液體安全閥排量性能研究及其工程應(yīng)用

翟啟超，劉殿坤，段淼淼，王德海，吳玉珍

（1.北京航天石化技術(shù)裝備工程公司，北京 100176；2.國家特種泵閥工程技術(shù)研究中心，北京 100076）

1 前言

安全閥作為一種超壓保護(hù)的特種設(shè)備，廣泛應(yīng)用于石油、化工、電力、冶金等諸多行業(yè)［1～11］。它是一種自動(dòng)閥門，不借助任何外力而利用介質(zhì)本身的力來排出一定質(zhì)量的流體，以防止壓力超過額定的安全值。當(dāng)壓力恢復(fù)正常后，閥門再行關(guān)閉并阻止介質(zhì)繼續(xù)流出。為實(shí)現(xiàn)泄放足量的超壓介質(zhì)以達(dá)到對(duì)超壓設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)的作用，安全閥的排放性能受到安全閥工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛關(guān)注，對(duì)實(shí)際工程的選型意義重大。

彈簧直接載荷式安全閥因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單應(yīng)用最為廣泛，本文以HTXO型液體介質(zhì)彈簧直接載荷式液體安全閥（圖1）為研究對(duì)象，它沿用了傳統(tǒng)的彈簧、導(dǎo)套、反沖盤、閥座、閥瓣及下調(diào)節(jié)圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路。

圖1 液體介質(zhì)直接載荷式安全閥示意

HTXO型液體安全閥是滿足ASME規(guī)范要求的系列小口徑彈簧直接載荷式安全閥。ASME第Ⅷ卷中對(duì)安全閥的排放性能有明確要求［12］：同一系列安全閥，按其入口排放壓力由低至高任取4個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)量到的閥門流量系數(shù)值不得超過全部測(cè)點(diǎn)的流量系數(shù)平均值±5%范圍。這里的閥門排放壓力應(yīng)為安全閥整定壓力的1.1倍，換言之，對(duì)于全開啟式安全閥來說，ASME規(guī)范要求其超過壓力不得大于整定壓力的10%。

本文將著眼于上述設(shè)計(jì)要求，從分析閥門的流阻損失與其流量系數(shù)的內(nèi)在聯(lián)系、內(nèi)流場(chǎng)流阻產(chǎn)生區(qū)域，分析液體安全閥作用機(jī)理出發(fā)，形成能夠有效指導(dǎo)安全閥流道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的工程方法。將分析研究獲得的工程方法應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的工程實(shí)踐，以達(dá)到HTXO系列產(chǎn)品滿足ASME規(guī)范要求的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2 流量系數(shù)及試驗(yàn)

2.1 流量系數(shù)

安全閥的流量系數(shù)是衡量閥門流通能力的一個(gè)重要指標(biāo)，流量系數(shù)值越大說明安全閥排放性能越好［13］。這里需要明確：一般調(diào)節(jié)閥的流量系數(shù)是在閥門前后壓力差一定的情況下測(cè)量計(jì)算出的閥門流量系數(shù)。而安全閥流量系數(shù)與一般調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)的定義并不相同，它是在安全閥出口為大氣壓時(shí)，在不同的安全閥入口排放壓力下測(cè)量計(jì)算出的系數(shù)。也就是說，安全閥流量系數(shù)偏差是在變壓力差的前提下進(jìn)行比較的，因此對(duì)系列安全閥產(chǎn)品，其流量系數(shù)偏差不超過±5%的設(shè)計(jì)要求難于一般調(diào)節(jié)閥的設(shè)計(jì)要求。

本文研究對(duì)象為出入口通徑均為D25 mm（1 in）、流道直徑D0為10 mm的HTXO系列安全閥，為方便比較，本文引入了區(qū)別于安全閥排量系數(shù)（即實(shí)際排量與理論排量比）的流量系數(shù)Kv概念，流量系數(shù)定義式為［13］：

