安全阀快速切换装置及其流阻特性研究*

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(1.中国石油化工股份有限公司中原油田普光分公司，四川 达州 635000;2.北京航天石化技术装备工程有限公司,北京 100176)

1 安全阀快速切换装置介绍

安全阀作为一种自动阀门，是各类锅炉、压力容器和压力管道等设备不可缺少的安全附件，起到超压保护的作用，广泛应用于石油、化工、电站等国民经济各个部门。安全阀作为安全保障重要设备之一，行业对其使用与校验有着明确、严格的规定。如何解决安全阀的定期校验与生产设备的不间断运行，实现生产效益最大化，是亟待解决的问题。

为满足生产连续在线运行，一般采用两台安全阀同时在线运行的方式，分别在两台安全阀进口处安装截止阀门，使其处于一备一用的状态，截止阀也处于一关一开的状态。此方式不但增加了管线设计的复杂性，同时也增加了人为失误操作的可能，需增设相应的互锁功能，从而带来使用的不便与成本的增加。可采用在两台安全阀的进口处安装三通切换阀的形式，通过三通切换阀的往复切换来实现安全阀的在线备份，其以一台三通切换阀代替两台截止阀，结构简单，成本低，不存在失误操作的可能，可靠性高，在实践中得到广泛应用。

由于安全阀前端管路或截止、三通切换类阀门的流阻将直接降低安全阀的排放能力,为此《安全阀安全技术监察规程》、API RP 520-Ⅱ—2003《炼油厂压力泄放装置尺寸确定、选择和安装》 及 GB/T 12241—2005《安全阀一般要求》中对于安全阀的进口在与截止阀连接时均提出了明确要求，当在安全阀的进口处连接截止阀门时，截止阀门的设计应使其最小流通面积等于或大于为那一管线所设计的安全阀的进口面积，以使安全阀进口不可恢复的压力损失不超过整定压力的3%，使两台安全阀均具备足够的备份泄放能力，见图1。目前有些制造厂的切换阀内部流道设计不合理，有的甚至直接以直管或者弯头焊接而成，流阻损失较大，无法满足具有足够的备份泄放能力要求。

图1 安全阀前截止类阀门

分析研究安全阀快速切换装置的流通能力与流阻系数(两者都是表征阀门流通能力的固有参数，流量系数越大，流阻越小其流通能力越强)，计算安全阀在线工作时快速切换装置的压力损失，从而确保三通切换阀压力损失满足用户管线设计、安全阀在线正常运行。

该文通过对安全阀快速切换装置进行流通能力、流阻系数的仿真与试验论证，得到适合于切换阀流阻计算的仿真模型与试验阀门的流通能力、流阻系数，并采用流通能力与压力降相关的推导公式，得到阀门在具体工况下的压力降值。

2 安全阀快速切换装置流场计算

为了进一步研究安全阀快速切换装置内部流动，下面利用Fluent软件对阀门内部三维流场进行了数值仿真计算。

2.1 几何模型及网格

切换阀内部流道结构示意图见图2。

图2 切换阀内部流道结构

由于截止阀结构分为A和B两个出口，在切换时左右流道有一定差异，因此对A和B出口分开建模研究各出口的流通能力。基于阀门的对称性，同时为了减小计算量，选择几何模型的一半进行计算。流场仿真几何模型见图3和图4。

图3 A出口几何结构

对以上的几何结构用Gambit网格生成器生成网格，网格采用四面体结构，并在关键部位进行加密，以保证计算精度。几何结构的计算单元数量都在24万以上。网格情况见图5和图6。

图4 B出口几何结构

图5 A出口网格

图6 B出口网格

2.2 物理方程及模型选择

介质在切换阀中的流动是不可压缩的三维流动，对湍流的模拟采用Realizable k-e湍流模型。相应的连续性方程如下：

连续性方程：

动量方程：

能量方程：

-pdivU+div(λgradT)+Φ+S

状态方程：

p=ρRT；i=CvT

式中：ρ——密度，kg/m3;

t——时间，s;

U——速度，m/s;

ux——速度U的分量;

p——压力，N;

μ——动力粘性系数，Pa·s;

fx——单位质量力在某方向的函数;

i——内能，J;

λ——传热系数，W/(m2·K);

T——绝对温度，K；

Φ——耗散函数;

S——源项;

R——气体常数，J/(kg·K);

Cv——定容比热，J/(kg·K)。

2.3 介质属性及边界条件

仿真计算中介质为水，密度为998 kg/m3;黏度为1.853×10-2Pa·s;饱和蒸汽压为3 610 Pa。

在边界条件设置中，进口及出口截面分别设置成压力进口和压力出口，在计算域的边界上，压力满足Neumann条件，压力数值与试验数值协调一致。湍流壁面上使用无滑移条件。在近壁区，由于雷诺数较小，为避免流动产生剧烈的速度梯度，在计算时采用了壁面函数法的修正方法。

2.4 流场计算与试验结果分析

通过仿真模拟计算，可以得到切换阀内部的压力分布情况。对称面上的压力分布云图见图7和图8。

通过计算可以得到仿真模拟中的流量系数Cv，见表1。

表1 流场计算结果

注：1英寸=25.4 mm

图7 A出口对称面上压力分布

图8 B出口对称面上压力分布

3 安全阀快速切换装置流通能力测试

安全阀快速切换装置流通能力测试依据JB/T 5296—1991《通用阀门 流量系数和流阻系数的试验方法》，其中对试验系统与试验程序、结果与计算有明确要求。试验系统设置与试验现场见图9、图10和图11。

图9 试验系统

图10 A出口Cv流通能力试验

图11 B出口Cv流通能力试验

试验测试包含1.5英寸、2.0英寸150 lb安全阀快速切换装置，其试验结果见图12、图13及表2。

图12 1.5英寸切换阀试验数据

图13 2.0英寸切换阀试验数据

通 径 1.5英寸2.0英寸切换阀出口ABAB流量系数7168109102

与流场计算结果进行对比，结果见表3。

表3 流场计算与试验结果对比

从表3可以看出，流场模拟计算结果较为准确，仿真结果与试验结果偏差较小，试验结果与仿真计算趋势基本吻合。

4 结 论

通过CFD(计算流体力学)软件数值模拟、建立了与切换阀相匹配的流场模型与计算方法，通过仿真计算得到表征阀门流通能力的参数，并通过对计算结果与试验结果比较，确定了数值计算中建模、初始条件及边界条件设计选取的合理性与正确性，很好地展示了模拟计算与试验研究相结合的方法在阀门设计中的应用。

安全阀快速切换装置流阻特性研究完善了相关学术领域，明确了切换阀压力损失分析计算方法，提供了一套可操作、可借鉴分析的流场仿真案例，为切换阀相关流阻研究积累了宝贵经验。