基于JZNH-3D2安全閥檢驗(yàn)裝置介質(zhì)排放量研究

林沐野 鄭鑫 周楊飛 馬柯 鄒家華

（廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣東廣州510000）

安全閥在傳統(tǒng)重工業(yè)及輕工業(yè)承壓設(shè)備中為設(shè)備的安全運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的安全保障，為承壓設(shè)備能夠安全、有效率的生產(chǎn)起到了革命性的推動(dòng)作用，同時(shí)也為承壓設(shè)備的壽命能夠更加長時(shí)間的使用起到了經(jīng)濟(jì)性的作用。隨著本次試驗(yàn)進(jìn)一步的研究檢測，可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究中反映安全閥的動(dòng)態(tài)排放特性的數(shù)據(jù)嚴(yán)重匱乏，安全閥超壓開啟排放的流動(dòng)特性也無明確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論支撐，所以系統(tǒng)研究安全閥開啟排放相關(guān)動(dòng)作機(jī)理，需要進(jìn)一步結(jié)合數(shù)值模擬與試驗(yàn)測試開展研究

1 安全閥介質(zhì)排放基本原理

作用于閥體內(nèi)上密封面的彈簧壓緊力F，彈簧、彈簧座、反沖盤，閥桿等零件重力 且方向向下（因其零部件自重力與系統(tǒng)工況介質(zhì)的工作力相比較小，可忽略不計(jì)，只有當(dāng)工作開啟壓力很小時(shí)，方可考慮計(jì)算）與系統(tǒng)工作中介質(zhì)通過閥體內(nèi)喉經(jīng)處，在閥腔內(nèi)積聚形成的作用力P（系統(tǒng)壓力）×A（面積）且方向向上的介質(zhì)作用力，在彈簧力與介質(zhì)力相互作用來實(shí)現(xiàn)起跳排放動(dòng)作，即安全閥開啟至閉合瞬間閥腔內(nèi)介質(zhì)的排出量[1]。如紅外捕捉開啟瞬間云圖1與安全閥開啟狀態(tài)圖2。

圖1

圖2

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置與方法

本次實(shí)驗(yàn)方法為流量計(jì)法，且背壓為大氣常壓時(shí)的試驗(yàn)（如圖3）。對于安全閥，由于安全閥開啟過程的動(dòng)態(tài)特性，不能忽略出口截面積在實(shí)質(zhì)上的變化。一般采用便于計(jì)算的當(dāng)量面積形式，若采用其他的截面積表達(dá)排量公式時(shí)，必須滿足安全閥的開啟過程流體流動(dòng)的熵Φ值不變。因?yàn)榘踩y閥座喉徑處的直徑最小且面積恒定，所以一般采用喉經(jīng)最小截面積帶入計(jì)算排量且忽略閥體內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)摩擦及擾動(dòng)損失[2]。本次排量試驗(yàn)、 排放壓力試驗(yàn)、回座壓力試驗(yàn)、開啟高度試驗(yàn)、排量及排量系數(shù)試驗(yàn)，檢測能力、現(xiàn)場還原度及結(jié)果精確度和自動(dòng)化程度等達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平[8]。

圖3

試驗(yàn)過程是通過壓力罐截止閥升壓，在介質(zhì)升壓的過程中通過流量計(jì)傳感器得出輸入的介質(zhì)體積量，且傳感器精度可以精確到千分位。本次被試安全閥為公稱通徑為DN50，流道直徑為55mm，65mm，75mm整定壓力為0.8MPa和0.6MPa，限制固定閥瓣開高為5mm，排量系數(shù)為0.75的6只A48Y-16C安全閥模型。安裝在靠近鏈接安全閥的管道法蘭上，用于與閥芯傳感器作標(biāo)準(zhǔn)壓力參照，以及 6個(gè)壓力傳感器，量程為0-2.5MPa，用于在入口檢測法蘭盤上測試壓力。精度為 0.4 級的壓力表6只，量程為 0-4MPa。采樣時(shí)，可以作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器和閥芯傳感器的輸出值是否失真的判斷標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)升高壓力至整定壓力的90%隨后以0.1MPa/S的速率緩慢升高壓力，直至被試安全閥保持開啟(排放)狀態(tài)，然后關(guān)閉壓力罐通向試驗(yàn)容器的閥門，測試壓力減小，被測試安全閥密封面亦逐漸關(guān)閉，在被測安全閥出口處密封連接流量接收裝置，待出口處接收裝置的流量趨于穩(wěn)定直至為零，且容器內(nèi)壓強(qiáng)回到升壓之前的最初壓力狀態(tài)時(shí)，結(jié)束傳感器收集[4]，重復(fù)上述步驟，分別試驗(yàn)閥門，記錄其泄出的流量。在試驗(yàn)過程中，應(yīng)利用聽覺、觸覺或視覺觀察并記錄機(jī)械特性。如果閥門發(fā)生頻跳、顫振或不能滿意回座，則應(yīng)加以記錄，關(guān)閉接收閥門。

