1、概述

　　安全閥是受壓設(shè)備、容器或管路上的超壓保護(hù)裝置。當(dāng)設(shè)備、容器或管路內(nèi)的壓力升高超過(guò)允許值時(shí),閥門自動(dòng)開啟,繼而全量排放,以防止設(shè)備、容器或管路內(nèi)的壓力繼續(xù)升高。當(dāng)壓力降低到規(guī)定值時(shí),閥門應(yīng)自動(dòng)及時(shí)關(guān)閉,從而保護(hù)設(shè)備、容器和管路的安全運(yùn)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(yùn)行過(guò)程中可能由于閥門的顫震導(dǎo)致波紋管斷裂,或者引起其連接管道的破裂,對(duì)系統(tǒng)的安全性及可靠性帶來(lái)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(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)受壓設(shè)備、容器或管路的超壓保護(hù)。彈簧式安全閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整靈活、可靠性高等特點(diǎn),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(lái)回運(yùn)動(dòng),在此過(guò)程中,閥瓣不接觸閥座。當(dāng)被保護(hù)設(shè)備內(nèi)壓力異常升高達(dá)到開啟壓力時(shí),閥門自動(dòng)開啟,此時(shí)設(shè)備內(nèi)介質(zhì)得以排放。當(dāng)被保護(hù)容器內(nèi)的壓力還高于起跳壓力時(shí),安全閥進(jìn)口管的壓力已經(jīng)低于回座壓力,安全閥回座。在很短的時(shí)間內(nèi),通過(guò)壓力傳遞,閥門進(jìn)口管內(nèi)的壓力又達(dá)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(shè)計(jì)的缺陷或閥門運(yùn)行條件的特殊情況。如閥門選用彈簧的剛度過(guò)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(dǎo)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(yuǎn)小于整定壓力,進(jìn)口管長(zhǎng)度與管徑之比大,背壓過(guò)大,進(jìn)口流道壓力損失過(guò)大及在L/D較大的情況下閥門所連接的箱罐體積過(guò)大。

　　彈簧式安全閥的顫震現(xiàn)象可能引起被保護(hù)設(shè)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(dòng)可能導(dǎo)致連接管道的破裂。對(duì)于彈簧式安全閥,可通過(guò)加裝阻尼器或者改進(jìn)閥門設(shè)計(jì),消除顫震現(xiàn)象,保證系統(tǒng)或設(shè)備的正常運(yùn)行。

3、阻尼器工作原理及特點(diǎn)

　　對(duì)于在電站運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生過(guò)顫震的安全閥,可以采用加裝阻尼器的方法,通過(guò)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(hù)設(shè)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(guò)閥桿的位移使流體在兩個(gè)腔室之間流動(dòng)。閥桿上升時(shí),流體通過(guò)調(diào)節(jié)孔和隔膜孔(類似于止回閥)進(jìn)行流通,此時(shí)上下腔室的壓差很小,可以忽略不計(jì),不影響閥門的開啟時(shí)間。閥門關(guān)閉閥桿下降時(shí),隔膜孔關(guān)閉,流體僅通過(guò)調(diào)節(jié)孔流通,此時(shí)上下壓差產(chǎn)生一個(gè)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(dú)立的裝置,便于維修、運(yùn)輸和安裝,在閥門關(guān)閉時(shí)可防止閥瓣撞擊保護(hù)密封面,同時(shí)維持閥門在超壓時(shí)的性能。其波紋管設(shè)計(jì)可適應(yīng)閥桿位移導(dǎo)致腔室的體積變化和溫度變化,并通過(guò)外置的調(diào)節(jié)孔進(jìn)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(shè)計(jì),使得該動(dòng)力密封系統(tǒng)產(chǎn)生的摩擦力可以忽略不計(jì)。

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(jī)械式阻尼器

　　機(jī)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(gè)起制動(dòng)作用的裝置,彈簧力通過(guò)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(dòng)。在閥門關(guān)閉時(shí),通過(guò)制動(dòng)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(jī)械式阻尼器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本較低,便于安裝和維修,即能解決閥門顫震問(wèn)題,又不影響閥門密封性能。

圖2　機(jī)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(jìn)結(jié)構(gòu)(圖3),其通過(guò)在閥瓣下連接一個(gè)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(shí)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(dāng)壓力容器的壓力達(dá)到設(shè)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(guò)盤片小孔補(bǔ)充的速度,導(dǎo)致上下腔產(chǎn)生一個(gè)壓差,使閥門迅速開啟,避免了震動(dòng)和噪聲。閥門開啟后,介質(zhì)可以通過(guò)盤片上的小孔和側(cè)面的槽孔排出。當(dāng)壓力降低到設(shè)定壓力后,閥瓣開始回座。閥門回座的速度一開始很快,當(dāng)盤片側(cè)面的槽孔進(jìn)入喉徑內(nèi)時(shí),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(dāng)閥瓣即將接觸閥座的時(shí)候,介質(zhì)只能通過(guò)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(guān)閉、適用介質(zhì)多樣化等優(yōu)點(diǎn),但其盤片上的小孔和側(cè)面槽口需進(jìn)行精確的計(jì)算及加工,以滿足對(duì)閥門正常運(yùn)行的相關(guān)要求。

(a)關(guān)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(yǔ)

　　彈簧式安全閥存在的顫震現(xiàn)象已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外核電廠及監(jiān)測(cè)部門的重視。在安全閥的選擇過(guò)程中,需要對(duì)可能存在的顫震現(xiàn)象進(jìn)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(wú)法通過(guò)理論分析或者相關(guān)的試驗(yàn)來(lái)確定其是否會(huì)產(chǎn)生,而加裝阻尼器對(duì)于閥門的影響也無(wú)法判斷。自穩(wěn)式安全閥的設(shè)計(jì)在國(guó)外部分電站已經(jīng)有所應(yīng)用,為閥門顫震現(xiàn)象的消除提供了一種新的考慮方案。