安全阀基本知识讲义0711.docx

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安全阀基本知识讲义0711

安全阀培训讲义之一

安全阀基本知识

黄光禹编

上海安德森·格林伍德·克罗斯比阀门有限公司

2007年11月

1安全阀的用途和作用原理

2对安全阀的要求

2.1对安全阀的基本要求

2.2有关安全阀性能的术语

2.3安全阀的主要性能指标

2.4对核电站安全阀的特殊要求

3安全阀的种类及其特点

3.1按作用原理分类

3.2按动作特性分类

3.3按开启高度分类

3.4按有无背压平衡机构分类

3.5按出口侧是否密封分类

4安全阀的主要结构型式

5安全阀的选用

5.1安全阀型号编制方法

5.2如何选择安全阀类型

5.3如何确定安全阀的流道直径和公称通径

5.4选用安全阀所需的数据

6安全阀的安装和试验要求

6.1安全阀的安装要求

6.2安全阀的试验要求

1安全阀的用途和作用原理

安全阀是锅炉、压力容器和其他受压设备的保护装置，用来防止受压设备中的压力超过设计允许值，从而保护设备及其运行人员的安全。

由于安全阀可以不依赖任何外部能源而动作，所以常常作为受压设备的最后一道保护装置。

从这个意义上说，它的作用是不能用其他保护装置来代替的。

当受压设备中介质的压力由于某种原因而异常升高，达到预先的设定值时，安全阀自动开启，继而全量排放，以防止压力继续升高；当介质压力由于安全阀的排放而降低，达到另一预定值时，阀门又自动关闭，阻止介质继续排出。

当介质压力处于正常工作压力时，阀门保持关闭和密封状态。

以下分别以弹簧直接载荷式安全阀和先导式安全阀为例，进一步说明安全阀的作用原理。

图1-1是弹簧直接载荷式安全阀的示意图。

当被保护设备中（即安全阀进口处）介质处于正常工作压力时，弹簧载荷大于介质静压力对阀瓣的作用力，使阀门处于关闭状态。

上述两个作用力的差值产生使阀瓣和阀座（统称为关闭件）密封面间相互压紧的力（即密封力）。

只要这个密封力足够大（相对于由密封面及介质状况决定的必需密封力而言），就能阻止介质泄出，使阀门达到必要的密封性。

如果介质压力升高，超过正常工作压力时，密封力就随之减小。

小到一定程度时，介质开始泄出（称为“前泄”）。

随着介质压力进一步升高，当介质对阀瓣的作用力同弹簧力达到平衡时，阀瓣开始脱离阀座而升起，称为“开启”。

压力继续升高时，阀瓣达到设计的开启高度，作全量排放。

只要阀门的排量足够大，设备中的压力就会降低。

压力降低到一定程度时，阀门由于弹簧力的作用而重新关闭。

图1-1弹簧直接载荷式安全阀示意图

先导式安全阀由主阀和导阀组成。

导阀随设备介质压力的变化而动作，主阀则由导阀的驱动或控制而动作。

图1-2是先导式安全阀的动作原理图。

当被保护系统处于正常运行状况时，导阀阀瓣处于关闭状态。

系统压力从主阀进口通过导管和导阀传入主阀阀瓣（活塞）上方气室。

由于活塞面积大于阀瓣密封面面积，系统压力对阀瓣产生一个向下的合力，使主阀处于关闭、密封状态。

图1-2先导式安全阀动作原理

当系统压力升高达到整定压力时，导阀开启，同时滑阀向上移动封闭导阀的进气通道。

主阀阀瓣上方气室的介质经由打开的导阀排出，使主阀阀瓣上方压力降低。

主阀阀瓣在进口压力的推动下打开而使系统卸压。

当系统压力降低到一定值时，导阀回座并带动顶杆顶开滑阀。

系统压力再次通过导阀传入主阀阀瓣上方气室，并推动主阀阀瓣关闭。

2对安全阀的要求

2.1对安全阀的基本要求

安全阀的功能是通过下列动作过程来实现的：

1.安全阀处于关闭密封状态；2.安全阀开启（或称初始开启）；3.安全阀排放（或称全开启）；4.安全阀关闭（或称回座）并恢复密封。

对安全阀的基本要求就是同上述动作过程联系在一起的，主要有以下几点：

1必要的密封性

当被保护设备处于正常运行压力时，安全阀应保持必要的密封性。

安全阀的泄漏意味着介质和能量的持续损耗，过大的泄漏甚至会影响到设备和系统的正常工作；持续的泄漏还会造成对安全阀密封面的冲蚀，这将使泄漏加剧，以致发展到不能正常工作的地步。

