弹簧式安全阀的动态特性是什么？附加背压是怎么样影响它的？

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  在使用高温度高压力工况下的蒸汽弹簧式安全阀之前，有必要进行热态试验。由于热态试验装置的搭建、使用和维护成本高，且其能达到的工况参数有限，因此就需要一种能够在高参数工况下研究安全阀动态特性的方法。

  本文利用计算流体力学方法和瞬态模拟技术建立了高参数蒸汽弹簧式安全阀的动态数值计算模型。同时，使用安全阀热态实验装置进行了热态试验，验证了该动态数值计算模型的准确性。

  在高温高压环境下，安全阀的主要工作介质通常是饱和蒸汽或过热蒸汽。而由于成本问题，在型式试验中提供稳定的大流量饱和蒸汽或过热蒸汽非常困难。

  所以大多数制造商和试验人员通常选择使用压缩空气在相同压力下进行型式试验。但不同介质的物理性质存在一定的差异，这样的试验方式可能会影响试验结果。

  三种介质中，饱和蒸汽与过热蒸汽的性能参数十分接近，而 以压缩空气作为介质时，存在较为显著的差距。

  根据下图中的曲线，我们大家可以观察到在不同介质下，安全阀在整个启闭过程中的开启高度（也就是阀瓣高度）随时间的变化曲线具有相似的趋势。尤其是在开启阶段，三种介质都表现出快速开启，呈现接近线性的变化趋势。

  具体来说，它们的开启时间分别为6.70毫秒、5.52毫秒和5.39毫秒，其中以空气的开启时间最长，但与过热蒸汽的开启时间仅相差1.31毫秒。

  而在回座阶段，饱和蒸汽和过热蒸汽的情况仍然相似，回座阶段的开始时间是当阀瓣受到的合力减小到零时，它们分别需要20.20毫秒和21.10毫秒来完成回座。

  当介质是空气时，回座过程明显延长，需要34.00毫秒才能完成。这些观察根据结果得出不同介质对安全阀的动态特性产生一定影响，尤其在回座阶段，空气介质的回座过程明显较长。

  从下图中的(a)和(b)可以观察到，在不同介质下，安全阀的启闭过程中阀瓣的速度变化有明显的差异。在开启过程中，当介质是饱和蒸汽和过热蒸汽时，阀瓣速度持续上升。在压缩空气介质下，2毫秒后速度开始下降，同时其他两种介质下的速度增幅也减小了。

  在关闭过程中（这时阀瓣速度以y轴负方向为正），在饱和蒸汽和过热蒸汽的工况下，阀瓣速度的变化趋势与开启时相似，但整体速度较低，且在10毫秒到12.8毫秒之间有一段平缓的区域。与此相比，在空气介质下，阀瓣速度变化更为复杂。

  它经历了关闭初期的加速，然后在2.2毫秒到16.2毫秒之间，阀瓣速度的增长非常缓慢，同时在16.2毫秒到23毫秒以及30.2毫秒到34.0毫秒之间有减速现象。

  根据上面两张马赫数变化云图，在不同介质下安全阀的启闭过程中呈现出一些有趣的现象。

  在开启过程中，当介质通过阀瓣与阀座以及下调节圈之间的流道时，出现了两个高马赫数区域，它们在上调节圈的底部对称分布。

  在空气介质的工况下，高马赫数区域的面积最大，在半开状态下，最大马赫数可达到3.37。而在过热蒸汽的工况下，高马赫数区域比较小，最大马赫数为3.00。此外，随着开度的增加，节流作用减弱，介质的流速逐渐减小，高马赫数区域的面积也逐渐减小。

  在关闭过程中，安全阀阀内的马赫数分布和变化规律与开启过程相似，但由于入口压力减小，马赫数和流速的数值都较开启过程低。这些观察根据结果得出，在不同介质下，安全阀启闭过程中的流动特性和马赫数分布存在一些差异。

  安全阀的附加背压通常是由排放系统中的其他压力源引起的。但工程技术人员也认识到，附加背压的存在能增加回座压力，充分的利用这一优势能更加进一步减小启闭压差，因此设计了带背压腔结构的安全阀。

  在高参数蒸汽弹簧式安全阀中，适用于各种苛刻工况，对排放压力、回座压力等关键性能有更严格的要求。背压结构在高参数安全阀中用于辅助提高回座压力的调节结构。简化后的背压腔结构如上图所示，包括连接通道、背压腔以及背压腔出口流道三个部分。

  连接通道其实就是阀瓣套筒与导向套之间的间隙。在安全阀开启后，介质通过连接通道从底部进入背压腔，在背压腔内产生附加背压。不同于一般的附加背压，这种附加背压是由介质自身产生的。

