燃气安全阀工作原理及性能要求的研究

燃气安全阀工作原理及性能要求的研究

陈章青

中海油佛山新能源有限公司广东佛山528000

摘要：作为较普遍的一种安全保护用阀，安全阀能快速有效的保护超压管道、超压设备，对燃气供应系统的超压预防起着重要作用。为保障燃气工程安全以及燃气的正常供应，文章介绍了安全阀的工作原理以及分类，分析了不同结构形式的安全阀的工作原理和性能差异，总结了安全阀应用时的几项基本性能要求，指出了安全阀选型设计中应注意的问题。

关键词：安全阀；超压；系统压力；安全排放装置

随着我国经济的发展和人们生活水平的提高，国家对环保工作的重视，燃气作为清洁燃料，得到了越来越多人的认可。然而，燃气有着易燃易爆等特点，燃气场站设备及管道在特殊情况下都具有出现超压的可能，超压的后果之一便是场站容器或管道破裂，进而可能发生燃气泄漏、爆炸甚至火灾等事故，影响到整个城市的正常燃气供应。而安全阀是一种安全保护用阀，能够有效地解决燃气管道超压、失压等问题，进而更好地消除燃气隐患。

1安全阀的工作原理及分类

安全阀是启闭件，受外力作用下处于常闭状态，当设备或管道内的介质压力升高超过规定值时，通过向系统外排放介质来防止管道或设备内介质压力超过规定数值的特殊阀门。通常安装在燃气储罐、调压器、压缩机等燃气设备或燃气管道上，以保护设备和防止安全事故发生。其工作原理是，一般情况下安全阀处于常闭状态，一旦燃气系统超压，安全阀就会有开启动作，并自动排放燃气泄压，使系统内的燃气压力逐渐下降。当压力恢复正常后，安全阀自行关闭并阻止燃气继续放散，使设备或管道内的燃气压力始终低于设计的允许压力上限值，从而达到自动防止燃气供应系统因超压而可能出现的燃气泄漏、容器破裂等安全事故。

由于被保护系统的不同以及安全阀结构类型的多样性，安全阀选型时不仅要确定其整定压力和排放面积，还要考虑所选安全阀对系统工况的适应性。首先，我们要明确安全阀的种类及其特点。目前，安全阀有多种不同的分类方式，其中按照阀的加载机构及整体结构的不同，可将其分为杠杆重锤式、脉冲式和弹簧式安全阀3种，如图1所示。

杠杆重锤式安全阀是利用阀上安装的重锤重量来产生杠杠力矩，并用此力矩的作用将阀芯压紧在阀座上，进而平衡燃气设备或管道内的燃气压力，使其保持在设计允许的安全范围内。当系统因设备故障、误操作等原因导致内部燃气压力增大时，燃气产生的力矩将大于安全阀上重锤产生的杠杆力矩，平衡就被破坏，从而使安全阀的阀芯被顶起离开阀座，燃气通过阀芯和阀座之间的间隙向外放散；随着燃气的放散，燃气设备或管道内的压力逐渐降低，当燃气压力产生的力矩小于重锤重量产生的力矩时，阀芯又在重锤的作用下重新被压紧在阀座上，从而使燃气停止继续向外放散。杠杆重锤式安全阀可通过调整重锤与杠杆支点间的距离或改变重锤的重量来调节安全阀的设定开启压力，如果增大重锤的重量或其与杠杆支点的距离，杠杠力矩就会增大，从而能够调高安全阀的设定开启压力；反之，减少重锤的重量或其与杠杆支点的距离，杠杠力矩就会降低，从而能够调低安全阀的设定开启压力。杠杆重锤式安全阀具有结构简单、开启压力设定容易、调整较准确等优点，曾在燃气锅炉等压力容器上得到广泛应用。但杠杆重锤式安全阀的结构笨重，对振动较敏感，回座迟钝，并常因振动而产生泄漏，常用在固定设备上。