式中Kv——流量系數(shù)，m2

Q——體積流量，m3/h

ρ——流體密度，kg/m3

ΔP——閥門入口與出口的壓力差，MPa

由于被測(cè)安全閥出口排空，計(jì)算過程中ΔP實(shí)際應(yīng)為安全閥的排放壓力。

2.2 試驗(yàn)系統(tǒng)及試驗(yàn)方法

液體安全閥流量系數(shù)試驗(yàn)在圖2所示的液流試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行。該系統(tǒng)能夠滿足最大入口通徑10.16 mm、最高10 MPa試驗(yàn)壓力的液體安全閥性能試驗(yàn)［14］。

圖2 安全閥液流試驗(yàn)系統(tǒng)示意

試驗(yàn)方法遵循參考文獻(xiàn)［14］推薦的安全閥動(dòng)作性能和排放性能試驗(yàn)程序，簡(jiǎn)單描述為：（1）快速增壓至被測(cè)安全閥90%整定壓力后，繼續(xù)緩慢增壓至被測(cè)安全閥達(dá)到整定狀態(tài)。（2）繼續(xù)增壓至被測(cè)安全閥全開啟，安全閥啟跳壓力須小于1.1倍整定壓力。（3）繼續(xù)增加安全閥入口壓力至排放壓力（整定壓力的1.1倍），記錄閥門的流量。（4）關(guān)閉被測(cè)安全閥前壓力源，被測(cè)安全閥回座關(guān)閉。

表1 HTXO型安全閥流量系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)

根據(jù)表1中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可得流量系數(shù)Kv值與壓力差ΔP（閥門排放壓力）的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖中可看出：（1）同一安全閥，保證其流道結(jié)構(gòu)和開啟高度相同的條件下，其流量系數(shù)隨著其排放壓力的增加而減小。（2）現(xiàn)有HTXO系列安全閥產(chǎn)品的流量系數(shù)，超過了ASME規(guī)范要求的“閥門流量系數(shù)值不得超過全部測(cè)點(diǎn)的流量系數(shù)平均值±5%范圍”的規(guī)定。

3 流量系數(shù)與流阻損失的關(guān)系

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，相同流道結(jié)構(gòu)的閥門，隨著壓力ΔP的變化，其流量系數(shù)呈指數(shù)關(guān)系減小。在管道元件中，閥門可以看作是一種流阻元件。流體流經(jīng)閥門過程中，由于閥門結(jié)構(gòu)阻力，使得介質(zhì)產(chǎn)生了一定量的能量損失，即流阻損失。研究安全閥排放能力與其內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生流阻損失的關(guān)系，將有助于提高安全閥的排放能力。

定義ζ為流阻損失系數(shù)，它表征閥門結(jié)構(gòu)流阻損失的大小，即ζ越大說明該結(jié)構(gòu)閥門流阻損失越大；反之亦然。

對(duì)于紊流流態(tài)的液體，其流體阻力損失以閥門前后的流體壓力降ΔP表示［13］，即：

式中ζ——閥門的流阻損失系數(shù)

u——流體在閥門內(nèi)的平均速度，m/s

根據(jù)式（2）推導(dǎo)出：

以閥門入口速度近似計(jì)算閥內(nèi)平均介質(zhì)流速，其體積流量為已知測(cè)量值，介質(zhì)為常溫水，故可以計(jì)算出流阻損失系數(shù)ζ。流阻損失系數(shù)的變化曲線如圖3所示。

圖3 HTXO型安全閥流量系數(shù)及流阻損失系數(shù)的變化曲線

由圖3可以發(fā)現(xiàn)：（1）同一流道結(jié)構(gòu)下隨著壓力ΔP的增大，流阻損失系數(shù)ζ隨著排放壓力ΔP的增大而逐漸增大。（2）安全閥流阻損失系數(shù)ζ的增大趨勢(shì)與流量系數(shù)Kv減小的趨勢(shì)相反，這說明流阻的增加確實(shí)影響了閥門的排放性能。

