孫 琦 謝常歡 謝青延

(深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院 深圳 518109)

安全閥是鍋爐、壓力容器和壓力管道上極其重要的安全泄壓裝置，在承壓設(shè)備或系統(tǒng)超壓時(shí)起自動(dòng)泄壓保護(hù)作用[1]，其產(chǎn)品質(zhì)量性能的好壞直接影響承壓設(shè)備的安全運(yùn)行。在評(píng)價(jià)安全閥質(zhì)量安全的三大指標(biāo)——?dú)んw強(qiáng)度與密封、動(dòng)作性能和排量性能中，排量性能指標(biāo)尤為重要，具體如下：

1）安全閥排量不足會(huì)導(dǎo)致設(shè)備系統(tǒng)超壓，造成承壓特種設(shè)備爆炸；

2）增加安全閥排放效率，有助于提高其單位面積排放量。這樣，在相同的安全泄放量要求下，承壓特種設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)最小的設(shè)備開(kāi)孔，使應(yīng)力分布更加合理，確保承壓特種設(shè)備安全。

3）在應(yīng)力分布更加合理的情況下，設(shè)備的開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)等更加易于實(shí)現(xiàn)。這樣，能節(jié)約大量鋼材，使特種設(shè)備的生產(chǎn)更加經(jīng)濟(jì)合理，同時(shí)，也實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排。

筆者在日常型式試驗(yàn)檢驗(yàn)工作中發(fā)現(xiàn)安全閥產(chǎn)品質(zhì)量普遍存在排放性能不足的問(wèn)題。同時(shí)，在與廣大安全閥企業(yè)的交流中，各企業(yè)提及在企業(yè)拓展國(guó)際市場(chǎng)時(shí)，國(guó)外用戶提出按ASME 要求有效排量系數(shù)為0.975（我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定為最低0.77），針對(duì)此技術(shù)條件很難達(dá)到。美國(guó)NB 壓力釋放裝置實(shí)驗(yàn)室每只安全閥檢驗(yàn)綜合費(fèi)用達(dá)十萬(wàn)元人民幣之巨，國(guó)內(nèi)安全閥廠家取證通過(guò)率極低。如此巨大的技術(shù)難關(guān)已經(jīng)制約了我國(guó)安全閥產(chǎn)品走向世界。

隨著我國(guó)核電站的大量興建，鑒于日本福島核事故、美國(guó)三里島核事故（該事故促使美國(guó)NB 成立壓力釋放裝置實(shí)驗(yàn)室）的教訓(xùn)，監(jiān)管部門(mén)要求使用在核島上的安全閥按不同型號(hào)、不同規(guī)格逐只進(jìn)行安全閥排量試驗(yàn)。為此，國(guó)內(nèi)兩家著名安全閥廠家在深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院進(jìn)行了大量的第三方排量性能試驗(yàn)。從試驗(yàn)的過(guò)程及結(jié)果來(lái)看，不論是安全閥生產(chǎn)廠家還是獨(dú)立第三方檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)，在目前的形式下，開(kāi)展閥座排量性能的研究是刻不容緩的。

因此，深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院就安全閥閥座結(jié)構(gòu)形式對(duì)排放性能影響的研究向國(guó)家質(zhì)檢總局申請(qǐng)科研項(xiàng)目立項(xiàng)，并得到了總局的批準(zhǔn)，項(xiàng)目編號(hào)：2013QK268。為此，我們開(kāi)展了一些基礎(chǔ)性研究及仿真測(cè)試。根據(jù)測(cè)試結(jié)果撰寫(xiě)此文。

影響安全閥排量性能的因素有閥座結(jié)構(gòu)形式、反沖盤(pán)結(jié)構(gòu)形式及其開(kāi)啟高度，本文將以安全閥的閥座結(jié)構(gòu)形式作為切入點(diǎn)，在不改變反沖盤(pán)結(jié)構(gòu)形式及其開(kāi)啟高度的情況下，利用SolidWorks 仿真軟件計(jì)算分析閥座結(jié)構(gòu)形式對(duì)安全閥排放性能的影響，從而優(yōu)化閥座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 安全閥排放過(guò)程流體理論分析