弹簧式安全阀是利用弹簧被压缩后产生的弹力来平衡燃气介质的压力，进而将安全阀的阀芯压紧在阀座上，使燃气压力保持在设计允许的安全范围内。当系统因设备故障、误操作等原因导致内部燃气压力增大时，燃气压力将大于阀芯上部的弹簧弹力，弹簧被压缩，阀芯被顶起而离开阀座，燃气通过阀芯与阀座之间的间隙向外放散；随着燃气的放散，燃气设备或管道内的压力逐渐降低，弹簧伸长，当压力降低到小于弹簧的弹力时，阀芯与阀座会重新闭合，从而使燃气停止继续向外放散。弹簧式安全阀可通过调整弹簧的压缩量来调节或校正安全阀的设定开启压力，具有结构轻便紧凑，灵敏度较高，安装位置不受限制等优点，并且相对于杠杆重锤式安全阀，弹簧式安全阀的振动敏感性小，密封性好，可用于移动式的燃气压力容器上。但弹簧式安全阀的缺点是弹簧弹力会随着阀的开启而发生变化，即当阀开启度大时，由于阀瓣的升高造成弹簧压缩量增大，其弹力也随之增加，不利于安全阀的迅速开启。另外，弹簧还会由于长期受高温等因素影响而变形，弹力减小，因此当温度较高的容器上采用弹簧式安全阀时，常因考虑弹簧的隔热或散热而需使阀体的结构变得相对复杂。

脉冲式安全阀也称先导式安全阀，由执行启闭结构的主安全阀和传导脉冲信号的辅助脉冲阀两部分组成。脉冲阀是一般的重锤式安全阀（也可以是弹簧式安全阀），主安全阀由脉冲阀控制。主安全阀有活塞室，活塞与阀芯装在同一根阀杆上，在正常情况下，阀芯靠燃气压力及弹簧向上的拉力压紧在阀座上。当燃气压力超过规定值时，脉冲阀先打开，燃气经导气管引入主阀活塞上面，借燃气压力使活塞向下移动，带动阀芯向下离开阀座，主安全阀开启而排气泄压；当压力下降到一定数值后，脉冲阀关闭，活塞上的气流切断，主安全阀在燃气压力及弹簧拉力作用下随之关闭。而活塞上的余气可以起缓冲作用，使主阀缓慢关闭，以免阀瓣与阀座因撞击而损伤。脉冲式安全阀结构较复杂，具有动作灵活、准确、起闭延迟小、关闭严密、排气能力大等特点，适用于高压系统大排量的安全放散，因此在高参数大容量燃气锅炉、压力容器、压缩天然气减压装置等设备上得到广泛应用。

上述3种型式的安全阀中，用的比较普遍的是弹簧式安全阀。

此外，安全阀还有其他的多种分类方式，如按作用原理可以分为直接作用式和非直接作用式安全阀；按放散压力是否可调节，分为可调节安全阀和固定不可调安全阀；按照阀瓣开启最大高度与阀流道直径之比，可分为全启式、微启式和中启式安全阀；按照容器或管道内部介质的排放方式，分为开放式半、封闭式和全封闭式安全阀等。

2燃气安全阀的基本性能要求

燃气安全阀的功能是防止燃气管道系统、设备或压力容器的内压超过允许值，以保护设备和防范安全事故发生，并通过下列动作来实现：当燃气压力超过允许压力上限值时，安全阀能准确开启并迅速达到额定开启状态；在开启状态下，安全阀能稳定排放额定数量的燃气；当压力降至正常值时，安全阀能及时关闭，并在关闭状态下具有良好的密封性。故燃气安全阀有如下几点基本性能要求。

2.1准确开启

准确开启是指当系统因设备故障、误操作等原因导致内部燃气压力增大到最高允许压力，也即安全阀的进口压力达到预先设定的启动压力时，安全阀应能准确地开启，并迅速达到规定的开启高度。

准确开启是对所有安全阀的最基本要求，因为安全阀对压力升高的反应不灵敏将会导致燃气设备及管道的破裂、损坏等危险情况，极易发生安全事故，甚至影响人员生命财的产安全。安全阀的启动压力不应大于燃气设备及管道的设计压力值，启动压力的允许偏差在相关标准规范中也有明确的规定。