对于安全阀来说，使其关闭件保持良好的密封比起截止类阀门要困难得多。

这是因为安全阀关闭件密封面之间相互压紧的密封力决定于阀门整定压力（即开启压力）同设备运行压力的差，是一个不大的值。

因此，对于安全阀特别是金属密封面的安全阀，要达到完全无泄漏是十分困难的。

但必须把泄漏率控制在标准或规范允许的范围内。

2可靠地开启

当进口压力达到预先整定的压力值时，安全阀应及时准确地开启（初始开启）。

换言之，安全阀的开启压力对其整定压力的偏差应在标准或规范规定的范围内。

3稳定地排放

当阀进口压力继续升高到超过整定压力一个规定的数值时，安全阀应达到设计的开启高度，进入排放状态。

排放压力（全开启压力）应小于或等于标准规定的极限值。

排放应是稳定的，即没有频跳、颤振、卡阻等现象。

因为这些现象会导致安全阀排放能力降低，并可能损坏关闭件密封面，还会引起被保护设备和系统内较大的压力波动，在液体介质的场合甚至可能造成水击。

4适时地关闭

由于安全阀的排放而使设备和系统中的压力降低之后，安全阀应适时地关闭（亦称回座）。

回座压力过低意味着介质和能量的过多损耗，也会给设备和系统恢复正常运行增加困难。

但回座压力也不宜过高。

如果回座压力高到接近开启压力，容易导致阀门重新开启，造成阀门频跳。

回座压力过高也不利于安全阀在关闭后重新建立密封。

在有关标准和规范中对回座压力的合适范围也作了规定。

5关闭后的密封

安全阀关闭后，应能有效地阻止介质继续流出，并重新达到密封状态。

但安全阀在开启之后重建密封要比维持既有的密封状态更加困难。

多种因素会影响到关闭后的密封，如介质的状况（是否含有固体颗粒，排放时是否发生结晶或结焦等），排放过程中阀门零件温度分布的变化，关闭过程的动作特性及回座压力的高低等。

