关于全启式安全阀定义的讨论

孙 琦 谢青延 赵昆玉

（深圳市特种设备安全检验研究院 深圳 518109）

关于全启式安全阀定义的讨论

孙 琦 谢青延 赵昆玉

（深圳市特种设备安全检验研究院 深圳 518109）

安全阀根据其阀杆的开启高度分为全启式和微启式安全阀。全启式安全阀因其排量大，广泛应用于承压类特种设备中。在日常的检验工作中发现，现有技术标准有关全启式安全阀的定义其合理性值得商榷。本文就全启式安全阀定义的合理性及可能存在的问题加以讨论，提出按实际排量系数来定义全启式安全阀。

全启式 开启高度 流道直径 帘面积 排量

安全阀有多种分类方法，不同种类的安全阀其使用场所及条件各不相同。其中，根据安全阀阀杆的开启高度将安全阀分为全启式和微启式安全阀。全启式安全阀因其排量大，被广泛应用于承压类特种设备中。TSG G0001—2012《锅炉安全技术监察规程》［1］对安全阀的选用作了明确规定：蒸汽锅炉的安全阀应当采用全启式弹簧安全阀。TSG ZF001—2006《安全阀安全技术监察规程》［2］B5.1规定：全启式安全阀运用于排放气体、蒸汽或者液体介质，微启式安全阀一般运用于排放液介质。

全启式弹簧安全阀属于弹簧直接载荷式安全阀，GB/T 12243—2005《弹簧直接载荷式安全阀》［3］及DL/T 959—2005《电站锅炉安全阀应用导则》［4］根据开启高度将安全阀分为全启式和微启式安全阀，具体规定为：安全阀的开启高度大于或等于流道直径1/4的定义为全启式安全阀；开启高度为流道直径1/40～1/20的定义为微启式安全阀。

以上说明：

1）全启式安全阀的定义是根据安全阀的开启高度判定的；

2）全启式安全阀的使用场所是有明确规定的。

因此，判定全启式安全阀的技术指标：阀杆的开启高度大于或等于流道直径的1/4的规定显得尤为重要。

1 开启高度与排量的关系

安全阀最重要的作用是泄放介质、降低压力、保护承压类特种设备。相关标准提出全启式的概念，主要是指当阀杆的开启高度大于或等于流道直径的1/4时，其喉部的面积近似等于阀瓣开启后阀瓣与阀座之间形成的帘面积，如图1所示。因此，当开启高度大于或等于流道直径的1/4时，从阀座进口、阀座喉部、阀座出口、帘面积到安全阀出口，就形成一个全流通的通道，即类似一个流量打了一定“折扣”的理想喷嘴，其流量是可以理论计算的。

图1 喉径、开启高度及流道面积、帘面积示意图

根据GB/T 12241—2005《安全阀一般要求》［5］，以蒸汽介质（工况为干饱和蒸汽，压力为0.1～11MPa）为例：

式中：

Wts——理论排量，kg/h；

A ——流道面积，m2；

Pd——实际排放压力，MPa（绝压）。

式（1）表明：理论排量与流道面积及实际排放压力成正比。只要知道流道面积和实际排放压力这两个指标，就可以计算出安全阀的实际排量。当然，这里必须满足一个前提条件就是阀杆的开启高度大于或等于流道直径的1/4，也就是达到临界流动状态，即：在达到临界流动之前，气体通过安全阀的流道的流量是随着下游压力的减小而增加的。一旦达到临界流动，下游压力的进一步减小将不会使流量继续增加，也就是安全阀的流量是一个稳定值。安全阀在动作时，只有阀杆开高达到此要求，式（1）才成立。同时，目前尚无在阀杆开高未达到此要求时的计算公式，因此，阀杆开启高度未达到1/4喉径的试验安全阀是无法进行排量计算的。其排量的大小因开高的不同而不同，具体排量数据只能通过实际测量获得。

安全阀型式试验检验项目分为动作性能试验和排量试验。阀杆开启高度为动作性能试验重要的技术指标之一，在动作性能试验合格后，才可以进行排量性能试验。

在实际工程应用中，只要安全阀动作时其阀杆开启高度达到标准要求，也就是其流体流动达到临界状态，就可以通过流道面积及实际排放压力计算得到理论排量，再通过排量系数换算成实际排量并加以应用。

2 理论分析及流体仿真

上文阐明：全启式安全阀对阀杆开启高度的定义在实际应用和检测判定指标中非常重要。但是，在日常的工作中发现，针对不同的技术条件，简单的使用此技术标准，其合理性值得商榷，具体分析如下。

现有标准关于开启高度大于或等于流道直径的1/4的技术条件是如此推导出来的：安全阀开启后的帘面积大于等于喉部面积，见图1，即：

式（2）表明：当阀杆开启高度等于流道直径的1/4时，即便阀杆开启高度继续增加，其喉部流体速度及排量不会增加，也就是阀座内的流体达到临界状态，流体速度及排量达到极限值，即式（1）计算的理论排量值。显然，公式成立的一个假设条件就是：安全阀流体流经帘面积的平均速度等于正常工况下（阀座上无阀瓣、正常阀座喷嘴）喉部的平均速度。

针对这一个假设条件，实际在理论分析、流体仿真及实际测试时，这两个速度是受阀座结构形式及安全阀开启后其帘面积的形状影响的，这两个速度是不完全相等的，是有条件相等的，此条件就是在工况2中其流体的流动应达到临界状态。

