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安全閥排氣時(shí)反作用力是如何計(jì)算的 安全閥排氣時(shí)反作用力 安全閥反作用力 安全閥反作用
之前介紹JIS日標(biāo)不銹鋼截止閥標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在介紹安全閥排氣時(shí)反作用力是如何計(jì)算的？
如圖2 26所示．安全閥排放時(shí)．大量氣體或蒸汽以音速或亞音速排出，給予閥門巨大的反作用力，對(duì)閥門與設(shè)備連接處產(chǎn)生很大的力矩。計(jì)算安全閥與設(shè)備連接部位的強(qiáng)度時(shí)，必須考慮到上述排氣反作用力。安全閥排放時(shí)，大量氣體或蒸汽以音速或亞音速排出，給予閥門巨大的反作用力，對(duì)閥門與設(shè)備連接處產(chǎn)生很大的彎矩。計(jì)算安全閥與設(shè)備連接部位的強(qiáng)度時(shí)，必須考慮到上述排放反作用力。安全閥排放反作用力及其產(chǎn)生的彎矩的計(jì)算同排放系統(tǒng)的布置有關(guān)。以下就圖1所示的開式排放系統(tǒng)介紹ASME B
31.1安全閥排氣時(shí)反作用力是如何計(jì)算的中的排放反作用力計(jì)算方法： 圖1 開式排放系統(tǒng)的排放反作用力1 確定排放彎管出口（部位1）處的壓力和速度排放彎管出口處壓力和速度按下列公式計(jì)算：式中：P1——排放彎管出口壓力，psia； V1——排放彎管出口速度，ft/s；W——安全閥實(shí)際排量，lbm/s；A1——排放彎管截面積，in2；h0——安全閥進(jìn)口處總焓，Btu/lbm；J ——熱工當(dāng)量，778.16 ft-lbf/Btu；gc——重力常數(shù)，
32.2 lbm-ft/lbf-s2；a和b——蒸汽的相應(yīng)值如下表所列。蒸汽工況abBtu/lbm濕蒸汽（干度 < 90%）29111飽和蒸汽（干度 ≥ 90%）15 psia ≤ P1 ≤ 1000 psia8234.33過熱蒸汽（干度 ≥ 90%）1000 psia < P1 ≤ 2000 psia8314.332 計(jì)算排放彎管出口（部位1）處排放反作用力排放彎管出口處排放反作用力按下式計(jì)算：式中：F1——排放彎管出口處排放反作用力，lbf；W——安全閥實(shí)際排量，lbm/s；gc——重力常數(shù)，
32.2 lbm-ft/lbf-s2； V1——排放彎管出口速度，ft/s；P1——排放彎管出口壓力，psia；A1——排放彎管截面積，in2；Pa——大氣壓，psia。
3 動(dòng)載系數(shù)考慮到安全閥排放反作用力具有驟加載荷的性質(zhì)，其產(chǎn)生的彎矩和內(nèi)力同靜載荷相比具有增強(qiáng)效應(yīng)，以上計(jì)算的反作用力應(yīng)乘上動(dòng)載系數(shù)DLF。動(dòng)載系數(shù)按以下步驟確定：3.1 計(jì)算安全閥裝置周期T參見圖2，安全閥裝置周期按下式計(jì)算：式中：T——安全閥裝置周期，s；G——安全閥、彎管、法蘭等的重量，lb；h——主管到出口管中心線的距離，in；E——設(shè)計(jì)溫度下進(jìn)口管的楊氏彈性模量，lb/in2；I——進(jìn)口管的慣性矩，in4。圖2 確定安全閥裝置周期示意圖（開式排放系統(tǒng)）
3.2 計(jì)算安全閥開啟時(shí)間與裝置周期比值 此處，t0為安全閥從全關(guān)狀態(tài)到全開的時(shí)間（s）。
3.3 上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動(dòng)截止閥確定動(dòng)載系數(shù)DLF按比值（t0/T）從圖3確定動(dòng)載系數(shù)DLF的值。 圖3 開式排放系統(tǒng)動(dòng)載系數(shù)本頁關(guān)鍵字：安全閥|安全閥計(jì)算公式