在上述对安全阀的基本要求中，可靠地开启并稳定地排放是首要的要求，因为安全阀防超压的功能正是通过其排放过程来实现的。

回座和密封要求虽然也很重要，但相比之下还是第二位的。

此外，安全阀同爆破片、折断销、易熔塞等只能使用一次的压力释放装置不同，是一种可以多次使用的“重闭式”压力释放装置。

因而还要求其动作性能具有满意的重复性。

在有关安全阀试验的标准中，通常要求对同一工况下的动作试验至少进行三次，就是为了确认安全阀动作的重复性。

2.2有关安全阀性能的术语

对安全阀的基本要求，体现在安全阀的主要性能指标中。

为了说明这些性能指标，有必要了解涉及安全阀性能的一些术语。

1.整定压力（Setpressure）

亦称开启压力或初始开启压力，是安全阀阀瓣在运行条件下开始从阀座上升起时的进口压力。

从理论上讲，在该压力下，由介质压力产生的使阀瓣开启的力同使阀瓣保持在阀座上的力相互平衡。

而在实践中，所谓阀瓣开始升起，通常可以用下列方法来加以判断：

一是在测量阀瓣开启高度的位移传感器上出现首次位移指示；二是凭视觉或听觉感知介质开始连续地排出。

2.排放压力（Relievingpressure）

阀瓣达到设计开启高度时的阀进口压力。

3.超过压力（Overpressure）

排放压力与整定压力之差。

4.额定排放压力（Ratedrelievingpressure）

标准或规范规定的排放压力上限值。

5.回座压力（Re-seatingpressure）

安全阀排放后阀瓣重新与阀座接触，即开启高度再变为零时的进口压力。

6.启闭压差（Blowdown）

整定压力与回座压力之差。

7.密封试验压力（Leaktestpressure）

进行密封试验时的阀进口压力。

在该压力下测量通过关闭件密封面的泄漏率。

8.背压力（Backpressure）

安全阀出口压力。

9.附加背压力（Superimposedbackpressure）

安全阀开启之前在阀出口处已存在的压力。

是由其他压力源在排放系统中引起的，也称为静背压。

10.排放背压力（Built-upbackpressure）

安全阀开启后，由于介质通过排放系统排放而在阀出口处产生的压力。

是由排放系统对排放介质的阻力而引起的。

也称为动背压。

11.冷态试验差压力（CDTP即Colddifferentialtestpressure）

安全阀在试验台上调整到开启时的进口压力。

该压力包含了对背压力及温度等运行条件所作的修正。

12.流道面积（Flowarea）

阀进口端到关闭件密封面之间流道的最小截面积。

亦称喉部面积。

13.流道直径（Flowdiameter）

对应于流道面积的直径。

亦称喉径。

14.开启高度（Lift）

阀瓣离开关闭位置的实际行程。

15.帘面积（Curtainarea）

当阀瓣在阀座上方升起时，在它们的密封面之间形成的圆柱面形或圆锥面形通道面积。

16.排放面积（Dischargearea）

阀门排放时流体通道的最小截面积。

对于全启式安全阀，排放面积等于流道面积；对于微启式或中启式安全阀，排放面积等于帘面积。

17.理论排量（Theoreticalflowingcapacity）

一个流道截面积与安全阀流道面积相等的理想喷管的计算排量。

计算理论排量时，假定喷管无阻力，介质作等熵流动，喷管前压力为额定排放压力。

18.实际排量（Measuredflowingcapacity）

当阀前压力为额定排放压力时由试验测定的实际通过安全阀的排量。

由于安全阀的流道与喷管的流道有差别，由于实际上存在流动阻力，所以实际排量小于理论排量。

19.排量系数（Coefficientofdischarge）

实际排量与理论排量的比值。

20.额定排量（Certifiedcapacity）

实际排量中允许作为安全阀应用基准的那一部分。

其值为实际排量乘以减低系数（通常取0.9）。

21.额定排量系数（Ratedcoefficientofdischarge）

额定排量与理论排量的比值。

通常把几次测定的排量系数的平均值乘以减低系数作为额定排量系数。

22.机械特性（Mechanicalcharacteristics）

指安全阀机械动作的特性。

包括回座特性是否良好，有无频跳、颤振和卡阻等现象。

23.频跳（Chatter）

