【学术前沿】安全阀频跳颤振分析及阀瓣的影响

 

1概述●

安全阀是一种自动开启和关闭的阀门，当承压装置内部的介质压力超过设定值时，安全阀开启并排放多余的压力，对承压装置来说，起到超压保护的作用，当设备中多余的介质被排除后，系统会慢慢恢复到正常的安全压力，此时安全阀会自动关闭，起到密封的作用。

安全阀的可靠性，直接影响管道设备和人员的安全。安全阀的机械特性要求安全阀在动作过程中不允许出现卡阻、颤振和频跳等现象。目前安全阀主要存在的故障有：①规定值不开启；②阀门泄露；③安全阀回座压力过低；④安全阀频跳；⑤安全阀颤振。宋学官为国内安全阀受力分析做出了很大的贡献，他先后研究了安全阀几何参数和弹簧刚度等因素对运动特性的影响，马芳和王鹏远采用功率键合图的思想建立数学仿真模型,并用MATLAB进行仿真。搭建实验系统对安全阀的动态特性进行测试,通过实验数据与仿真结果的比较，证实了所建数学模型的正确性。之后又有学者分析了导向套开槽尺寸对流量影响不大，导向套筒斜面角度对流量的影响近似成线性变化、随着入口口径的增加质量流量和轴向力均减小。

本文首先分析安全阀频跳和颤振的影响因素，并重点分析不同角度的阀瓣结构，对安全阀工作过程中的影响。

2安全阀频跳和颤振的原因●

2.1 安全阀频跳和颤振的概念

频跳是指安全阀回座后，待压力升高，安全阀又开启，反复几次出现，这种现象称为安全阀在排放过程中，出现抖动现象，称为颤振。

2.2 频跳和颤振的危害

安全阀在开启和关闭过程中存在很大的冲击力，安全阀的密封面往往很窄，在冲击过程中会有很大的比压，长时间的频跳和颤振往往会损坏密封面。一方面造成“跑砣”[13]，另一方面会引起介质泄露，造成不可估量的损失。

2.3 出现颤振现象原因：

（1）阀瓣导向轴与导向套直接间隙太大，阀瓣离开阀座后，出现偏心，阀瓣导向轴与导向套产生卡阻。

（2）阀瓣受力均匀，起跳后失去平衡，阀瓣的导向轴与导向套之间产生频繁的碰撞。

（3）弹簧的刚度过大，作用在阀瓣上的排放压力不足以完全克服弹簧的预紧力。

3三维分析●

利用控制变量法，保证弹簧的刚度和其他条件都相同，然后针对不同角度的阀瓣进行研究，找出阀瓣的角度设计对安全阀颤振和流量等参数的影响。此次研究对象是一种弹簧式核电安全阀结构，由与波纹管对本文研究没有太大的影响，故删去了波纹管结构，利用弹簧加载于阀瓣上，属于直接载荷式安全阀，主要结构如图1所示。

1.入口法兰 2.阀体 3.阀座 4.顶针帽 5.顶针 6.锁紧螺母 7.调节环 8.阀瓣 9.导向套 10.阀盖 11.阀杆 12.下弹簧座 13.弹簧 14.上弹簧座 15.上调节螺母 16.上锁紧螺母 17.阀罩 18.出口法兰

图1 核电安全阀结构简图

根据试验样机图纸，并结合流量系数和流阻系数试验方法的要求，被测样机前5倍管径，被测样机后10倍管径，绘制安全阀三维流体有限元分析模型如图2所示。

图2 流体分析模型 

不同的阀瓣形状，对安全阀的起跳压力，回座压力，以及整定压力都有着不同的影响，其中阀瓣45°外圆弧角的设计会使得阀瓣受力更加的均匀，性能相对更有优势，有利于遏制安全阀出现颤振和频跳现象，在生产过程中可以根据实际工况的使用条件，对阀瓣进行差异化定制，提高产品与使用环境的匹配度，为以后的设计和生产起到一定的参考作用。

--------来源于《阀门公众号》