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安全阀技术的发展
发布时间:2019-2-27 阅读:733次  
 
安全阀技术的发展
    安全阀是一种自动阀门,它不需借助外力而是利用介质本身的压力来排出额定数量的流体,以防止系统内压力超过预定的安全值。安全阀广泛应用于国民经济各个领域中,它能够防止炉、压力容器或压力管道等承压装置和设备因超压而破坏,以保证设备的正常运行和人员安全。
 
    随着科学技术的迅速发展,各种工业承压装置的参数越来越高、规模越来越大,设备的大型化和密集度不断加大,安全生产成为企业发展建设中不可忽视的关键问题。尽管随着工业生产装置控制水平的提高,集散控制系统得到了普遍的应用,人们在工艺控制上采用了诸如超压报警、联锁停机等多种措施,在确保装置的生产安全方面发挥了重要的作用,但是安全阀仍然是保证锅炉、压力容器及压力管道等承压装置和设备安全不可缺少的主要设施之一。安全阀被视为生产系统的**终泄压保护装置,也称为生产系统安全的**后一道防线。
 
      1679年法国物理学家 Denis Papin研制的一种蒸汽压力锅上首次安装了安全阀,用来防止蒸汽压力过高而发生事故如图01所示。它借助一个杠杆和一个可移动的重锤,保持安全阀在正常操作运行中处于关闭状态;并沿着杠杆移动重锤可以调节压力锅中蒸汽的压力,如图02所示。他所发明的首台安全阀于1681年获得了设计专利。
      1769年瓦特蒸汽机的发明使阀门进入了机械工业领域。随着工业的发展,蒸汽机的广泛应用,促进了安全阀的发展。
 
 
 
    早期安全阀的阀瓣采用重锤加载而非弹簧加载的原因:一是当时生产适用的弹簧是困难的;二是对利用弹簧弹力特性作为阀瓣升力存在异议。然而,随着锅炉压力的增加,重锤很快地变得很重,由于安全阀的尺寸和工作压力的不断增加采用重锤加载而变得不切实际。虽然杠杆重锤式扩展了它的应用范围,但是杠杆不方便安装,且影响压力的调整,而且它们容易被干找产生意外泄放。弹簧加载不仅克服了重锤加载的缺点,弹簧特性也能够与流体作用在阀上的升力相匹配。为此,现在几乎所有的直接载荷式安全阀都是弹簧加载的。
 
    早期的重锤加载在阀瓣上的直接载荷式安全阀,其阀的形状类似于截止阅的瓣,密封面是锥面的或平面的。当增高的流体压力使阀瓣从阀座上升起时,逸出的流体不可能给于阀瓣上充分的动能,所以阀的开启高度在允许的超压下是很小的。因此早期的努力是设法改进安全阀的开启高度。
 
      1828年, Timothy Hackworth研制了一种用于蒸汽机车和锅炉的敵开弹簧式安全阀如图03所示,从而开启了安全阀的结构设计的新思路。当时的****弹簧式安全采用的是多重叠的片簧(磲簧),其能够依靠拧紧螺母来调整弹簧力。然而,当时这种蒸汽安全装置并不比在使用中的安全装置更可靠。
 
      1848年英国人 Charles Ritchie i利用气体的膨胀特性以抬高阀,从而对安全阀的结构进行了有意义的改进。其借助于具有外周流动变流结构的阀瓣与围绕密封面的唇形,形成了个围绕阀座的第二节流环形室,如图04所示。这种结构,使安全阀在初始开启时,排放的气体在环形室中膨胀,导致安全阀迅速起跳。但是逸出的气体流向与阀瓣呈90°偏斜,所以只有部分动能转换成升力,安全阀只能在正常可允许的超压下实现部分开启。
 
 
 
      1863Wllimn Naylor又改进了安全阀的开启高度,其将围绕阀瓣的唇形结构可以使排放流体转180*,如图0-5所示。 这种结构使排放的流体能在阀瓣上产生较大的力,但是安全阀仅仅能够随着超压的增大而成比例地开启。流量和相应的升力在可允许的超压范围内抬起阀瓣,且**初仍然太小。
 
 
 
    现代安全阀的设计兼备 RichieNalor 的结构原理。即它包含围绕阀瓣的屏形,有形成围绕阀座的第二节流环形室,且排放流体偏转180*,还利用流体对于阀瓣或反冲盘的反作用力进一步增加了安全阀的开启高度。液体安全阀基于该设计原理在超压10%范围内还可以达到全开启。
 