阀瓣迅速、异常地来回运动，在运动中阀瓣接触阀座。

24.颤振（Flutter）

阀瓣迅速、异常地来回运动，在运动中阀瓣不接触阀座。

2.3安全阀的主要性能指标

性能指标是对安全阀性能要求的具体化。

这些指标在安全阀的技术标准及有关锅炉和压力容器的规范中作了规定。

以下所列是一些主要的标准和规范：

GB/T12241《安全阀一般要求》

GB/T12243《弹簧直接载荷式安全阀》

GB/T12242《压力释放装置性能试验规范》

劳动部《压力容器安全技术监察规程》

劳动人事部《蒸汽锅炉安全技术监察规程》

TSGZF001《安全阀安全技术监察规程》

ZBJ98013《电站安全阀技术条件》

ISO4126-1《安全阀第一部分一般要求》

ASME锅炉和压力容器规范：

第Ⅰ卷《动力锅炉建造规则》，第Ⅲ卷《核动力装置设备建造规则》，第Ⅷ卷《压力容器建造规则》

ASMEPTC25《压力释放装置性能试验规范》

APIRP520《炼厂压力释放装置的选型、确定通径及安装》

APIStd.527《压力释放阀的阀座密封性》

JISB8210《蒸汽及气体用弹簧安全阀》

BS1123《空气储器及压缩空气装置用的安全阀、仪表和其他安全附件规范》

BS6759第一部分《蒸汽及热水用安全阀技术规范》

德国压力容器规范AD-A2《防超压安全装置——安全阀》

德国蒸汽锅炉技术规范TRD421《压力释放装置——用于Ⅰ、Ⅲ和Ⅳ组蒸汽锅炉的安全阀》

安全阀的主要性能指标包括排放压力、启闭压差、整定压力偏差等动作性能指标，以及用密封试验压力和允许泄漏率来表示的密封性能指标。

表2-1至表2-4列出了一些标准和规范中对安全阀主要性能指标的规定。

2.4对核电站安全阀的特殊要求

核电站用安全阀除应满足对安全阀的基本要求外，通常还应满足下列特殊要求：

2.4.1安全分级要求

核电厂着重关心的是安全性要求，即在所有运行工况和事故工况下限制公众和厂区人员辐射照射的要求。

根据系统部件所执行的安全功能对安全的重要性对系统部件进行安全分级（通常分为安全一级、二级、三级和非安全级）。

根据安全等级并结合部件的压力级别来制订设计、制造、检验等活动所应遵守的各项规则，从而形成不同的规范等级（如ASME及RCCM中的规范等级）。

系统部件安全等级通常按下列原则划分：

安全一级：

适用于其故障会引起反应堆失水事故的系统部件，包括反应堆冷却剂系统的部件，以及延伸到并包括隔离阀的主要管线。

安全二级：

包括为减轻某一事故后果所必需的设备，以及为防止预计运行事件发展为事故工况所必需的设备。

安全三级：

包括对安全一、二、三级的安全功能起支持作用所必需的设备，且这些支持功能的失效不会直接引起放射性剂量增大的后果。

非安全级：

适用于不属于安全一、二、三级的系统设备。

2.4.2抗辐照要求

耐辐照要求为设备相应区域正常运行寿期内的累积剂量与事故剂量之和。

2.4.3LOCA及MSLB要求

反应堆厂房内与安全有关的设备应满足LOCA（主管道失水事故）及MSLB（主蒸汽管道破损事故）工况要求。

其电器须按IEEE-382进行LOCA试验及MSLB试验（即在规定的温度、压力、湿度和化学喷淋条件下进行试验）。

安全级的系统部件必须满足抗震要求，即在地震条件下保持其压力边界完整性及运行功能的要求。

抗震要求分为抗震1类和抗震2类。

抗震1类：

在发生SSE（安全停堆地震）时能保持其功能及/或压力边界完整性。

抗震2类：

在发生OBE（运行基准地震）时能保持其功能及/或压力边界完整性。

安全级阀门均属于抗震一类。

抗震1类又分为抗震1I类和抗震1A类。

抗震1I类阀门在SSE作用下仅要求保证其压力边界完整性；而抗震1A类阀门除保证其压力边界完整性外，还要求地震时及/或地震后有满意的可运行性。

为保证满足抗震要求，应进行抗震计算，限制部件自震频率、进行抗震鉴定试验等。

⑴承压材料应根据规范等级进行相应的无损检验。

⑵对有焊接要求的奥氏体不锈钢材料应控制铁素体含量（通常在5~12%范围内），限制硼的残留量。

⑶非金属材料应有耐辐照要求，且不对所接触金属材料产生腐蚀（控制氯、氟、硫含量），也不对所接触的介质产生有害影响。

⑷限用材料

例如，为避免对介质造成污染，对容易分解出污染元素及其化合物的材料作了限制；为防止奥氏体不锈钢零件受污染而避免与碳钢零件接触；对与工作介质接触的表面禁止使用润滑剂和防咬剂等等。

