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安全閥技術的發展
發布時間:2019-2-27 閱讀:277次  
 
安全閥技術的發展
    安全閥是一種自動閥門,它不需借助外力而是利用介質本身的壓力來排出額定數量的流體,以防止系統內壓力超過預定的安全值。安全閥廣泛應用于國民經濟各個領域中,它能夠防止爐、壓力容器或壓力管道等承壓裝置和設備因超壓而破壞,以保證設備的正常運行和人員安全。
 
    隨著科學技術的迅速發展,各種工業承壓裝置的參數越來越高、規模越來越大,設備的大型化和密集度不斷加大,安全生產成為企業發展建設中不可忽視的關鍵問題。盡管隨著工業生產裝置控制水平的提高,集散控制系統得到了普遍的應用,人們在工藝控制上采用了諸如超壓報警、聯鎖停機等多種措施,在確保裝置的生產安全方面發揮了重要的作用,但是安全閥仍然是保證鍋爐、壓力容器及壓力管道等承壓裝置和設備安全不可缺少的主要設施之一。安全閥被視為生產系統的**終泄壓保護裝置,也稱為生產系統安全的**后一道防線。
 
      1679年法國物理學家 Denis Papin研制的一種蒸汽壓力鍋上首次安裝了安全閥,用來防止蒸汽壓力過高而發生事故如圖01所示。它借助一個杠桿和一個可移動的重錘,保持安全閥在正常操作運行中處于關閉狀態;并沿著杠桿移動重錘可以調節壓力鍋中蒸汽的壓力,如圖02所示。他所發明的首臺安全閥于1681年獲得了設計專利。
      1769年瓦特蒸汽機的發明使閥門進入了機械工業領域。隨著工業的發展,蒸汽機的廣泛應用,促進了安全閥的發展。
 
 
 
    早期安全閥的閥瓣采用重錘加載而非彈簧加載的原因:一是當時生產適用的彈簧是困難的;二是對利用彈簧彈力特性作為閥瓣升力存在異議。然而,隨著鍋爐壓力的增加,重錘很快地變得很重,由于安全閥的尺寸和工作壓力的不斷增加采用重錘加載而變得不切實際。雖然杠桿重錘式擴展了它的應用范圍,但是杠桿不方便安裝,且影響壓力的調整,而且它們容易被干找產生意外泄放。彈簧加載不僅克服了重錘加載的缺點,彈簧特性也能夠與流體作用在閥上的升力相匹配。為此,現在幾乎所有的直接載荷式安全閥都是彈簧加載的。
 
    早期的重錘加載在閥瓣上的直接載荷式安全閥,其閥的形狀類似于截止閱的瓣,密封面是錐面的或平面的。當增高的流體壓力使閥瓣從閥座上升起時,逸出的流體不可能給于閥瓣上充分的動能,所以閥的開啟高度在允許的超壓下是很小的。因此早期的努力是設法改進安全閥的開啟高度。
 
      1828年, Timothy Hackworth研制了一種用于蒸汽機車和鍋爐的敵開彈簧式安全閥如圖03所示,從而開啟了安全閥的結構設計的新思路。當時的****彈簧式安全采用的是多重疊的片簧(磲簧),其能夠依靠擰緊螺母來調整彈簧力。然而,當時這種蒸汽安全裝置并不比在使用中的安全裝置更可靠。
 
      1848年英國人 Charles Ritchie i利用氣體的膨脹特性以抬高閥,從而對安全閥的結構進行了有意義的改進。其借助于具有外周流動變流結構的閥瓣與圍繞密封面的唇形,形成了個圍繞閥座的第二節流環形室,如圖04所示。這種結構,使安全閥在初始開啟時,排放的氣體在環形室中膨脹,導致安全閥迅速起跳。但是逸出的氣體流向與閥瓣呈90°偏斜,所以只有部分動能轉換成升力,安全閥只能在正常可允許的超壓下實現部分開啟。
 
 
 
      1863Wllimn Naylor又改進了安全閥的開啟高度,其將圍繞閥瓣的唇形結構可以使排放流體轉180*,如圖0-5所示。 這種結構使排放的流體能在閥瓣上產生較大的力,但是安全閥僅僅能夠隨著超壓的增大而成比例地開啟。流量和相應的升力在可允許的超壓范圍內抬起閥瓣,且**初仍然太小。
 
 
 
    現代安全閥的設計兼備 RichieNalor 的結構原理。即它包含圍繞閥瓣的屏形,有形成圍繞閥座的第二節流環形室,且排放流體偏轉180*,還利用流體對于閥瓣或反沖盤的反作用力進一步增加了安全閥的開啟高度。液體安全閥基于該設計原理在超壓10%范圍內還可以達到全開啟。
 