當(dāng)氣流在安全閥內(nèi)部高速流動(dòng)會隨進(jìn)出口壓力比的大小不同，因此本次試驗(yàn)應(yīng)當(dāng)考慮到出現(xiàn)臨界流動(dòng)與亞臨界流動(dòng)的狀態(tài)，且介質(zhì)氣體為使得安全閥的排量計(jì)算也不一樣，在考慮氣體壓縮因素后，理想氣體狀態(tài)方程時(shí)依然適用，即PV=ZnRT，可得出GB12241-2005的兩種理論流態(tài)上的排量公式式2、式3，在達(dá)到臨界流動(dòng)之前，氣體或蒸汽通過流道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)一步減小將不會使得流量繼續(xù)增加。

A—— 為喉徑最小截面積為πd2/4；

Kd——為喉經(jīng)處的額定排量系數(shù)；

K——為常數(shù)（對于常溫常壓下空氣的k值為1.4）

P1，P2——安全閥的進(jìn)出口壓力

其中 A 為安全閥結(jié)構(gòu)喉徑最小面積；C、M、Z 都是與氣體自身相關(guān)的特性數(shù)據(jù)，T是開爾文溫度值；Pd代表絕對的排放壓力值，Kb亞臨界流動(dòng)下的理論排量修正系數(shù)。如表1 。

表1

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果通過導(dǎo)出形成表2，對比分析發(fā)現(xiàn)，以同樣開啟高度為5mm時(shí)分析其排量，相同的整定壓力和超壓情形下安全閥的排放能力對比分析顯示受出口直徑差異的影響并不很明顯，但是隨著開啟高度的進(jìn)一步變化，安全閥出口直徑的差異強(qiáng)烈影響到平均意義和監(jiān)控測點(diǎn)的排量值；對于全局平均、穩(wěn)定排放階段平均、監(jiān)控點(diǎn)計(jì)算的排量數(shù)值來說都有隨出口面積增大而增大的趨勢，并且影響明顯。此外，在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)通過對比也能發(fā)現(xiàn)安全閥的出口直徑設(shè)計(jì)值偏小時(shí)，其排放性能是很不穩(wěn)定，震蕩劇烈，顯然這種狀況是很不利于排量測試的，原因就在于截面變小流體通行受阻，其閥腔內(nèi)部的背壓力變化明顯，導(dǎo)致位移也振蕩劇烈影響到排量值；而對于較大出口面積，安全閥的排放更加容易，更容易達(dá)到臨界流動(dòng)。從數(shù)值大小看，理論上平均意義的穩(wěn)定排放階段的數(shù)據(jù)偏高，而實(shí)際監(jiān)控點(diǎn)計(jì)算方法與全局意義的排量計(jì)算值略小。綜上所述，在開啟整個(gè)過程中開啟高度影響到排放能力，其次出口直徑大小也有一定影響。

表2

3 結(jié)論

（1）通過在試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)排量計(jì)算上存在的差異不確定性，安全閥結(jié)構(gòu)的差異也導(dǎo)致了排放量的不同，從已有的數(shù)據(jù)中來看，主要集中表現(xiàn)在對復(fù)雜的安全閥超壓泄放流體流態(tài)進(jìn)行理論闡述和數(shù)學(xué)分析，認(rèn)為安全閥排放能力會受到進(jìn)出口的壓力比、自身幾何尺寸的影響[7]。但沒有深入而詳細(xì)的研究表明超壓泄放流動(dòng)在不同的位置處出現(xiàn)何種流態(tài)，由于安全閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難測定安全閥最小流道截面的流速，從而無法根據(jù)最小流道截流面積處是否達(dá)到音速來確定安全閥臨界壓力比，這就給準(zhǔn)確計(jì)算和選擇安全閥排量公式帶來的一定困難。此外，因使得滯止在閥腔內(nèi)部的介質(zhì)也需要排出，達(dá)到閥腔內(nèi)最初無壓力的狀態(tài)，傳統(tǒng)安全閥排量計(jì)算公式中采用靜參數(shù)代替滯止壓力有所不妥，難免引入誤差，需要引起足夠的重視。

