1、概述

　　安全閥是受壓設備、容器或管路上的超壓保護裝置。當設備、容器或管路內(nèi)的壓力升高超過允許值時,閥門自動開啟,繼而全量排放,以防止設備、容器或管路內(nèi)的壓力繼續(xù)升高。當壓力降低到規(guī)定值時,閥門應自動及時關閉,從而保護設備、容器和管路的安全運行。核電站中采用了大量的彈簧式安全閥,其中部分介質(zhì)為液體的彈簧式安全閥,在運行過程中可能由于閥門的顫震導致波紋管斷裂,或者引起其連接管道的破裂,對系統(tǒng)的安全性及可靠性帶來了一定的影響。

2、顫震分析

　　彈簧式安全閥利用彈簧壓縮力對閥瓣加載、用以調(diào)定開啟壓力并在介質(zhì)直接作用下開啟,從而實現(xiàn)對受壓設備、容器或管路的超壓保護。彈簧式安全閥具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)整靈活、可靠性高等特點,但其也存在閥門泄漏、開啟壓力漂移和顫震現(xiàn)象等。顫震是指安全閥的閥瓣迅速異常的來回運動,在此過程中,閥瓣不接觸閥座。當被保護設備內(nèi)壓力異常升高達到開啟壓力時,閥門自動開啟,此時設備內(nèi)介質(zhì)得以排放。當被保護容器內(nèi)的壓力還高于起跳壓力時,安全閥進口管的壓力已經(jīng)低于回座壓力,安全閥回座。在很短的時間內(nèi),通過壓力傳遞,閥門進口管內(nèi)的壓力又達到起跳壓力,閥瓣上升,如此循環(huán),產(chǎn)生顫震。

　　彈簧式安全閥的顫震現(xiàn)象主要緣于閥門自身設計的缺陷或閥門運行條件的特殊情況。如閥門選用彈簧的剛度過大,閥門啟閉壓差小(即開啟壓力與回座壓力差值較小) ,閥門排量小,導致開啟后排放不充分,或工作介質(zhì)為不可壓縮的液體,工作壓力遠小于整定壓力,進口管長度與管徑之比大,背壓過大,進口流道壓力損失過大及在L/D較大的情況下閥門所連接的箱罐體積過大。

　　彈簧式安全閥的顫震現(xiàn)象可能引起被保護設備、容器或管路介質(zhì)的異常排放,并且由于閥門顫震引發(fā)的振動可能導致連接管道的破裂。對于彈簧式安全閥,可通過加裝阻尼器或者改進閥門設計,消除顫震現(xiàn)象,保證系統(tǒng)或設備的正常運行。

3、阻尼器工作原理及特點

　　對于在電站運行過程中發(fā)生過顫震的安全閥,可以采用加裝阻尼器的方法,通過施加于安全閥閥桿上的阻尼力,使得閥門在回座前充分的排放被保護設備、容器介質(zhì),從而消除顫震現(xiàn)象。

3.1、油壓式阻尼器

　　油壓式阻尼器(圖1)通過閥桿的位移使流體在兩個腔室之間流動。閥桿上升時,流體通過調(diào)節(jié)孔和隔膜孔(類似于止回閥)進行流通,此時上下腔室的壓差很小,可以忽略不計,不影響閥門的開啟時間。閥門關閉閥桿下降時,隔膜孔關閉,流體僅通過調(diào)節(jié)孔流通,此時上下壓差產(chǎn)生一個向上的力,避免閥門的快速回座,從而消除頻繁顫震的現(xiàn)象。油壓式阻尼器是一種獨立的裝置,便于維修、運輸和安裝,在閥門關閉時可防止閥瓣撞擊保護密封面,同時維持閥門在超壓時的性能。其波紋管設計可適應閥桿位移導致腔室的體積變化和溫度變化,并通過外置的調(diào)節(jié)孔進行阻尼作用的調(diào)節(jié)。由于采用油作為水力流體和采用波紋管設計,使得該動力密封系統(tǒng)產(chǎn)生的摩擦力可以忽略不計。

1.連接桿　2.阻尼器主體　3.隔膜片　4.塞 5.波紋管　6.調(diào)節(jié)孔

圖1　油壓式阻尼器

3.2、機械式阻尼器

　　機械式阻尼器(圖2)是在彈簧式安全閥的閥桿連接軸上安裝一個起制動作用的裝置,彈簧力通過圓錐形的石墨墊圈,將軸向的載荷轉(zhuǎn)化為徑向作用力,減小閥桿的振動。在閥門關閉時,通過制動裝置內(nèi)彈簧的壓縮擠壓石墨墊圈,產(chǎn)生的摩擦力使閥桿下降速度變緩。機械式阻尼器結(jié)構(gòu)簡單,成本較低,便于安裝和維修,即能解決閥門顫震問題,又不影響閥門密封性能。

圖2　機械式阻尼器

4、自穩(wěn)式安全閥

　　自穩(wěn)式安全閥是彈簧式安全閥的一種改進結(jié)構(gòu)(圖3),其通過在閥瓣下連接一個盤片(盤片的直徑D >喉徑d) ,并在盤片上開孔及在盤片的側(cè)面開槽的方式,實現(xiàn)閥門的快速開啟及緩慢回座,從而避免閥門顫震現(xiàn)象的產(chǎn)生。當壓力容器的壓力達到設定壓力,閥門在開啟瞬間(0.1s) ,腔A的壓力迅速釋放8%～10% ,釋放的速度大于通過盤片小孔補充的速度,導致上下腔產(chǎn)生一個壓差,使閥門迅速開啟,避免了震動和噪聲。閥門開啟后,介質(zhì)可以通過盤片上的小孔和側(cè)面的槽孔排出。當壓力降低到設定壓力后,閥瓣開始回座。閥門回座的速度一開始很快,當盤片側(cè)面的槽孔進入喉徑內(nèi)時,介質(zhì)排出的面積開始減小,閥瓣越往閥座靠近,槽孔被擋住越多,當閥瓣即將接觸閥座的時候,介質(zhì)只能通過小孔。隨著面積的逐步減小,緩沖的力量逐步增大,使得閥瓣最后輕輕地貼合在閥座上。

　　自穩(wěn)式安全閥具有高可靠性、穩(wěn)定的開啟和關閉、適用介質(zhì)多樣化等優(yōu)點,但其盤片上的小孔和側(cè)面槽口需進行精確的計算及加工,以滿足對閥門正常運行的相關要求。

(a)關閉狀態(tài)PA< PB(b)開啟狀態(tài)S>S1

圖3　自穩(wěn)式安全閥

5、結(jié)語

　　彈簧式安全閥存在的顫震現(xiàn)象已經(jīng)引起了國內(nèi)外核電廠及監(jiān)測部門的重視。在安全閥的選擇過程中,需要對可能存在的顫震現(xiàn)象進行考慮,部分廠家甚至推薦大量安裝阻尼器或者使用自穩(wěn)式安全閥。但是,由于存在太多的不可確定性,顫震現(xiàn)象無法通過理論分析或者相關的試驗來確定其是否會產(chǎn)生,而加裝阻尼器對于閥門的影響也無法判斷。自穩(wěn)式安全閥的設計在國外部分電站已經(jīng)有所應用,為閥門顫震現(xiàn)象的消除提供了一種新的考慮方案。