2.2稳定排放

稳定排放是指安全阀准确开启后，能够保持在稳定的排放状态，及时顺利地放散出额定数量的燃气，并具有良好的机械特性；同时，排放过程中不会发生频跳、颤振、卡阻等现象。

在安全阀的选型计算中，稳定排放对选用的具体结构及设计流道尺寸提出了技术要求。如果流道截面积设计的过小，安全阀开启后，不能将足够多的超压燃气及时排放，系统压力将会继续上升，容易发生安全事故。相反，如果设定的流道截面积远过大，安全阀开启后，大量燃气的迅速排放将使燃气压力急剧下降到工作压力以下，导致安全阀突然关闭，阀瓣对阀座造成剧烈撞击；但由于此时导致燃气压力升高的因素并未完全消除，阀瓣也会再次开启，形成频跳现象，从而造成阀座与阀瓣之间密封面的快速损坏。特别是当安全阀用于液化天然气等液态燃气时，还会引起水锤现象的发生。此外，对相同介质参数，相同口径的安全阀，由于结构形式的不同，其排放能力也会有很大差别。

2.3及时关闭

及时关闭是指系统经过一定时间的放散后，如果燃气压力下降至安全的数值，安全阀能够及时重新达到关闭状态。及时关闭主要是为了防止系统燃气压力下降太多导致过多的燃气损失。

能否及时有效地回座关闭，是衡量安全阀性能好坏的一个重要标志，因为并不是所有的安全阀发生动作都需要设备或系统停止运转或进行维修。燃气系统运行过程中，安全阀发生动作也有可能是由于系统中的误操作等偶然因素所引起，在这种情况下，不希望安全阀回座压力低于工作压力太多，因为回座压力过多低意味着燃气的过多损失，也会给设备与系统恢复正常运行带来困难。相反，回座压力也不宜过高，如果回座压力高到接近安全阀开启压力时，很容易导致安全阀门的重新开启，导致持续的阀门频跳现象。

2.4可靠密封

可靠密封是指当燃气设备或燃气管道处于正常运行状态时，处于关闭状态的安全阀应具备可靠的密封性能。可靠密封主要是防止正常运行的燃气设备或管道在安全阀处因密封不严而发生燃气泄漏损失。因为关闭状态下的安全阀产生泄漏，不仅损失了燃气资源，还会污染周围的环境和大气；同时，过多的燃气泄漏量还可能影响到设备或系统的正常工作。另外，持续的燃气泄漏还会使安全阀的密封面遭受燃气侵蚀，严重时甚至会导致安全阀的完全失效。

3燃气安全阀选型应注意的问题

安全阀的选型首先应考虑被保护系统的应用场合，要求所选安全阀应能在允许的超压范围内排放出足额的燃气量，以防系统运行过程中其压力超过设计规定压力值而发生安全事故；同时，要求系统压力恢复正常后，安全阀能够自动关闭并阻止燃气的继续放散。根据这个基本原则，安全阀的结构选择需要考虑到介质组分、工作温度、工作压力等诸多因素，具体选型需要根据系统的运行条件和工艺参数，按照相关设计标准规范提供的公式，计算安全阀的最大排放量和所需的排放流道面积，然后根据安全阀产品系列样本所给出的实际流道面积，选择大于这个数值的临近流道尺寸及规格。

另外，由于安全阀结构类型的多样性及被保护系统应用场合的不同，选用安全阀时还要考虑所选安全阀对被保护系统的运行工况的适应性。尤其是燃气具有易燃易爆特性，安全阀选型中还必须考虑介质能否在所设置的场合下排放或排放量多少的问题。如液化石油气储罐必须选用封闭式安全阀，要求安全阀开启时排放的介质并封闭并通过排放管排掉或通过火炬烧掉；又如燃气管网上调压站内防下游管道超压所选用的安全阀，允许燃气就地少量排放等。

4结束语

综上所述，安全阀的应用与选型是一项重要的工作，其合理与否将直接影响被保护系统的的安全和安全阀使用年限。以上是笔者在这方面的肤浅看法，可能不尽完全，供大家参考。

参考文献：

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[2]贾保印，白改玲，宋媛玲等.液化天然气容器火灾工况安全阀的泄放过程研究[J].能源化工，2015，36（6）：52-54.