安全阀的工作原理
2024-07-31
安全阀是锅炉、压力容器和压力管道的保护装置，用于防止承压设备内的压力超过设计的允许值，从而保护设备及其操作人员的安全。由于安全阀不依赖任何外来能源就能动作，因此常被用作承压设备的最后保护装置，从这个意义上讲，它的作用是其他保护装置所不能代替的。
当承压设备内介质压力因某种原因异常升高，达到预定值时，安全阀会自动开启泄压，阻止压力继续升高。当介质压力因安全阀泄压而降低，达到另一预定值时，阀门自动关闭，阻止介质泄压。当介质压力为正常工作压力时，阀门保持关闭密封状态。下面列举常见的弹簧直载式安全阀和先导式安全阀为进一步说明安全阀的工作原理，图1为传统弹簧式燃气安全阀的工作原理，其动作是基于力的平衡。正常工作状态下，进口压力低于设定压力，阀瓣在弹簧力作用下压紧在阀座上，阀门处于关闭或密封状态。
燃气安全阀工作原理
此时作用在阀瓣上的弹簧力F为：F=pA+Fs。P为介质压力(MPa)。A为阀瓣上的压力面积(mm2)。Fs为阀瓣与阀座向下密封的附加力(N)。阀瓣对阀座密封面的压紧力Fs保证了所需的密封性。正常工作时，安全阀处于关闭状态，安全阀阀瓣在系统压力作用下向上的力小于阀瓣向下的弹簧力。该差值即为附加密封力Fs，即随着系统压力的升高，安全阀的密封比压是逐渐减小的。
当系统入口压力等于安全阀的调定压力时，弹簧力等于入口介质作用在关闭阀瓣上的力，阀瓣与阀座之间的力为零。当入口压力稍高于调定压力时，介质流经阀座表面，进入蓄压室“B”，由于反冲板与调节环之间的节流作用，蓄压室“B”内压力升高。由于此时入口压力作用的面积较大，所以会产生一个克服弹簧力的附加力，通常称为膨胀力。通过调节调节环，可以调节环形流道间隙的大小，从而控制蓄压室“B”内的压力。此时，蓄压室内的控制压力将克服弹簧力，使阀瓣离开阀座。安全阀弹开并打开。一旦阀门打开，在“C”处会产生额外的增压。这是由于流量突然增加以及反冲阀片裙部内缘和调节环外径所围成的环形流道上的节流所致。在“C”处产生的这些额外力(包括反冲力)将使阀片在弹开时达到足够的开启高度。
流量始终受阀座与阀瓣之间的开启角度限制，直到阀瓣离阀座的开启高度接近喉口直径的1/4.当阀瓣达到这种开启高度时，流量由喉口流道面积控制，而不是由阀座表面之间的面积控制。入口压力已降至设定压力以下，弹簧力足以克服“A”、“B”、“C”三个力之和;阀门关闭。
经过过压阶段后达到最大泄压压力B;经过启闭压差阶段后回到复座压力C。液体安全阀不会像气体安全阀那样突然爆裂，因为液体的流动不会像气体那样产生膨胀力。液体安全阀必须依靠反作用力才能达到开启高度。
液体安全阀原理
关闭 时，作用在阀瓣上的力与作用在气体上的力相同，直到达到力平衡，即保持阀座关闭的合力接近于零。在开启初期，溢流的液体在阀座表面之间形成一层很薄的流体层，该流体层迅速膨胀，冲击阀瓣复座板的反作用面，并向下偏转，产生向上的反作用力，推动阀瓣和复座板。在最初的2%至4%的过压范围内，这些力通常形成得很慢。 随着流量逐渐增大，液体流过阀座的速度也随之增大。这些动量力和由于反作用面向下偏转而迅速释放的液体所产生的作用面的合力足以使阀门完全打开。正常情况下，在2%至6%的过压下，阀瓣会突然上升到全开高度的50%至100%。随着过压的增大，这些力不断增大，推动阀瓣完全打开。带液体的安全阀的排放量应在10%或更少的过压下达到全额定排放量，这是ASME所规定的。 在阀门关闭过程中，随着过压的减小，液体的动量和反作用力减小，弹簧力将阀瓣推回与阀座接触。过去，许多用于液体的泄压阀都是为可压缩蒸汽设计的安全泄压阀或泄压阀。这些用于液体的阀门，很多都需要较高的过压(25%)才能达到全开、稳定工作的目的，这是因为液体不能提供与气体相同的膨胀力， ASME《锅炉与压力容器》标准 第Ⅷ章要求液体在过压10%的情况下才能达到全开、稳定工作、达到额定排放能力，而GB/T 12223-2005规定额定排放压力不得超过整定压力的1.20倍。
当被保护的系统处于正常工作状态时，导阀阀瓣处于关闭状态，系统压力由主阀进气口经导管、导阀传到主阀阀瓣(活塞)上方的气室。由于活塞面积大于阀瓣密封面面积，系统压力对阀瓣产生向下的力，使主阀处于关闭密封状态。当系统压力升到调定压力时，导阀打开，同时滑阀向上运动，关闭导阀进气通道。主阀瓣上方气室内的介质通过打开的导阀排出，使主阀瓣上方压力(中腔压力)降低，主阀瓣在进口压力的推动下打开，释放系统压力。当系统压力降到一定值时，导阀回座，带动顶杆打开滑阀，系统压力又通过导阀进入主阀瓣上方气室，推动主阀瓣关闭。
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