  当安全阀需要回座时，这种附加背压的存在可以有效提升安全阀的回座压力，从而减小启闭压差。

  基于高参数蒸汽弹簧式安全阀的动态数值计算模型，模拟了带附加背压的蒸汽弹簧式安全阀的启闭过程，并得到了无附加背压和带附加背压两种情况下的性能对比，如上表所示。

  从表中能够准确的看出，相较于没有背压腔的情况，带附加背压的情况在某些特定的程度上增加了安全阀的排放压力，从23.4 MPa增加到了24.12 MPa，仅略高于整定压力的1.031倍。

  但回座压力明显地增加，从18.70 MPa增加到了21.52 MPa，使得启闭压差仅为正定压力的8.03%。因此背压腔结构对于提高安全阀的动作性能具备极其重大作用。

  上图对比了有无附加背压情况下安全阀启闭过程中阀瓣开启高度随时间的变化。从图中能够准确的看出，在开启过程中，初始开启阶段两种情况下的开启过程相似，但带附加背压的情况下整体开启时间略长。

  在关闭过程中，没有附加背压的情况下，关闭速度较慢，而带附加背压的情况下，阀瓣在初期下降较慢，但在开始回座约6.2毫秒后开始以更快的速度完成回座。

  根据上图中的(a)和(b)显示的带附加背压安全阀启闭过程中的速度和压力变化云图，能够获得以下观察和结论：

  在启闭过程中，当阀瓣处于小开度时，背压腔内的蒸汽量较少，因此图中连接通道口附近的流速几乎没办法观察到。随着开度的增加，背压腔内的蒸汽流速逐渐增大。蒸汽从连接通道内流出时呈现喷射状，当撞击到壁面时，喷射流会发生90°的偏转后从出口流出。与没有附加背压的情况相比，阀体内部的速度分布基本相似。

  根据图(b)中的压力云图可以观察到，当蒸汽从连接通道进入背压腔时，压力已经相比来说较低。因此，随着开度的增加，附加背压对阀瓣运动的影响会逐渐增大。这表明在较大开度下，附加背压可能对安全阀的动作性能产生更显著的影响。

  调节圈结构在弹簧式安全阀中用于调整运动部件（例如阀瓣和反冲机构）所受到的升力大小，以改变安全阀的动作性能。通常，调节圈结构通过螺纹连接方式与安全阀的内部组件连接，最常见的两种形式是上调节圈结构和下调节圈结构，如下图所示。

  通过手动旋转底部的齿轮，可以使调节圈上下移动，改变安全阀内部的流道结构，进而影响安全阀的动态特性。

  在初始位置时，通常是上调节圈处于最低位置，下调节圈处于最高位置。我们大家可以用调节圈的高度来描述它们与密封面之间的距离。如上图所示，当上调节圈的高度（Hs）增大时，它会向上移动，离密封面越远。而当下调节圈的高度（Hx）增大时，它会向下移动，同样也会离密封面越远。

  通常调节圈与导向套之间采用螺纹连接，并能通过上调节螺钉来调整其高度。这次选取了上调节圈高度为50%和100%（在此高度下反冲区消失）作为对比，并通过数值模拟获得了以下计算结果，如下表所示。

  下图显示了在不同上调节圈高度下，安全阀在启闭过程中阀瓣高度随时间的变化。

  在这两种不同的上调节圈高度下，安全阀的开启过程都变得更复杂，存在较大的波动，即颤振现象。相比于第二节中的工况，两种情况下都需要更长的时间才能完全开启，尤其是在100%高度下。

  在50%高度下，开启过程中阀瓣首次达到9.62毫米的开度后慢慢的出现颤振，最低达到8.15毫米的开度，然后颤振幅度逐渐减小，最终在36.50毫秒时完全开启。

  而在100%高度下，阀瓣在达到9.19毫米的开度后即开始颤振，颤振幅度更大，最低达到了5.89毫米，并最终在48.07毫秒时达到最大开度。

  在回座过程中，两种情况下都存在较小的颤振现象。在50%高度下，颤振发生了两次，分别在56.80毫秒至61.02毫秒和74.11毫秒至77.92毫秒两个时间段内，最终关闭所需的时间为36.90毫秒。而在100%高度下，只发生了一次颤振，在65.10毫秒至70.05毫秒之间，最终关闭所需的时间为28.70毫秒。

  在工程和制造领域中，安全阀的性能和动态特性是至关重要的，因为它们直接涉及到设备和工艺的安全性。通过深入研究和模拟不同工况下的安全阀性能，我们大家可以更好地理解其工作原理，以及如何优化其性能以满足特定需求。

  调节圈的高度调整可以明显影响安全阀的启闭过程和颤振行为，从而决定了其在实际工程中的可靠性和稳定性。

  深入研究安全阀的动态特性对于确保工业设施和生产的全部过程的安全性和可靠性至关重要。这种研究不仅有助于改进现有的安全阀设计，还有助于为新型工艺和工程提供更安全可靠的解决方案。

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