    安全閥**初用于工業鍋爐和蒸汽系統的蒸汽超壓排放。為了保護彈簧免受高溫蒸汽的影響而致使彈簧整定壓力值發生變化及可能隨之而來的彈簧松弛,安全閥的閥蓋是敞開的,可以使泄漏到閥蓋的蒸汽直接逸散出去,如圖0-3和圖0-6所示。然而,現代工業生產中的過程流體是不允許逸散到安全閥的周圍的,以免污染環境或損失昂貴的過程流體,因而在安全閥的結構上采取封閉式閥蓋或波紋管式,如圖0-7和圖0-8所示。由于安全閥排放的過程流體進人封閉的排放管路會產生一定壓力,為減小封閉系統中的背壓對安全閥性能的影響,采用了平衡結構(活塞式或波紋管式)的彈簧載荷式安全閥或先導式結構安全閥,如圖0-8和圖0-9所示。
 
    第二次世界大戰后,由于聚合材料、潤滑材料、不銹鋼和鈷基硬質合金的發展,各類閥門得到迅速發展,閥門制造業逐漸成為機械工業的一個重要組成部分。為適應當代工業發展的需求,研發出了一些高性能的安全閥。20世紀50年代開始,國外此企業為適應電廠動力鍋爐的高溫、高壓蒸汽工況和節約能源的要求,研發了一種利用排放背壓的特殊結構以提高回座壓力,并且采用了種彈性閥瓣結構, 使得安全閥在高溫、高壓下的密封性能大大提高,如圖0-10 所示。為滿足石油化工的發展而出現了不同類型的安全閥,如耐蝕安全閥、村里安全閥、液體泄放閥、特殊專用安全閥等。20 世紀60年代開始,為適應火電和核電工業的需求,研發了一些高性能、高可靠性的安全閥,如
 
 
帶動力輔助裝置的安全調、主蒸汽安全閥、穩定器安全閥、帶輔助裝置的先導式安。為了實現彈簧直接載荷式安全閥操作壓力接近整定壓力的流體密封需求、安全閥準確開啟及減小壓差,研制了帶動力輔助裝置的受控式安全閥,如圖0-11所示。20世紀80年代開始,為滿足石油化工工業的節約資源要求,研發了調制型先導式安全閥,如圖0-12所示。其開啟高度隨進口壓力增高而增加,排放量也隨之增大,這就滿足了按需適度排放的要求。既節約了資源,又減小了排放噪聲,因而越來越多地被石油化工工業所采用。
 
 
 
    在一些工業發達國家, 安全閥技術的研究和發展已有很長的歷史。國際知名企業品牌,如美國的CROSBYCONSOLIDATED, 德國的LESER都有百余年的歷史。這些企業的安全閥技術先進、品種規格齊全、質量優異,在石油、化工、電力(火電、核電)、冶金、醫藥等行業得到了廣泛的應用。在這些工業發達國家,已經形成了一套完整的安全閥理論。隨著工業技術的發展,對安全閥的性能,如動態性能、可靠性等提出了更高的要求,安全閥技術僅在設計、質量控制、應用上進行局部的改進已不能滿足需要。尤其是1979328日,美國三哩島核電站發生了一起嚴重的核泄漏事故,事故發生的一個主要原因是某一穩壓器安全閥開啟后被卡住未能及時回座。這一事故發生后,美國電力研究所(EPRI) 對安全閥進行了一系列的檢驗工作,EPRI 在檢驗報告中指出安全閥不但在設計、質量控制和應用上需要局部改進,而且有必要對安全閥的基礎技術進行全新的研究。因而,從20世紀70年代末開始,對安全閥的研究又重新成為各國工程技術人員重點進行的工作,只是研究內容不再停留于其工作性能上,安全閥內部的流動狀況和壓力分布成為研究重點,以求更深刻地了解安全閥的工作特性。
 
    隨著研究工作的深人,人們越來越認識到,以往的試驗研究存在著固有的不足,必須同時采用數值模擬的研究方法,以減少試驗次數和深人地探究流動機理。由于受數值計算方法的限制,直到20世紀80年代末,才有了二維軸對稱安全閥流場模型。從20世紀90年代后期開始,計算流體力學(CFD) 技術的迅猛發展,使得安全閥數值仿真模型日趨完善,并應用到安全閥研發和設計完善的工程實踐中。近幾年來,已大大提高了人們對安全閥性能機理的理解和認識。
 
 
 
----------摘選自《安全閥技術》
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