    安全阀**初用于工业锅炉和蒸汽系统的蒸汽超压排放。为了保护弹簧免受高温蒸汽的影响而致使弹簧整定压力值发生变化及可能随之而来的弹簧松弛,安全阀的阀盖是敞开的,可以使泄漏到阀盖的蒸汽直接逸散出去,如图0-3和图0-6所示。然而,现代工业生产中的过程流体是不允许逸散到安全阀的周围的,以免污染环境或损失昂贵的过程流体,因而在安全阀的结构上采取封闭式阀盖或波纹管式,如图0-7和图0-8所示。由于安全阀排放的过程流体进人封闭的排放管路会产生一定压力,为减小封闭系统中的背压对安全阀性能的影响,采用了平衡结构(活塞式或波纹管式)的弹簧载荷式安全阀或先导式结构安全阀,如图0-8和图0-9所示。
 
    第二次世界大战后,由于聚合材料、润滑材料、不锈钢和钴基硬质合金的发展,各类阀门得到迅速发展,阀门制造业逐渐成为机械工业的一个重要组成部分。为适应当代工业发展的需求,研发出了一些高性能的安全阀。20世纪50年代开始,国外此企业为适应电厂动力锅炉的高温、高压蒸汽工况和节约能源的要求,研发了一种利用排放背压的特殊结构以提高回座压力,并且采用了种弹性阀瓣结构, 使得安全阀在高温、高压下的密封性能大大提高,如图0-10 所示。为满足石油化工的发展而出现了不同类型的安全阀,如耐蚀安全阀、村里安全阀、液体泄放阀、特殊专用安全阀等。20 世纪60年代开始,为适应火电和核电工业的需求,研发了一些高性能、高可靠性的安全阀,如
 
 
带动力辅助装置的安全调、主蒸汽安全阀、稳定器安全阀、带辅助装置的先导式安。为了实现弹簧直接载荷式安全阀操作压力接近整定压力的流体密封需求、安全阀准确开启及减小压差,研制了带动力辅助装置的受控式安全阀,如图0-11所示。20世纪80年代开始,为满足石油化工工业的节约资源要求,研发了调制型先导式安全阀,如图0-12所示。其开启高度随进口压力增高而增加,排放量也随之增大,这就满足了按需适度排放的要求。既节约了资源,又减小了排放噪声,因而越来越多地被石油化工工业所采用。
 
 
 
    在一些工业发达国家, 安全阀技术的研究和发展已有很长的历史。国际知名企业品牌,如美国的CROSBYCONSOLIDATED, 德国的LESER都有百余年的历史。这些企业的安全阀技术先进、品种规格齐全、质量优异,在石油、化工、电力(火电、核电)、冶金、医药等行业得到了广泛的应用。在这些工业发达国家,已经形成了一套完整的安全阀理论。随着工业技术的发展,对安全阀的性能,如动态性能、可靠性等提出了更高的要求,安全阀技术仅在设计、质量控制、应用上进行局部的改进已不能满足需要。尤其是1979328日,美国三哩岛核电站发生了一起严重的核泄漏事故,事故发生的一个主要原因是某一稳压器安全阀开启后被卡住未能及时回座。这一事故发生后,美国电力研究所(EPRI) 对安全阀进行了一系列的检验工作,EPRI 在检验报告中指出安全阀不但在设计、质量控制和应用上需要局部改进,而且有必要对安全阀的基础技术进行全新的研究。因而,从20世纪70年代末开始,对安全阀的研究又重新成为各国工程技术人员重点进行的工作,只是研究内容不再停留于其工作性能上,安全阀内部的流动状况和压力分布成为研究重点,以求更深刻地了解安全阀的工作特性。
 
    随着研究工作的深人,人们越来越认识到,以往的试验研究存在着固有的不足,必须同时采用数值模拟的研究方法,以减少试验次数和深人地探究流动机理。由于受数值计算方法的限制,直到20世纪80年代末,才有了二维轴对称安全阀流场模型。从20世纪90年代后期开始,计算流体力学(CFD) 技术的迅猛发展,使得安全阀数值仿真模型日趋完善,并应用到安全阀研发和设计完善的工程实践中。近几年来,已大大提高了人们对安全阀性能机理的理解和认识。
 
 
 
----------摘选自《安全阀技术》
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