4 閥內(nèi)流阻數(shù)值計(jì)算分析

從前文分析中不難看出，流阻損失系數(shù)的增加很大程度上影響了閥門的排放能力。由流阻損失系數(shù)公式（3）可以發(fā)現(xiàn)，壓力差ΔP的變化引起流阻損失系數(shù)的變化是不可避免的，而流速u的相應(yīng)調(diào)整可以起到抵消ΔP的變化對(duì)流阻損失系數(shù)帶來的影響。為了直觀地分析安全閥內(nèi)流場(chǎng)流阻損失，引入CFD方法對(duì)安全閥內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行建模分析，并通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)減小內(nèi)部流動(dòng)對(duì)排放能力的影響。

4.1 內(nèi)流場(chǎng)建模

如圖4所示，安全閥流場(chǎng)計(jì)算區(qū)域是從安全閥入口到出口，由閥座、閥體、反沖盤、導(dǎo)套和下調(diào)節(jié)圈等零部件構(gòu)成的三維空間。由于流場(chǎng)呈對(duì)稱分布，為減少計(jì)算量，計(jì)算域只取一半的流場(chǎng)空間。忽略閥體腔內(nèi)定位螺釘和鑄造圓角［15］。

圖4 內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算域

圖5表示安全閥內(nèi)流場(chǎng)網(wǎng)格劃分情況。流場(chǎng)內(nèi)主要采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，模型中網(wǎng)格的間隔比不超過3，流動(dòng)關(guān)鍵區(qū)域網(wǎng)格加密處理。

圖5 網(wǎng)格劃分

主要的邊界條件如表1所示。

表1 邊界條件列表

介質(zhì)為水，進(jìn)口及出口截面分別設(shè)置成壓力進(jìn)口和壓力出口，壓力大小與試驗(yàn)完全一致；壁面處理采用了壁面函數(shù)法；湍動(dòng)能和湍流耗散率的差分格式選擇了二階迎風(fēng)格式。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

圖6為計(jì)算得到的安全閥內(nèi)流場(chǎng)流速分布圖。按照傳統(tǒng)的安全閥內(nèi)流場(chǎng)理論，可將安全閥流道近似視為一收縮擴(kuò)張型噴管［15］。對(duì)于不可壓液體介質(zhì)，噴管收縮段，即圖中安全閥入口區(qū)域，介質(zhì)流速較大；介質(zhì)經(jīng)過喉部及反沖盤區(qū)域進(jìn)入閥門腔體內(nèi)，由于流道截面積迅速擴(kuò)張，閥腔內(nèi)流速較低。流速變化梯度較小的區(qū)域，其流阻損失系數(shù)基本穩(wěn)定，故對(duì)該區(qū)域通過設(shè)計(jì)手段改變流道結(jié)構(gòu)，降低流阻損失系數(shù)難度較大。而在反沖盤附近區(qū)域，閥內(nèi)介質(zhì)流速變化梯度較大。反沖盤處流道折轉(zhuǎn)擴(kuò)張的結(jié)構(gòu)使得這一區(qū)域形成許多渦流［16］，產(chǎn)生了較大的流阻損失，從而影響了閥門的排放性能。

5 工程應(yīng)用分析

HTXO型液體安全閥是按照ASME規(guī)范設(shè)計(jì)的一款系列彈簧直接載荷式安全閥，其動(dòng)作性能和排放性能嚴(yán)格執(zhí)行美標(biāo)規(guī)范。由表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，現(xiàn)有HTXO系列安全閥產(chǎn)品的流量系數(shù)，超出了ASME規(guī)范要求的“閥門流量系數(shù)值不得超過全部測(cè)點(diǎn)的流量系數(shù)平均值±5%范圍”的規(guī)定。

