1．重閉式壓力釋放裝置的定義
對壓力釋放裝置，在GB／T 12242—2005標準中已有明確，即一種用來在壓力容器處于緊急或異常狀況時防止其內部介質壓力升高到超過預定最高壓力的裝置，可見這是一種超壓動作保護裝置。而重閉式壓力釋放裝置是一種在超壓動作后再行關閉的壓力釋放裝置。根據這一含義，重閉式壓力釋放裝置在各行業的承壓容器和管道上大量使用，其類型有：泄壓閥、安全閥、平衡式安全閥、先導式安全閥和真空安全閥等不同類型的壓力釋放閥。 重閉式壓力釋放裝置——壓力釋放閥是不借助任何外力而利用介質本身的力，在裝置上游靜態壓力下自動開啟來排出一額定數量的流體，以防止壓力超過額定的安全值。當壓力恢復正常后，裝置再行關閉并阻止介質繼續流出。
2．靜態結構原理與解析
為了更進一步地了解和選用重閉式壓力釋放裝置，這里以彈簧加載式安全閥為例作進一步的解析。安全閥的定義中有：“……自動開啟來排出一額定數量的流體……再行關閉……”這里要解析五個關鍵詞，“自動”、“排出”、“額定數量”、“流體”和“再行關閉”。
常規彈簧加載式安全閥如圖1所示，它由主體部分(2閥體、7閥蓋和10閥帽)組成了一外形筐架，結合主要內件部分(1閥座、4升力盤、5閥瓣、6彈簧、9閥桿)成了一體，形成了一臺壓力釋放裝置，其內腔閥芯部件的結構決定了相互作用力的關系如圖1b所示，閥的啟閉是基于相互作用力的平衡原理來操作完成的。預先將彈簧作用力F設定成與整定壓力Ps和關閉著的閥瓣受力面積A的力相等，見式1。
當入口介質壓力P低于安全閥的設定整定壓力Ps時，閥芯部件仍然密封在閥座密封面上，處于放大圖示b的封閉位置。此時式1為F>P·A。當入口介質壓力P將超過安全閥的設定整定壓力Ps時，式1即將成為F≤P·A。作用在閥芯部件下的力將克服彈簧力從而使閥自動開啟。由此可見，介質壓力P的高低變化轉換，一旦P≥Ps時破壞了力的平衡關系，裝置實現了“自動”。
如果正常運行過程中閥是關閉的，見圖1b，是彈簧作用力大于作用在閥芯部件(閥瓣)受力面積A處的力。當介質壓力接近于閥的整定壓力時，閥瓣和閥座之間的密封比壓近趨于零。此時有介質從密封面處排出，并聽見介質流穿過密封面流入環狀積蓄室中。結果是壓力在環狀積蓄室中積聚(見圖2a)。由于這時的壓力作用面很從A擴展到了一次排放壓力區，可形成一種通常被稱為膨脹力的附加力用來克服彈簧力。通過調節助推環，可以改變環狀積蓄室的環口開度，從而控制積聚在積蓄室中的壓力。在積蓄室中積聚的受控壓力將克服彈簧力使閥瓣從閥座上推開，這樣閥門就會快速開啟，實現了“排出”。當適用于可壓縮的氣體介質時環狀積蓄室的作用更明顯，這就是安全閥的突開現象。
3．動態結構原理與解析
閥門一旦開啟后，由于升力盤的作用，在介質排出和轉向的同時立即在升力盤下方形成積聚升力(見圖2b)。并迅速產生二次排放動壓區，來克服由于開高帶給彈簧的壓縮所產生的附加力和升力盤背面的背壓力使閥瓣迅速升起，介質排出量快速增加。
在閥瓣從閥座上升起的高度(開高)約為流道直徑的四分之一之前，流量受開高之間的開度所限制。在閥瓣開高達到流道直徑的四分之一升程之后，流量則受流道直徑面積的限制而不是受開啟高度(開高)的面積限制。