安全閥的閥座結(jié)構(gòu)形式采用拉法爾噴管[1]。噴管是一種特殊的管道，呈縮放狀，介質(zhì)流經(jīng)噴管后，壓力下降，速度增加[2]。安全閥噴管在實(shí)際排放過(guò)程中，氣體流動(dòng)是穩(wěn)定的或接近于穩(wěn)定的，如圖1 所示的噴管，如果工質(zhì)在其中作穩(wěn)定流動(dòng)，則它的1-1 截面、2-2截面以及任意的x-x 截面上的所有參數(shù)均不隨時(shí)間而變化。這樣，氣體流動(dòng)就屬于只沿著流動(dòng)方向發(fā)生變化的一維穩(wěn)定流動(dòng)問(wèn)題。氣體穩(wěn)定流動(dòng)過(guò)程的基本方程有連續(xù)性方程、能量方程和過(guò)程方程。

圖1 拉法爾噴嘴

氣體在噴管中穩(wěn)定流動(dòng)應(yīng)當(dāng)滿足質(zhì)量守恒定律。即在噴嘴的任何空間中氣體的質(zhì)量應(yīng)該保持恒定不變。

其微分形式為：

氣體在噴管中要進(jìn)行熱量和動(dòng)能之間的轉(zhuǎn)換，因此必須滿足熱力學(xué)第一定律，即穩(wěn)定流動(dòng)能量方程式：

氣體在噴管中的穩(wěn)定流動(dòng)可以視為絕熱的過(guò)程，其過(guò)程方程式是：

以上連續(xù)性方程、能量方程和過(guò)程方程作為安全閥閥座噴嘴排放過(guò)程仿真計(jì)算的基本依據(jù)。

2 安全閥排放過(guò)程流體仿真

筆者通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前在用、在產(chǎn)的安全閥，其生產(chǎn)工藝為澆鑄粗加工及機(jī)床精加工。由于生產(chǎn)成本的原因，閥座縮放通道多采用直線過(guò)渡，未采用圓弧過(guò)渡。同時(shí)，縮放通道的直線夾角在相關(guān)的設(shè)計(jì)手冊(cè)及標(biāo)準(zhǔn)未作規(guī)定。因此，每個(gè)安全閥生產(chǎn)廠家都是根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)而定。在我們進(jìn)行安全閥型式試驗(yàn)的過(guò)程中，其閥座縮放通道設(shè)計(jì)各式各樣，產(chǎn)品安全性能參差不齊，這為特種設(shè)備安全監(jiān)管帶來(lái)不利。

從流體力學(xué)的角度來(lái)看，最優(yōu)的通道設(shè)計(jì)應(yīng)該是閥座縮放通道形狀應(yīng)符合流體速度邊界層的分布，也就是我們所說(shuō)的閥座縮放通道采用圓弧過(guò)渡。但這樣會(huì)增加生產(chǎn)制造成本。

如何在生產(chǎn)制造成本與排放性能的提高中尋找一個(gè)平衡點(diǎn)，就是我們安全閥排放過(guò)程流體仿真的目的。

本次流體仿真的過(guò)程為：

1）安全閥閥座建模；

2）閥座漸縮管壁不同角度模型的仿真；

3）閥座直線、圓弧模型仿真比對(duì)；

2.1 安全閥閥座建模

以DN80 全啟式安全閥為例，根據(jù)安全閥的設(shè)計(jì)圖紙?jiān)赟olidWorks 中進(jìn)行建模。安全閥排放過(guò)程認(rèn)為在理想狀態(tài)下進(jìn)行的，是一個(gè)絕熱過(guò)程，忽略溫度變化影響的因素以及管壁對(duì)氣體的摩擦阻力。

SolidWorks 仿真軟件針對(duì)安全閥仿真需要的邊界條件是：進(jìn)口壓力、出口壓力、仿真工件的幾何尺寸以及介質(zhì)種類。

安全閥仿真試驗(yàn)邊界條件是；排放壓力，即進(jìn)口壓力1.0MPa(絕對(duì)壓力)；出口壓力即排放背壓，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；幾何尺寸為設(shè)計(jì)圖紙；介質(zhì)為飽和蒸汽。

SolidWorks 仿真軟件的仿真原理是安全閥內(nèi)部空間的網(wǎng)格劃分，針對(duì)現(xiàn)有安全閥的網(wǎng)格劃分及建立的模型如圖2 所示。