根據(jù)上文中流場(chǎng)分析的結(jié)果可以知道，安全閥反沖盤區(qū)域?qū)﹂y內(nèi)流阻損失起到至關(guān)重要的作用。為了達(dá)到ASME規(guī)范要求，應(yīng)盡量減少流阻系數(shù)ζ隨壓力差ΔP的變化。換言之，圖3中流阻系數(shù)ζ的曲線應(yīng)趨近平行于橫坐標(biāo)的一條直線。由式（3）知，只有當(dāng)流速u的變化量與壓力差ΔP變化量相匹配時(shí)，流阻系數(shù)ζ方能接近常量，而這只能通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方能實(shí)現(xiàn)，從而保證該系列安全閥排放性能滿足ASME規(guī)范要求。

如圖7所示為安全閥反沖盤局部流道簡(jiǎn)圖。從圖中可以看出，反沖盤裙邊高度h是影響該區(qū)域流道形狀的關(guān)鍵，適當(dāng)增加h值，一定程度上可更好地引導(dǎo)流體流動(dòng)，減少渦流擾動(dòng)，從而減小這一區(qū)域的流動(dòng)耗散，進(jìn)而提高閥門的排放性能。同時(shí)，考慮到反沖盤是保證安全閥動(dòng)作性能的關(guān)鍵零件，對(duì)其他設(shè)計(jì)尺寸并未做變更，只是將反沖盤處裙邊高度h變?yōu)椋╤+2） mm。

圖7 反沖盤局部流道示意

圖8為在相同入口條件下，h改進(jìn)前、后反沖盤附近流動(dòng)狀態(tài)。

圖8 改進(jìn)前、后反沖盤局部流速分布

由圖可見，設(shè)計(jì)方案改進(jìn)前的反沖盤區(qū)域介質(zhì)流速分布圖，流體介質(zhì)從安全閥喉部經(jīng)過反沖盤斜邊后，流道截面積迅速擴(kuò)張，主流區(qū)的流體流速迅速由閥門入口的高速降低至閥門腔體內(nèi)的低速。改進(jìn)后的反沖盤裙邊更長，對(duì)從閥座射出的介質(zhì)導(dǎo)流效果更為明顯。為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果，在保證閥門全開啟的前提下，按其入口壓力由低至高分別取 0.1241，1.1376，2.2753 和 3.4129 MPa 進(jìn)行流量系數(shù)測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如表2所列。

表2 反沖盤改進(jìn)前后流量系數(shù)對(duì)比

反沖盤結(jié)構(gòu)改進(jìn)前，測(cè)試得到的平均流量系數(shù)為100.98，但低壓力測(cè)點(diǎn)下，由于安全閥出入口壓力差ΔP較小，流量系數(shù)較大；高壓力測(cè)點(diǎn)下，壓力差ΔP增大，流量系數(shù)過小。4組數(shù)據(jù)中最大流量系數(shù)偏差超過平均值8.8%，不能滿足ASME規(guī)范的要求。

反沖盤結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，平均流量系數(shù)為100.41，與改前平均流量系數(shù)差僅減少了5‰，但最大流量系數(shù)偏差僅為平均值的4.3%，很好地滿足了ASME規(guī)范中±5%的指標(biāo)要求。

6 結(jié)論

（1）同一系列安全閥，在保證其流道結(jié)構(gòu)和開啟高度相同的條件下，其流量系數(shù)Kv值隨著其排放壓力的增加，有減小的趨勢(shì)。

（2）安全閥流量系數(shù)Kv與其流阻損失系數(shù)ζ相關(guān)，流量系數(shù)Kv隨著流阻損失系數(shù)ζ的增大而減小。這說明流道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的流阻是影響閥門排放性能的內(nèi)在因素。

（3）同一種流道結(jié)構(gòu)的安全閥，影響其排放性能主要因素是其反沖流動(dòng)區(qū)域的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文對(duì)該區(qū)域進(jìn)行適當(dāng)引流設(shè)計(jì)，達(dá)到了保持流阻損失變化緩慢，進(jìn)而保證全系列安全閥排放性能滿足ASME設(shè)計(jì)規(guī)范的目的。

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