關于全啟式安全閥定義的討論

孫 琦 謝青延 趙昆玉

（深圳市特種設備安全檢驗研究院 深圳 518109）

關于全啟式安全閥定義的討論

孫 琦 謝青延 趙昆玉

（深圳市特種設備安全檢驗研究院 深圳 518109）

安全閥根據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，廣泛應用于承壓類特種設備中。在日常的檢驗工作中發現，現有技術標準有關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，提出按實際排量系數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，被廣泛應用于承壓類特種設備中。TSG G0001—2012《鍋爐安全技術監察規程》［1］對安全閥的選用作了明確規定：蒸汽鍋爐的安全閥應當采用全啟式彈簧安全閥。TSG ZF001—2006《安全閥安全技術監察規程》［2］B5.1規定：全啟式安全閥運用于排放氣體、蒸汽或者液體介質，微啟式安全閥一般運用于排放液介質。

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《電站鍋爐安全閥應用導則》［4］根據開啟高度將安全閥分為全啟式和微啟式安全閥，具體規定為：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定的。

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

1 開啟高度與排量的關系

安全閥最重要的作用是泄放介質、降低壓力、保護承壓類特種設備。相關標準提出全啟式的概念，主要是指當閥桿的開啟高度大于或等于流道直徑的1/4時，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，當開啟高度大于或等于流道直徑的1/4時，從閥座進口、閥座喉部、閥座出口、簾面積到安全閥出口，就形成一個全流通的通道，即類似一個流量打了一定“折扣”的理想噴嘴，其流量是可以理論計算的。

圖1 喉徑、開啟高度及流道面積、簾面積示意圖

根據GB/T 12241—2005《安全閥一般要求》［5］，以蒸汽介質（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——實際排放壓力，MPa（絕壓）。

式（1）表明：理論排量與流道面積及實際排放壓力成正比。只要知道流道面積和實際排放壓力這兩個指標，就可以計算出安全閥的實際排量。當然，這里必須滿足一個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，也就是達到臨界流動狀態，即：在達到臨界流動之前，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。一旦達到臨界流動，下游壓力的進一步減小將不會使流量繼續增加，也就是安全閥的流量是一個穩定值。安全閥在動作時，只有閥桿開高達到此要求，式（1）才成立。同時，目前尚無在閥桿開高未達到此要求時的計算公式，因此，閥桿開啟高度未達到1/4喉徑的試驗安全閥是無法進行排量計算的。其排量的大小因開高的不同而不同，具體排量數據只能通過實際測量獲得。

安全閥型式試驗檢驗項目分為動作性能試驗和排量試驗。閥桿開啟高度為動作性能試驗重要的技術指標之一，在動作性能試驗合格后，才可以進行排量性能試驗。

在實際工程應用中，只要安全閥動作時其閥桿開啟高度達到標準要求，也就是其流體流動達到臨界狀態，就可以通過流道面積及實際排放壓力計算得到理論排量，再通過排量系數換算成實際排量并加以應用。

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際應用和檢測判定指標中非常重要。但是，在日常的工作中發現，針對不同的技術條件，簡單的使用此技術標準，其合理性值得商榷，具體分析如下。

現有標準關于開啟高度大于或等于流道直徑的1/4的技術條件是如此推導出來的：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：當閥桿開啟高度等于流道直徑的1/4時，即便閥桿開啟高度繼續增加，其喉部流體速度及排量不會增加，也就是閥座內的流體達到臨界狀態，流體速度及排量達到極限值，即式（1）計算的理論排量值。顯然，公式成立的一個假設條件就是：安全閥流體流經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。

針對這一個假設條件，實際在理論分析、流體仿真及實際測試時，這兩個速度是受閥座結構形式及安全閥開啟后其簾面積的形狀影響的，這兩個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中其流體的流動應達到臨界狀態。

正如前文所述的臨界狀態定義，在閥桿開啟高度達到規定的某一值時（即現標準規定的h≥1/4），閥座內流體流動達到臨界狀態。也就是說，閥桿繼續升高、閥瓣與閥座之間的距離繼續加大、氣體通過安全閥流道后壓力下降，但流量不會繼續增加。流量達到最大值。由于流量達到最大值，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、有閥瓣結構圖

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

現有理論認為，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：當閥桿開啟高度等于流道直徑的1/4時，即便閥桿開啟高度繼續增加，其喉部流體速度及排量不會增加，流體速度及排量達到極限值，也就是流體達到臨界狀態。這樣，無論是有無閥瓣，即在工況2狀態，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 倒角閥座結構

特別需要注意的是：由于流體在經過喉部，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改變為水平流動，由于摩擦及內能的消耗，流體平均速度下降，流速達不到當地音速，平均速度會下降，導致排量的降低。

由于平均速度下降的原因是摩擦及內能的消耗，因此，通過流場速度分布的優化，來提高工況2下及簾面積出口的平均速度。為驗證此論據，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展，以提高平均流速。結構如圖3中紅圈所示所示。

此外，筆者通過進一步增加開啟高度，增大閥座與閥瓣之間的容積，降低內能消耗，以期待進一步提高平均流速。

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種工況進行仿真，其仿真結果及分析結果如下：

不同開啟高度及閥座結構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，相關標準文獻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 實際測試結果

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

圖6 有倒角閥座結構圖

圖7 無倒角閥座結構圖

并分別在以下工況下，即帶閥瓣且開啟高度固定和無閥瓣，進行實測排量試驗。其試驗數據見表2。

表2 閥座排量系數對比表

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

無閥瓣試驗如圖5中d）所示，閥座直接對空排放。

表2表明：試驗結果與仿真結果想吻合。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，當閥桿繼續升高時，安全閥的排放量是增加的。在時排量接近峰值。

4 結論

由于之前的理論認為：當閥桿開啟高度達到 d0/4及以上時，整個安全閥流道達到全開啟、全流通狀態，流場達到臨界狀態，流量達到最大狀態，流量不會再隨著閥桿的開高增加而增加。

從仿真及實際測試結果來看，在開啟高度達到d0/4時，由于摩擦及內能的消耗，閥座喉部平均速度未達到臨界狀態，流體速度還有進一步升高的趨勢。

針對現有標準關于安全閥開啟高度的定義及相關測試標準的規定是按照理想狀態下進行的，考慮到流體流動過程的摩擦及內能消耗，流體平均速度下降，實際狀況與現有規定會有所偏差。

2009年4月深圳市特種設備安全檢驗研究院在與美國NBBI（國家鍋爐壓力容器委員會）壓力釋放部門進行技術交流時，在現場的安全閥型式試驗演示中筆者發現美國NBBI在安全閥型式試驗中未進行開啟高度測量。他們主要是通過排量的測試來確認安全閥安全質量。

因此，筆者提出按實際排量系數來定義全啟式安全閥更明確。

［1］ TSG G0001—2012 鍋爐安全技術監察規程［S］.

［2］ TSG ZF001 —2006 安全閥安全技術監察規程［S］.

［3］ GB/T 12243—2005 彈簧直接載荷式安全閥［S］.

［4］ DL/T 959—2005 電站鍋爐安全閥應用導則［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，高級工程師，從事承壓類特種設備檢驗與安全閥型式試驗檢驗等工作。

（2016-04-11）