dòng)應(yīng)達(dá)到臨界狀態(tài)。

正如前文所述的臨界狀態(tài)定義，在閥桿開啟高度達(dá)到規(guī)定的某一值時(shí)（即現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的h≥1/4），閥座內(nèi)流體流動(dòng)達(dá)到臨界狀態(tài)。也就是說，閥桿繼續(xù)升高、閥瓣與閥座之間的距離繼續(xù)加大、氣體通過安全閥流道后壓力下降，但流量不會(huì)繼續(xù)增加。流量達(dá)到最大值。由于流量達(dá)到最大值，此值與工況1中流量最大值理論上是相等的。

這里筆者提出兩個(gè)速度概念：閥座上無閥瓣的情況下（工況1）喉部的平均速度和閥座上有閥瓣的情況下（工況2）喉部的平均速度，如圖2所示。

圖2 無閥瓣、有閥瓣結(jié)構(gòu)圖

流體流經(jīng)喉部工況1的平均速度與工況2及流體流經(jīng)簾面積的平均速度是不等的，具體理論分析如下：

現(xiàn)有理論認(rèn)為，在工況2情況下，只要閥瓣離閥座（即閥桿的開啟高度）大于或等于流道直徑的1/4，其流體速度是與工況1基本一樣的。也正如前面所講：當(dāng)閥桿開啟高度等于流道直徑的1/4時(shí)，即便閥桿開啟高度繼續(xù)增加，其喉部流體速度及排量不會(huì)增加，流體速度及排量達(dá)到極限值，也就是流體達(dá)到臨界狀態(tài)。這樣，無論是有無閥瓣，即在工況2狀態(tài)，只要開啟高度大于等于流道直徑的1/4，工況1與工況2的速度相等。

圖3 倒角閥座結(jié)構(gòu)

特別需要注意的是：由于流體在經(jīng)過喉部，在流出閥座，在閥座與閥瓣之間的簾面積，流體從垂直向上流動(dòng)改變?yōu)樗搅鲃?dòng)，由于摩擦及內(nèi)能的消耗，流體平均速度下降，流速達(dá)不到當(dāng)?shù)匾羲伲骄俣葧?huì)下降，導(dǎo)致排量的降低。

由于平均速度下降的原因是摩擦及內(nèi)能的消耗，因此，通過流場速度分布的優(yōu)化，來提高工況2下及簾面積出口的平均速度。為驗(yàn)證此論據(jù)，筆者在閥座出口增加倒角（如圖3中紅圈所示），由于原出口由90°直角改為45°斜角，便于流體在水平方向上的速度擴(kuò)展，以提高平均流速。結(jié)構(gòu)如圖3中紅圈所示所示。

此外，筆者通過進(jìn)一步增加開啟高度，增大閥座與閥瓣之間的容積，降低內(nèi)能消耗，以期待進(jìn)一步提高平均流速。

為此，通過模型仿真來說明此問題，具體模型要求如下：

1）閥座基本幾何尺寸不變，僅改變閥座出口內(nèi)壁由90°直角改為45°斜角，即分為兩種工況：有倒角和無倒角；

2）閥桿的開高分別固定在10/40d0、11/40d0、12/40d0及閥座上無閥瓣四種條件；

即兩種閥座幾何條件與4種開高條件共8種工況進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果及分析結(jié)果如下：

不同開啟高度及閥座結(jié)構(gòu)的流體仿真喉部速度分布云圖如圖4、圖5所示。其喉部速度見表1。

表1 喉徑速度對比表

圖4 無倒角閥座喉部速度仿真圖

圖5 有倒角閥座喉部速度仿真圖

經(jīng)流體仿真得出：工況1（無閥瓣）的喉部速度比工況2（帶閥瓣）的大；工況1的喉部速度隨著開啟高度的增加而增大；工況1有倒角閥座喉部速度比無倒角的大。因此，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)所述的只要閥瓣離閥座（即閥桿的開啟高度）大于或等于流道直徑的1/4，安全閥的排放量就不受開啟高度影響的理論成立條件值得商榷。