設(shè)安全閥通過排放管向大氣排放，排放管道出口截面處壓力可按下式計(jì)算：
安全閥的動(dòng)作原理
安全閥是一種自動(dòng)閥門，當(dāng)被保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)的介質(zhì)壓力超過預(yù)定值時(shí)，它自動(dòng)開 啟；當(dāng)介質(zhì)壓力回復(fù)到正常工作值時(shí)，它又自動(dòng)關(guān)閉。 圖 2 所示為常規(guī)彈簧載荷式氣體安全閥的動(dòng)作原理示意。 其動(dòng)作基于力的平衡。 在正常操作條件下，進(jìn)口壓力低于整定壓力，閥瓣在彈簧力作用下壓在閥座上處于 關(guān)閉位置，閥門處于關(guān)閉(密封)狀態(tài)（見圖 2A） 。 此時(shí)作用在閥瓣上的彈簧力 F 為： F = P×A + Fs 式中：P——介質(zhì)壓力，MPa； A——閥瓣上受壓面積，cm2； Fs——為使閥瓣和閥座壓緊的向下密封附加力，N。 閥瓣在閥座密封面上的壓緊力 Fs，保證了所需的密封性。
圖2-26帶排放管道的安全閥示意圖
式中：p。—排放管出口截面處壓力，Pa；
p-排放時(shí)閥進(jìn)口壓力，Pa,
K一，——安全閥額定排量系數(shù)；
A-安全閥流道面積，m2；
A。——排放管出口截面積，IT12；
*一-氣體絕熱指數(shù)；
z-氣體壓縮系數(shù)。
若m大于或等于大氣壓力，則排氣速度為音速。此時(shí)，排放反作用力按下式計(jì)算：
若pn小于大氣壓力，則排氣速度為亞音速。此時(shí)．排氣反作用力按下式計(jì)算：
考慮到安全閥排氣反作用力具有沖擊載荷的性質(zhì)，通常還需對(duì)計(jì)算得出的排氣反作用力F。r乘以動(dòng)載系數(shù)h。
動(dòng)載系數(shù)酯的計(jì)算程序如下：
①安全閥裝置周期按下式計(jì)算：
式中：T-安全閥裝置周期，s；‘
W-安全閥、安裝管道、法蘭、附件等的重量．N；
L-從被保護(hù)設(shè)備到安全閥出口管中心線的距離，mm;
E--。_安全閥進(jìn)口管在設(shè)計(jì)溫度下的楊氏模量，MPa：
，——進(jìn)口管慣性矩，mm1。
②計(jì)算比值此處。為安全閥開啟時(shí)間，即安全閥從關(guān)閉狀態(tài)到全開啟的動(dòng)作時(shí)間(s)。
③根據(jù)比值f
A —— 關(guān)閉狀態(tài) B —— 開始開啟 C —— 全開啟 圖 2 氣體安全閥的動(dòng)作原理示意
為了保證被保護(hù)系統(tǒng)的安全，安全閥的整定壓力不得大于被保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓 力。在正常工作時(shí)，安全閥處于密封狀態(tài)，所以安全閥的密封試驗(yàn)壓力應(yīng)等于或高 于被保護(hù)系統(tǒng)正常操作時(shí)的工作壓力。 當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)口壓力等于閥門整定壓力時(shí)，彈簧力等于進(jìn)口介質(zhì)作用在關(guān)閉閥瓣上 的力，閥瓣與閥座之間的作用力等于零。當(dāng)進(jìn)口壓力略高于整定壓力時(shí)，介質(zhì)流過 閥座表面進(jìn)入蓄壓腔“B” ，由于反沖盤與調(diào)節(jié)圈間節(jié)流作用的結(jié)果，蓄壓腔“B” 內(nèi)的壓力增加（見圖 2 B） ，因?yàn)檫@時(shí)進(jìn)口壓力作用在更大的面積上，產(chǎn)生一個(gè)通常 被稱為膨脹力的附加力來克服彈簧力。通過調(diào)整調(diào)節(jié)圈，便可以調(diào)節(jié)環(huán)形流道縫隙 的大小，從而控制蓄壓腔“B”內(nèi)的壓力。這時(shí)蓄壓腔內(nèi)被控制的壓力將克服彈簧 力，導(dǎo)致閥瓣離開閥座，閥門突跳開啟。 一旦閥門已經(jīng)開啟， “C”處便會(huì)產(chǎn)生附加增壓（見圖 2 C） 。這是由于突然的 流量的增加以及由反沖盤裙邊的內(nèi)沿與調(diào)節(jié)圈外徑所圍成的另一個(gè)環(huán)形流道上的節(jié) 流所造成的。這些 “C”處的附加力會(huì)導(dǎo)致閥瓣在突跳時(shí)達(dá)到足夠的開啟高度。