這樣對開高達到流道直徑四分之一的全啟式安全閥，其排出的介質量(額定數量)取決于流道直徑，排放面積取決于流道面積，見式2
式中：W——實際排量，kg/h；
A——流道面積，mm2
Pd——實際排放壓力，MPa(a)；
Kdr—— 額定排量系數，可向制造商咨詢，
C—— 絕熱指數k的函數；
M—— 氣體的分子量，kg／kmol；
T—— 實際排放溫度，K；
Z—— 壓縮系數，在許多情況下Z為1；
V—— 實際排放壓力和排放溫度下的比容，mm3／kg。
可見，排出的額定數量必須是閥的開高達到流道直徑的四分之一，否則，閥實際排出的額定數量達不到式2的值。
當壓力釋放裝置所保護系統的介質為不可壓縮液體時，以上解析中的圖2和式(2)均發生了變化。變化發生在可壓縮氣體所產生的膨脹力不會在不可壓液體介質中出現，因此液體介質用泄壓閥不會像氣體介質用安全閥那樣突開，液體介質用泄壓閥必須依靠反作用力實現開啟，當閥門開啟前，液體介質和氣體介質作用在閥瓣下的力是相同的，(1)式仍然成立。但從這一點開始，力的關系就完全不同了。如圖3所示，開啟之初，排放出的液體所形成的介質流非常細薄，迅速在密封面問向四周散開，見圖3a。排放的介質擊打著閥瓣座的反作用面并斜向下流動，產生一種使閥瓣向上移動的作用力(渦流)。這種作用力的典型特征是膨脹力和推力均較小，是依靠系統的超壓來幫助提高作用力。初始在超壓的3％～5％之間，力的積聚非常緩慢。隨著流量的逐漸增加，通過閥座喉部的介質流流速也隨著增加。這種動量以及快速排放的介質從反作用面轉而向下流動時所產生的反作用力，見圖3b。當這些力足夠大時，會使閥瓣向上升起，并且克服彈簧變形式所產生的力。典型的情況是在超壓達10％～15％時，閥瓣會突然升起在整個升程的50％～100％之間波動。隨著超壓的增加，這種力會繼續增加，驅使閥瓣達到額定升程。
隨著流體性質的不同，其排出量見式(3)
式中：W——實際排量，kg／h；
A——流道面積，mm。；
Kdr——額定排量系數，可向制造商咨詢；
Kp——超壓修正系數，超過壓力為20％時，Kp= O.925。見圖4確定Kp值。
ρ——密度，kg／mm3；
△P——壓差，其值為Pd-Pb，MPa
此處，Pd——實際排放壓力，MPa(a)；
Pb——背壓力，MPa(a)。
粘度修正暫不作考慮。
從圖表的曲線表明，流體為液體介質時，圖3的解析已驗證了其閥瓣的升程依賴于超過壓力，超過壓力低于10％時，流量(排出額定數量)受到嚴重影響。故GB／T 12243—2005要求適用液體介質時在超過壓力小于或等于20％時，開高應達到設計規定值。這有利于在流量計算時有足夠大的額定排量系數。
可見，隨著流體性質的不同，壓力釋放裝置的結構、設計要求、性能指標、排量系數以及選型和公稱尺寸的確定均有較大差別。所以在應用壓力釋放裝置時對流體的特性應引起足夠的重視。
作為重閉式壓力釋放裝置“再行關閉”是一個關鍵動作，是否能及時地完成重閉，這與流體特性、選型計算和結構設計等密切相關。對于考核再行關閉的指標有啟閉壓差或回座壓力。當裝置開啟釋放流體后能及時關閉，說明啟閥壓差較小或回座壓力較高。GB／T 12243 — 2005標準中規定對不同的流體介質啟閉壓差有≤(7～20)％整定壓力的不同。