3 實(shí)際測試結(jié)果

結(jié)合流體仿真結(jié)果，本文制作了兩種閥座樣品（其他參數(shù)不變）：閥座出口帶倒角及不帶倒角，具體如圖6、圖7所示。

圖6 有倒角閥座結(jié)構(gòu)圖

圖7 無倒角閥座結(jié)構(gòu)圖

并分別在以下工況下，即帶閥瓣且開啟高度固定和無閥瓣，進(jìn)行實(shí)測排量試驗(yàn)。其試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 閥座排量系數(shù)對比表

其中：排量系數(shù)=實(shí)測排量/理論排量；理論排量見式（1）；實(shí)測排量為實(shí)際測量值。

無閥瓣試驗(yàn)如圖5中d）所示，閥座直接對空排放。

表2表明：試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果想吻合。同樣說明了閥瓣離閥座（即閥桿的開啟高度）等于流道直徑的1/4時(shí)，當(dāng)閥桿繼續(xù)升高時(shí)，安全閥的排放量是增加的。在時(shí)排量接近峰值。

4 結(jié)論

由于之前的理論認(rèn)為：當(dāng)閥桿開啟高度達(dá)到 d0/4及以上時(shí)，整個(gè)安全閥流道達(dá)到全開啟、全流通狀態(tài)，流場達(dá)到臨界狀態(tài)，流量達(dá)到最大狀態(tài)，流量不會(huì)再隨著閥桿的開高增加而增加。

從仿真及實(shí)際測試結(jié)果來看，在開啟高度達(dá)到d0/4時(shí)，由于摩擦及內(nèi)能的消耗，閥座喉部平均速度未達(dá)到臨界狀態(tài)，流體速度還有進(jìn)一步升高的趨勢。

針對現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于安全閥開啟高度的定義及相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定是按照理想狀態(tài)下進(jìn)行的，考慮到流體流動(dòng)過程的摩擦及內(nèi)能消耗，流體平均速度下降，實(shí)際狀況與現(xiàn)有規(guī)定會(huì)有所偏差。

2009年4月深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院在與美國NBBI（國家鍋爐壓力容器委員會(huì)）壓力釋放部門進(jìn)行技術(shù)交流時(shí)，在現(xiàn)場的安全閥型式試驗(yàn)演示中筆者發(fā)現(xiàn)美國NBBI在安全閥型式試驗(yàn)中未進(jìn)行開啟高度測量。他們主要是通過排量的測試來確認(rèn)安全閥安全質(zhì)量。

因此，筆者提出按實(shí)際排量系數(shù)來定義全啟式安全閥更明確。

［1］ TSG G0001—2012 鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［S］.

［2］ TSG ZF001 —2006 安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［S］.

［3］ GB/T 12243—2005 彈簧直接載荷式安全閥［S］.

［4］ DL/T 959—2005 電站鍋爐安全閥應(yīng)用導(dǎo)則［S］.

［5］ GB/T 12241—2005 安全閥一般要求［S］.

Discussion on Definition of the Full-lift Safety Valve

Sun Qi Xie Qingyan Zhao Kunyu
（Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test Shenzhen 518109）

Safety valve is classified as full-lift and micro-lift safety valve according to the lift of the valve.Full-lift safety valve is widely used in special pressure equipment because of the high discharge capacity.It was found in daily inspection that the definition of full-lift safety valve in technique criterion is questionable.This paper is going to analyze rationality and potential problems of the definition， propose the new definition of full-lift safety valve according to the discharge coefficient.

Full-lift Lift Flow diameter Curtain area Discharge capacity

X933.4

B

1673-257X（2016）09-0007-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2016.09.002

孫琦（1973～），男，本科，高級(jí)工程師，從事承壓類特種設(shè)備檢驗(yàn)與安全閥型式試驗(yàn)檢驗(yàn)等工作。

（2016-04-11）