2.4.6清洁度要求

为防止污染流体（即限制因流体系统中存在杂质微粒而引起的各种危害），对与流体接触的系统部件规定了不同的清洁度类别，例如分为A、B、C三类清洁度。

A类清洁度：

适用于规范级不锈钢阀门中的不锈钢零件。

B类清洁度：

适用于非规范级不锈钢阀门中的不锈钢零件，规范级不锈钢阀门中的碳钢、合金钢零件，规范级碳钢、合金钢阀门中的零件。

C类清洁度：

适用于非规范级不锈钢阀门中的碳钢、合金钢零件，非规范级碳钢、合金钢阀门中的零件。

对于不同的清洁度类别规定了相应的检查方法（如目视检查、白布检查、表面钝性检查、对清洗水的检查）和验收准则。

2.4.7核电安全阀性能指标

表2-5中列出了ASME锅炉和压力容器规范第Ⅲ卷中对安全阀性能指标的规定。

表2-1蒸汽用安全阀动作性能指标

表2-2气体用安全阀动作性能指标

表2-3液体用安全阀动作性能指标

表2-4安全阀密封性能指标

表2-5核电安全阀动作性能指标

项目

ASME锅炉及压力容器规范第Ⅲ卷

安全阀（SafetyValve）

安全泄放阀（SafetyReliefValve）

及泄放阀（ReliefValve）

排放压力Pd

≤1.03PS

或≤（PS+2psi）

≤1.10PS

或≤（PS+3psi）

启闭压差ΔPbL

对核一级阀门为≤5%PS

对其他阀门由设计任务书规定

由设计任务书规定

整定压力的允许偏差

δP

PS≤70psi时，为±2psi

PS>70~300psi时为±3%PS

PS>300~1000psi时为±10psi

PS>1000psi时为±1%PS

PS≤70psi时，为±2psi

PS>70psi时为±3%PS

注：

PS：

整定压力

3安全阀的种类及其特点

安全阀的种类颇多，其分类方法不一而足。

现择其主要者分述如下。

3.1按作用原理分类

3.1.1直接作用式安全阀

也称直接载荷式安全阀（Direct-loadedsafetyvalve）。

是在工作介质的直接作用下开启的。

即依靠工作介质压力产生的作用力来克服弹簧或重锤等加于阀瓣的机械载荷，使阀门开启。

它具有结构简单、反应快速、可靠性好等优点。

但因为依靠机械加载，其载荷大小受到限制，也就限制了口径和压力的范围。

同时，这类安全阀关闭件密封面上的密封力决定于阀门整定压力与系统正常运行压力之差，是一个不大的值，所以要达到良好的密封就比较困难。

尤其对于金属密封面的情形更是如此。

为了达到密封，需要采取特殊的结构形式和进行精细的加工与装配。

在直接作用式安全阀中有一类特殊的形式，即带补充载荷的安全阀（Supplementaryloadedsafetyvalve）。

图3-1是这类安全阀的一个例子。

这种安全阀除依靠弹簧加载外，在其进口压力达到整定压力之前还始终保有一个由外部能源（气力的、电磁力的等等。

图3-1中为作用在活塞上方的压缩空气）提供、用来增强密封的补充载荷。

该补充载荷在介质压力达到整定压力时应可靠地释放掉，否则就会阻碍安全阀的正常开启。

图3-1

3.1.2非直接作用式安全阀

这种安全阀不是或不完全是在工作介质的直接作用下开启的。

它们又可区分为下列两种形式：

⑴先导式安全阀（Pilotoperatedsafetyvalve）

先导式安全阀由主阀和导阀组成。

导阀随设备介质压力的变化而动作，主阀则由导阀的驱动或控制而动作。

导阀本身通常是一个直接作用式安全阀。

但有时也采用其他形式的阀门例如电磁安全阀作为导阀，或者把它与直接作用式导阀并用，即对同一主阀设置多重导阀控制。

先导式安全阀的主阀可以不依靠机械加载，所以其口径和压力不受限制。

它的主阀还可以设计成依靠工作介质压力来密封的形式，因而具有良好的密封性。

此外，它的动作很少受背压变化的影响。

由于上述这些原因，先导式安全阀同直接作用式安全阀一样得到了广泛的应用。

这种安全阀的缺点在于它的可靠性同主阀和导阀两者有关，而且结构比较复杂。

在一些特别重要的应用场合为了提高可靠性往往需要采用多重导阀控制，这就更增加了其结构的复杂程度。

⑵带动力辅助装置的安全阀（Assistedsafetyvalve）

在这种安全阀中，借助一个动力辅助装置，可以在低于正常开启压力的情况下强制使阀门开启。

如果辅助装置失灵，阀门仍能如直接作用式安全阀一样动作。