從圖2和圖3動態解析可見，再行關閉是閥瓣和閥瓣座從高升程至低升程的轉變，由于液體不能像蒸汽那樣可產生膨脹力，所以設計用于液態介質的泄壓閥，如果用于氣體介質會顯示比用于液體介質有較大的啟閉壓差(典型的約為20％)。此外，如果要求將設定為液體介質用的閥門用于氣體操作或反過來，則整定壓力和超過壓力均會出現一些偏差。再行關閉還與彈簧作用力有關。如圖5所示為典型的彈簧加載式安全閥的動態特性曲線。圖中的①、②、③、④為模似的流體動態升力曲線，⑤為所配備的彈簧剛度曲線。當閥的入口壓力充分釋放后下降至低于整定壓力(圖5中的曲線④)時，這時彈簧力(圖5中的曲線⑤)已能夠克服所有動態升力，曲線④已完成低于了曲線⑤，閥門關閉。閥門回座(關閉)時的壓力就是關閉壓力Pr。從圖5a和圖5b中還可見配備的彈簧剛度越大(***>***)。即在動態的釋放過程中，圖5b的彈簧作用力均大于圖5a。其回座壓力Pr也越高，說明了圖5b所配備的設計結構有利于及時再行關閉。
4．平衡式結構原理與解析
重閉式壓力釋放裝置的適用場合通常有兩種介質流動狀態——臨界流動和亞臨界流動，前面解析的情況均設為臨界流動。則亞臨界流動的條件可用式(4)來表示：
式中：Pd——實際排放壓力，MPa(a)；
Pb——背壓力，MPa(a)；
k——在排放時進口狀況下的絕熱指數(對于理想氣體，k等于比熱容比)。
可見當背壓力Pb>Pd·[2/(k+1)]k/(k-1)時，重閉式壓力釋放裝置的出、入口介質流動的釋放會出現亞臨界流動狀況。這種由背壓力過高帶來的亞臨界流動會導致壓力釋放裝置的排量降低以及整定壓力的準確性。圖6為壓力釋放閥的示意圖，圖6a為常規的壓力釋放閥，它的整定壓力Ps與彈簧力F和密封面中徑Dmz有關。圖6b為常規壓力釋放閥受到背壓力Pb的影響，它的整定壓力Ps與背壓力Pb和背壓力所作用的結構面積差值(Dmz—d)有關，這樣很明顯背壓力Pb直接影響Ps。為了避免Pb的影響，在壓力釋放閥的結構中引入了波紋管平衡式壓力釋放裝置。圖7為波紋管平衡式壓力釋放閥的示意圖，在結構設計時設置了波紋管，而且使得波紋管的中徑D與密封面中徑Dmz完全一致，這樣函數式O.785Pb(Dmz2-D2)自動消失，整定壓力Ps就不受Pb的影響。所以，設置有波紋管的平衡式壓力釋放閥可應用于有背壓力的場合。
從圖l和式1的解析可見，當系統的介質壓力較高時，相應的整定壓力Ps也提高，所配備的彈簧作用力也相應提高。同理，所配備的閥門公稱尺寸越大或排放量較大，需要的彈簧作用力和結構尺寸也相應增大，這給彈簧的制造和加工工藝帶來了一定的難度。所以在壓力釋放裝置中引入了脈沖先導式安全閥，如圖8所示。圖8a為大排量的重閉式壓力釋放裝置，它由1主閥和2沖量導閥所組成的壓力釋放裝置。為了避免大口徑的主閥配備加工和制造難度較大的彈簧，采用了有利于密封的倒裝結構閥瓣配備活塞的設計方案，裝置的開啟由2小沖量導閥的同一承壓設備的壓力P信號來控制。圖8b為無沖量導閥壓力信號主閥關閉時的受力結構圖，活塞3的受力面積大于閥瓣4的受力面積。可見其密封性及佳，且隨入口壓力的增高密封比壓越大，密封效果越好。圖8c為有2小沖量導閥開啟提供主閥壓力P信號時主閥打開的受力結構圖，受力面積較大的活塞3推動受力面積較小的閥瓣，使得主閥被完全打開，介質完全釋放。所以脈沖先導式壓力釋放裝置適用于大口徑和大排量的場合是比較理想的。