流量始終被閥座與閥瓣間的開度限制著，直到閥瓣離閥座的開啟高度接近 1/4 喉徑。當(dāng)閥瓣達(dá)到這種程度的開啟高度以后，流量便由喉部流道面積控制而不是閥 座表面間的面積（簾面積）了。 當(dāng)進(jìn)口壓力已經(jīng)降到低于整定壓力足夠多，以致彈簧力足以克服“A” ， “B ” ， “C”三處力之和時(shí)，閥門關(guān)閉。閥門回座時(shí)的壓力就是關(guān)閉壓力。整定壓力與關(guān) 閉壓力的差稱為啟閉壓差。 圖 3 表示的是閥瓣從整定壓力 （圖中 A 點(diǎn)） 經(jīng)歷超壓階段到達(dá)zui大泄放壓力 （B 點(diǎn)） ，經(jīng)歷啟閉壓差階段回到關(guān)閉壓力（C 點(diǎn)）的全部行程。
圖 3 安全閥閥瓣開啟高度與被保護(hù)系統(tǒng)壓力間的典型關(guān)系圖
液體介質(zhì)用閥門不會(huì)象氣體介質(zhì)用閥門那樣突跳（見圖 4） 。因?yàn)橐后w流動(dòng)不產(chǎn) 生象氣體介質(zhì)流動(dòng)那樣的膨脹力。液體介質(zhì)用閥門必須依靠反作用力來達(dá)到開啟高 度。
圖 4 液體安全閥的動(dòng)作原理示意
當(dāng)閥門關(guān)閉時(shí)，作用在閥瓣上的力與應(yīng)用于氣體介質(zhì)中的作用的力是相同的， 直到達(dá)到力的平衡，即保持閥座關(guān)閉的合力接近零。從這時(shí)起，力的關(guān)系就*不 同了。 在zui初開啟時(shí)，逸出的液體形成一層非常薄的流體,見圖 4 A，在閥座表面間迅 速擴(kuò)展。液體沖擊閥瓣反沖盤的反作用面，并被折流向下，產(chǎn)生向上推動(dòng)閥瓣和反 沖盤的反作用力。在zui初的 2%～4%的超過壓力范圍內(nèi)，這些力通常建立得很慢。 隨著流量逐漸增加，流過閥座的液體的速度頭也在增加。這些動(dòng)量作用力與快 速泄放的液體介質(zhì)由于從反作用表面（見圖 4 B）被折流向下所產(chǎn)生的作用力的合力 足以使閥門達(dá)到全開。通常情況下，在 2%～6%的超過壓力下，閥門會(huì)突然間波動(dòng)到 50%～100%的全開高。 隨著超過壓力增加， 這些力繼續(xù)增加， 推動(dòng)閥門達(dá)到全開。 ASME 鑒定的液體介質(zhì)閥門的排放量，要求閥門在 10%或更小的超過壓力下，達(dá)到全部的額定排量。 在閥門關(guān)閉的過程中，隨著超過壓力減小，液體介質(zhì)動(dòng)量和反作用都減小，彈 簧力推動(dòng)閥瓣返回與閥座接觸。 過去，許多用在液體介質(zhì)中的泄壓閥都是為可壓縮（蒸氣）介質(zhì)設(shè)計(jì)用的安全 泄放閥或泄放閥。許多這樣的閥門當(dāng)用在液體介質(zhì)時(shí)，需要高的超過壓力（25%） 才能達(dá)到全開高和穩(wěn)定的工作， 這是因?yàn)橐后w介質(zhì)無法提供氣體介質(zhì)那樣的膨脹力。 ASME《鍋爐和壓力容器規(guī)范》第Ⅷ卷要求，液體介質(zhì)在 10%超過壓力下，達(dá) 到全開啟、穩(wěn)定工作和額定泄放量。而 GB/T 12223—2005 則規(guī)定排放壓力≤1.20 整定壓力。與本文相關(guān)的產(chǎn)品有不銹鋼波紋管密封安全閥
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