图3-1所示的阀门，当压缩空气是从活塞下方进入时，就是一个带动力辅助装置的安全阀。

这种安全阀适用于需要开启压力很接近工作压力的场合，需要定期开启安全阀以吹除粘着、冻结的介质的场合。

同时也为运行人员提供了一种在紧急情况下强制开启安全阀的手段。

3.2按动作特性分类

3.2.1比例作用式安全阀即泄放阀（Reliefvalve）

如图3-2所示，这种阀门的开启高度（h）系随压力（P）的升高而逐渐变化，即具有开启高度同压力升高值大体成比例的特点。

这种安全阀适合用于液体介质的场合，因为其开启和关闭过程比较平稳，不致引起被保护系统内液体压力很大波动。

它也适用于系统的必需排量不是固定值的情形，因为其开启高度可在一定范围内随系统排量和压力的不同而变化。

P

图3-2

3.2.2两段作用式安全阀或突跳动作式安全阀即安全阀（Safetyvalve）

如图3-3所示，这种安全阀的开启过程分为两个阶段：

其前一阶段，阀瓣是随压力的升高而比例开启的；而在压力升高一个不大的数值之后，阀瓣的开启即进入第二阶段，就是在压力几乎不再升高的情况下急速地开启到规定的开启高度。

这种安全阀适用于气体介质。

气体在排放时伴随着很大的体积膨胀，如果没有突然的急速开启过程就难以保证在压力升高不多的条件下快速地释放介质。

两段作用式安全阀由于具有突开动作，因而能在规定的升压限度内达到较大的开启高度。

但这种安全阀不能用于液体介质。

因为其急速开启，特别是急速关闭的动作会引起被保护系统内液体压力很大的波动，甚至造成水击。

P

图3-3

3.2.3安全泄放阀（Safetyreliefvalve）

依其工作介质不同（气体或液体），这种阀门的动作特性可为突跳动作式，或为比例作用式。

3.3按开启高度分类

3.3.1微启式安全阀

我国生产的微启式安全阀主要有开启高度大于等于1/40流道直径和开启高度大于等于1/20流道直径的两种。

微启式安全阀的动作特性是比例作用式的。

3.3.2全启式安全阀

其开启高度大于等于1/4流道直径。

此时，帘面积大于流道面积。

这种安全阀的动作特性属于两段作用式。

3.3.3中启式安全阀

开启高度介于微启式与全启式之间。

其动作特性通常相当于安全泄放阀。

3.4按有无背压平衡机构分类

如图3-4所示，当安全阀不带背压平衡机构时，背压对阀瓣产生一个向下的合力。

如果背压是变化的，背压对阀瓣产生的向下合力也是变化的。

这一变化就会导致安全阀开启压力的变化。

图3-4

3.4.1背压平衡式安全阀

在这种安全阀中设置了诸如波纹管、活塞或膜片之类平衡背压作用的元件。

这些元件的有效面积等于安全阀关闭件密封面积，所以在阀门开启之前，背压（附加背压）对阀瓣上下两侧的作用力相互平衡。

附加背压的变化不会影响到开启压力的大小。

背压平衡式安全阀适用于下列情形：

⑴附加背压是变化的，且其变化量（相对于开启压力而言）较大时。

此时为避免附加背压的变化对开启压力产生过大的影响，必须采用背压平衡式安全阀。

例如，当开启压力的允许偏差为±3%时，如果附加背压的变化量超过整定压力的6%，则仅仅由于附加背压变化造成的开启压力偏差就会超过允许值了。

⑵排放背压超过允许的超过压力，例如当允许超过压力为10%整定压力而排放背压超过10%整定压力时。

对于常规式安全阀，过高的排放背压会使阀瓣升力减小，导致阀门动作不稳定，产生频跳或颤振。

而对于平衡式安全阀，排放背压对阀瓣升力的影响则较小。

⑶总背压（附加背压加排放背压）通常不超过整定压力的50%。

应当指出，背压平衡式安全阀虽然能够避免阀门开启之前背压（即附加背压）的变化对开启压力的影响，但却无法完全消除背压对阀门开启后动作性能的影响，所以应对总背压值给予限制。

即便在上述限制范围内，由于背压会对阀瓣的未平衡部分产生一个关闭力，从而可能导致开高减小而使排量减少，因此还应进行对排量的背压修正。

3.4.2常规式安全阀

常规安全阀是相对于背压平衡式安全阀而言的。

它不带背压平衡机构，适用于下列情形：

⑴排放背压不超过允许的超过压力。

例如当允许的超过压力为整定压力的10%时，排放背压应不超过整定压力的10%。

⑵附加背压为固定值，或者附加背压相对于开启压力而言变化量不大的场合。

但对于气体介质，如果在背压力作用下阀门的排放处于亚临界流动状况（当背压力与排放压力之比大于临界压力比时），则应进行对排量的背压修正。

3.5按出口侧是否密封分类

3.5.1封