5．負壓式結構原理與解析
當承壓設備出現負壓時，也需要進行超(負)壓保護。所以在重閉式壓力釋放裝置中有一種負壓安全閥，它的結構原理和設計思路與彈簧加載式安全閥相類似，如圖9所示。
設彈簧作用力為F，如圖9a所示，經受力分析，確定負壓整定壓力的關系式
式中：Ps——負壓整定壓力，MPa(a)；
P——大氣壓力，0.101325MPa(a)；
F——彈簧作用力，N；
A——閥瓣的密封面積，mm2。
當閥的結構確定后，負壓整定壓力取決于彈簧力，閥的開啟升程取決于彈簧剛度，閥的關閉取決于大氣的射人量、流道面積以及彈簧剛度。可見，這與圖2a和圖2b的倒置結構氣流動力學原理相一致。
6．結束語
通過以上對重閉式壓力釋放裝置的解析，能進一步地了解和掌握重閉式壓力釋放裝置。為了嚴格地區分和應用重閉式壓力釋放裝置，可用下列的定義來區別和應用：
當重閉式壓力釋放裝置——壓力釋放閥的開度一般與超過壓力增加值成比例為特征時，是一種泄壓閥或者比例式安全閥，主要適用于不可壓縮性介質。
當重閉式壓力釋放裝置——壓力釋放閥是以快速開啟或突然動作和爆開為特征時，是一種安全閥或者全啟式安全閥，通常適用于可壓縮性介質。
當重閉式壓力釋放裝置——壓力釋放閥是以各種背壓不影響動作性能為特征時，是一種平衡式安全閥，主要適用于有背壓和防腐蝕場合。
當重閉式壓力釋放裝置——壓力釋放閥是以導閥脈沖信號控制大排量主釋放裝置為特征時，是一種脈沖式安全閥，一般適用于大排放量的超壓保護。
當重閉式壓力釋放裝置——壓力釋放閥是以補充流體以防止容器內過高真空度為特征時，是一種真空安全閥，適用于負壓保護。
在通常工況下，蒸汽鍋爐、蒸汽管道一般用帶扳手不封閉的安全閥，氣體介質一般用封閉的安全閥，英文名為safety valve ；水等液體不可壓縮介質一般用泄壓閥，英文名為relief valve；受背壓波動較大和有毒易燃的容器或管路系統一般用平衡式安全閥，英文名為balanced pressure safety valve；對大口徑、大排量及高壓系統一般用脈沖式安全閥，英文名為pilot Operated pressure safety valve；在負壓或操作過程中可能會產生負壓的系統一般用真空負壓安全閥，英文名為vacuum safety valve。
在特殊工況下，排放的介質有液體、氣體或多相混合物介質時，可設計用于液體(或液體和氣體)的平衡式(以減小背壓的影響)彈簧加載式泄壓閥。當閥門入口處兩相(液相和氣相)混合物的質量百分數中氣體為小于等于50％時，則應設計用于液體或液一氣兩相介質的泄壓閥。若一容器中有液一氣兩相介質并有一定液體含量的氣壓區，則應使用氣體介質的安全閥。若一熱交換器中有液一氣兩相介質并在水一側需超壓保護時，則應使用液體介質的泄壓閥。在特定工況下，可能會要求閥門排放液體或氣體，這取決于造成超壓的工況(例如，熱交換管斷裂)。這種用途下，推薦使用一個設計用于液體介質的泄壓閥或使用一個設計用于液一氣兩相介質的泄壓閥。
天沃-偏心球閥，與您資料共享！