（2）對于安全閥的排量系數(shù)確定[6]，一般需要完成許多不同工況組合的實(shí)驗(yàn)測試，很顯然完成如此大量的測試在現(xiàn)實(shí)中顯然是不能接受也極其耗費(fèi)財(cái)力。安全閥的排量系數(shù)一般是由生產(chǎn)廠家提供的參數(shù)（特定的液體或氣體狀態(tài)下的測試參數(shù)），而安全閥選型時(shí)都無一例外的將排量系數(shù)值視為唯一、確定、不變的參數(shù)值，一般其值的大小被標(biāo)于銘牌，這樣以來，就使得排量系數(shù)的信息實(shí)質(zhì)上是不完善的。這種認(rèn)為排量系數(shù)是具有普適意義的參數(shù)觀點(diǎn)明顯不合理。

（3）安全閥的開啟流動(dòng)瞬態(tài)性，從結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理上來看，過流截面積是恒定的；而安全閥在瞬態(tài)超壓開啟過程中，則有過流道面積的不穩(wěn)定性和波動(dòng)性，這并不能確定（流道確定，入口壓力穩(wěn)恒）的穩(wěn)定排放流動(dòng)。此外，傳統(tǒng)研究一般是對穩(wěn)恒狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)測試，或多或少采用恒定限高法、穩(wěn)定壓力入口等方式進(jìn)行初步研究，很顯然，這種流動(dòng)假設(shè)過于簡單，也完全不符合實(shí)際[5]。因?yàn)榘踩y的排放能力是隨時(shí)間在劇烈波動(dòng)變化的，具有瞬態(tài)特性，所以也需要引起足夠的關(guān)注和研究。

（4）安全閥的臨界流動(dòng)判斷問題 ，當(dāng)安全閥制造完畢，其實(shí)際的流道幾何狀態(tài)并未確定，流體介質(zhì)在其流道內(nèi)高速流動(dòng)時(shí)流態(tài)的變化、是否有層流、紊流變化，是否會因流通截面積的改變而改變其自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，速度、壓力的增減都有可能發(fā)生，更重要的是會出現(xiàn)速度增加到臨界狀態(tài)，傳統(tǒng)的簡單模型研究認(rèn)為介質(zhì)流速達(dá)到音速甚至超過音速，并且之后流體會快速降壓，直至到負(fù)壓的狀態(tài)。而且也認(rèn)為入口的流動(dòng)情形的不同會導(dǎo)致最小截面的位置和尺寸發(fā)生變化。但是，傳統(tǒng)的研究僅僅認(rèn)為入口流道、閥口密封面、反沖盤外延附近為可能存在聲速頓賽的區(qū)域是不足的，就過流截面面積發(fā)生變化，這一點(diǎn)來說，閥腔與出口相接處截面亦發(fā)生變化安全閥排放性能影響因素彈簧式安全閥是廣泛用于受壓容器上的一種安全保護(hù)裝置，它是依靠彈簧力和介質(zhì)力來實(shí)現(xiàn)動(dòng)作。當(dāng)介質(zhì)壓力逐漸升高與彈簧力平衡或超過彈簧力時(shí)，閥門開啟；當(dāng)介質(zhì)壓力小于彈簧力時(shí)，閥門關(guān)閉。對于既定結(jié)構(gòu)的安全閥，一般認(rèn)為其安全閥的排量系數(shù)以及排放能力是確定的，而很少涉及各種因素對安全閥的排放性能的影響。然而實(shí)際上影響閥門動(dòng)作因素很多。其中認(rèn)為閥腔內(nèi)積的多少，彈簧的剛度及銹蝕的狀態(tài)的變化，反沖盤形狀、閥瓣與調(diào)節(jié)圈的尺寸、角度是影響安全閥的排放性能的主要因素。

（5）采用實(shí)驗(yàn)得出安全閥的閥前壓力在低壓狀態(tài)時(shí)，安全閥的排量放能力會有所降低，需要考慮排量修正。此外，調(diào)節(jié)圈作為一種可以調(diào)節(jié)安全閥通行截面積的部件，也影響到排放能力的大小。調(diào)節(jié)圈裝置會對排量系數(shù)Kd產(chǎn)生較大的影響，在安全閥的設(shè)計(jì)、選用及調(diào)試時(shí)應(yīng)給予必要的重視。為了減小調(diào)節(jié)圈位置對安全閥排量系數(shù)的影響。