正如前文所述的临界状态定义，在阀杆开启高度达到规定的某一值时（即现标准规定的h≥1/4），阀座内流体流动达到临界状态。也就是说，阀杆继续升高、阀瓣与阀座之间的距离继续加大、气体通过安全阀流道后压力下降，但流量不会继续增加。流量达到最大值。由于流量达到最大值，此值与工况1中流量最大值理论上是相等的。

这里笔者提出两个速度概念：阀座上无阀瓣的情况下（工况1）喉部的平均速度和阀座上有阀瓣的情况下（工况2）喉部的平均速度，如图2所示。

图2 无阀瓣、有阀瓣结构图

流体流经喉部工况1的平均速度与工况2及流体流经帘面积的平均速度是不等的，具体理论分析如下：

现有理论认为，在工况2情况下，只要阀瓣离阀座（即阀杆的开启高度）大于或等于流道直径的1/4，其流体速度是与工况1基本一样的。也正如前面所讲：当阀杆开启高度等于流道直径的1/4时，即便阀杆开启高度继续增加，其喉部流体速度及排量不会增加，流体速度及排量达到极限值，也就是流体达到临界状态。这样，无论是有无阀瓣，即在工况2状态，只要开启高度大于等于流道直径的1/4，工况1与工况2的速度相等。

图3 倒角阀座结构

特别需要注意的是：由于流体在经过喉部，在流出阀座，在阀座与阀瓣之间的帘面积，流体从垂直向上流动改变为水平流动，由于摩擦及内能的消耗，流体平均速度下降，流速达不到当地音速，平均速度会下降，导致排量的降低。

由于平均速度下降的原因是摩擦及内能的消耗，因此，通过流场速度分布的优化，来提高工况2下及帘面积出口的平均速度。为验证此论据，笔者在阀座出口增加倒角（如图3中红圈所示），由于原出口由90°直角改为45°斜角，便于流体在水平方向上的速度扩展，以提高平均流速。结构如图3中红圈所示所示。

此外，笔者通过进一步增加开启高度，增大阀座与阀瓣之间的容积，降低内能消耗，以期待进一步提高平均流速。

为此，通过模型仿真来说明此问题，具体模型要求如下：

1）阀座基本几何尺寸不变，仅改变阀座出口内壁由90°直角改为45°斜角，即分为两种工况：有倒角和无倒角；

2）阀杆的开高分别固定在10/40d0、11/40d0、12/40d0及阀座上无阀瓣四种条件；

即两种阀座几何条件与4种开高条件共8种工况进行仿真，其仿真结果及分析结果如下：

不同开启高度及阀座结构的流体仿真喉部速度分布云图如图4、图5所示。其喉部速度见表1。

表1 喉径速度对比表

图4 无倒角阀座喉部速度仿真图

图5 有倒角阀座喉部速度仿真图

经流体仿真得出：工况1（无阀瓣）的喉部速度比工况2（带阀瓣）的大；工况1的喉部速度随着开启高度的增加而增大；工况1有倒角阀座喉部速度比无倒角的大。因此，相关标准文献所述的只要阀瓣离阀座（即阀杆的开启高度）大于或等于流道直径的1/4，安全阀的排放量就不受开启高度影响的理论成立条件值得商榷。

3 实际测试结果

结合流体仿真结果，本文制作了两种阀座样品（其他参数不变）：阀座出口带倒角及不带倒角，具体如图6、图7所示。

图6 有倒角阀座结构图

图7 无倒角阀座结构图

并分别在以下工况下，即带阀瓣且开启高度固定和无阀瓣，进行实测排量试验。其试验数据见表2。

表2 阀座排量系数对比表

其中：排量系数=实测排量/理论排量；理论排量见式（1）；实测排量为实际测量值。

无阀瓣试验如图5中d）所示，阀座直接对空排放。

表2表明：试验结果与仿真结果想吻合。同样说明了阀瓣离阀座（即阀杆的开启高度）等于流道直径的1/4时，当阀杆继续升高时，安全阀的排放量是增加的。在时排量接近峰值。

4 结论

由于之前的理论认为：当阀杆开启高度达到 d0/4及以上时，整个安全阀流道达到全开启、全流通状态，流场达到临界状态，流量达到最大状态，流量不会再随着阀杆的开高增加而增加。

从仿真及实际测试结果来看，在开启高度达到d0/4时，由于摩擦及内能的消耗，阀座喉部平均速度未达到临界状态，流体速度还有进一步升高的趋势。

针对现有标准关于安全阀开启高度的定义及相关测试标准的规定是按照理想状态下进行的，考虑到流体流动过程的摩擦及内能消耗，流体平均速度下降，实际状况与现有规定会有所偏差。

2009年4月深圳市特种设备安全检验研究院在与美国NBBI（国家锅炉压力容器委员会）压力释放部门进行技术交流时，在现场的安全阀型式试验演示中笔者发现美国NBBI在安全阀型式试验中未进行开启高度测量。他们主要是通过排量的测试来确认安全阀安全质量。

因此，笔者提出按实际排量系数来定义全启式安全阀更明确。

［1］ TSG G0001—2012 锅炉安全技术监察规程［S］.

［2］ TSG ZF001 —2006 安全阀安全技术监察规程［S］.

［3］ GB/T 12243—2005 弹簧直接载荷式安全阀［S］.

［4］ DL/T 959—2005 电站锅炉安全阀应用导则［S］.

［5］ GB/T 12241—2005 安全阀一般要求［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

孙琦（1973～），男，本科，高级工程师，从事承压类特种设备检验与安全阀型式试验检验等工作。

（2016-04-11）