圖2 閥座網(wǎng)格圖

2.2 閥座直線模型仿真

拉法爾噴管的縮放通道都采用直線過(guò)渡即直線模型，即安全閥市場(chǎng)上現(xiàn)有類型。直線模型分9°、10°、11°、12°、13°五種模型，即閥座的漸縮管壁夾角分別為9°、10°、11°、12°、13°。如圖3所示。

圖3 閥座結(jié)構(gòu)圖

在SolidWorks 中的仿真結(jié)果如圖4 所示，表1列出四種模型的最高速度及其喉徑處的速度值。

表1 閥座喉徑最高速度對(duì)比表

圖4 閥座仿真結(jié)果圖

從表1 看出，拉法爾噴管的縮放通道都采用直線過(guò)渡即直線模型，夾角為11°，其排放性能最優(yōu)。

2.3 閥座直線、圓弧模型仿真

在不改變反沖盤(pán)結(jié)構(gòu)形式及其開(kāi)啟高度的前提下，將閥座噴管的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)成以下四種，如圖5 所示：

1）拉法爾噴管的縮放通道都采用直線過(guò)渡即直線模型，夾角分別11°；

2）拉法爾噴管的漸縮通道采用圓弧過(guò)渡，漸放通道不變，即下圓弧模型；

3）拉法爾噴管的漸放通道采用圓弧過(guò)渡，漸縮通道不變，即上圓弧模型；

4）拉法爾噴管的縮放通道都采用圓弧過(guò)渡即雙圓弧模型。

圖5 閥座結(jié)構(gòu)圖

在SolidWorks 中的仿真結(jié)果如圖6 所示。表2列出四種模型的最高速度及其喉徑處的速度值。

表2 閥座喉徑最高速度對(duì)比表

從2 表可以看出，拉法爾噴管的縮放通道都采用雙圓弧模型，其排放性能最優(yōu)。

圖6 閥座仿真結(jié)果圖

3 分析總結(jié)

仿真過(guò)程中我們對(duì)多種壓力工況進(jìn)行仿真，由于文章篇幅的原因，未一一列舉。根據(jù)仿真數(shù)據(jù)分析總結(jié)如下：

1）從表2 可以看出：在本次比對(duì)的模型中，拉法爾噴管的縮放通道都采用圓弧過(guò)渡即雙圓弧模型的喉徑處速度及排放量最大；拉法爾噴管的縮放通道都采用直線過(guò)渡即直線模型，也就是我們常規(guī)結(jié)構(gòu)形式的安全閥閥座喉徑處速度及排放量較小。最大排放量與最小排放量相比，排量增加3%；

2）采用圓弧過(guò)渡即雙圓弧模型的閥座由于生產(chǎn)成本的因素，幾乎不可能實(shí)現(xiàn)量化生產(chǎn)。同時(shí)，相對(duì)于直線過(guò)渡即直線模型，其排量增加有限；

3）采用圓弧過(guò)渡即雙圓弧模型的閥座從排放過(guò)程流體仿真的速度場(chǎng)分布來(lái)看，其速度增加較快。較快的流體速度有助于形成良好的動(dòng)力場(chǎng)，大大改善閥門(mén)的動(dòng)作性能特性；

從以上分析可以看出：在本次仿真研究過(guò)程中，針對(duì)所涉及的樣品標(biāo)本，拉法爾噴管的縮放通道在生產(chǎn)條件允許的情況下，盡量采用圓弧過(guò)渡。在本次閥座仿真研究中，由于經(jīng)費(fèi)、時(shí)間等因素及我們閥座樣品的有限性，研究的廣度、深度有限，研究?jī)?nèi)容及結(jié)果適用性也有限。在后來(lái)與安全閥制造廠相關(guān)工程技術(shù)人員的交流中，本次仿真研究對(duì)安全閥閥座的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 周震.鍋爐壓力容器壓力管道安全泄放裝置實(shí)用手冊(cè)(安全閥)[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量出版社，2000，34-35.

[2] 朱明善，劉穎，林兆莊，等.工程熱力學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002，64-65.

[3] 孫琦，謝青延.關(guān)于電站鍋爐安全閥型式試驗(yàn)排放性能測(cè)試方法的討論[J].中國(guó)特種設(shè)備安全，2014,30（11）：10-12.