先导式水击泄压阀的试验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京航天动力研究所 作者:李晓峰

  介绍了先导式水击泄压阀的结构特点和工作原理,论述了阀门动作特性和流量特性的试验方法和结果。

1、概述

  在油品的长输管道中突然停泵、开关阀门过快或机组转速变化等,均会引起管道中油流的骤变,这种变化产生一种压力波,在管线中迅速传递,产生水击。国内外长输管道的发展趋势是管道网络化和密闭输送,这就使长输管道水力系统更复杂,更容易形成水击。当管道中发生水击,并且压力峰达到水击泄压阀的设定值时,水击泄压阀快速开启,部分油品泄入到泄压罐。由于水击泄压阀的开启使管路中液体的体积发生了变化,液体的压能得到释放,使水击压力波的强度得到减弱,因此起到了保护管道和设备安全的目的。水击泄压阀以非直接作用式为主,其中先导式水击泄压阀( 以下简称泄压阀) 相比于其他控制类型的水击泄压阀,具有流通能力强、反应灵敏、无需外力控制和温度适用范围广等优点。

2、工作原理

  泄压阀由主阀和导阀组成,导阀响应系统介质压力自身动作从而控制主阀的开关动作。其导阀能够快速响应入口压力的变化,在管道内水击波传递到阀前,系统压力超过设定压力值后,导阀迅速开启,并控制主阀迅速打开。先导式水击泄压阀属于自动泄压阀,其驱动力为管道中的介质压力。泄压阀并联安装在受保护管线上,阀门上游一侧与受保护的管线相连通,下游一侧与泄放管线相连( 图1) 。

泄压阀安装方式

1. 主阀2. 导阀3. 远程压力管

图1 泄压阀安装方式

  泄压阀( 图2) 的主阀本体是轴流式的,整体分为主阀入口、主阀内腔气室和主阀出口3 部分。取压点设在水击泄压阀的上游管线上,上游管道中的压力通过远程压力管进入导阀,导阀通过压力管分别与主阀内腔气室和主阀出口相连。

泄压阀

1. 阀体2. 阀瓣3. 弹簧4. 固定套5. 导套6. 密封件7. 阀座8. 过滤器9. 导阀10. 压力管

图2 泄压阀

  在正常工作状态下,上游管道中的压力进入导阀,通过气室压力管进入主阀内腔气室,主阀阀瓣在系统压力的作用下与密封件接触,从而保持关闭。当管道中产生水击时,上游管道压力超过设定压力,导阀动作,切断主阀内腔与上游系统压力的连通,泄放主阀内腔压力到主阀出口。主阀内腔失去介质力的作用,阀瓣左移,主阀开启,迅速泄放部分介质,消减水击压力峰,从而起到保护作用。随着水击泄放阀的开启,水击波的能量得到释放。如果管道压力降至水击泄压阀设定值以下,介质重新进入主阀内腔气室,作用在主阀阀瓣上,主阀阀瓣右移,泄压阀重新关闭,恢复到正常运行状态。

3、结构特点

  随着长输管线的发展,泄压阀对泄放量的需求也越来越高,产品结构逐渐发展为具有高泄放能力,排放噪声更小,结构紧凑的轴流式主阀。主阀内芯设计为橄榄形,与阀体配合形成合理的泄放流道,提供消除水击所需的瞬间泄放量。泄压阀通过导阀感受水击压力控制泄压阀的开启及关闭,为非直接作用式泄压阀,主要控制功能均由导阀实现,因此导阀具备能够快速响应入口压力变化的能力。在管道内水击波传递到阀前,系统压力超过设定压力值后,导阀迅速开启,并控制主阀迅速打开。导阀应适用于液体介质,对主阀关闭过程缓慢控制,不会形成二次水击。

  泄压阀工作介质一般为易燃易爆的油品,从环保及安全角度考虑,导阀不能排空,出口必须接入主阀出口。主阀出口与带压管线相连,可能存在背压,因此导阀应具备承受背压特性,确保水击泄压阀的设定压力及动作性能不受背压影响。

4、性能试验

  为了对泄压阀的动作特性及流量特性进行研究,进行了水击动作试验和流量试验。

  4.1、水击动作

  泄压阀能够迅速开启,平稳关闭至关重要。为研究其动作特性,分别进行了在近泵端和近快关阀端的有或无泄压阀的水击试验( 图3) 。试验介质水及其环境温度为10 ~ 12℃。

水击试验系统

1. 水源2. 水泵3. 流量计4. 快关阀5. 水击泄压阀6. 快关阀7. 调节阀

图3 水击试验系统

  分析试验结果( 图4、图5) ,不使用泄压阀保护试验系统时,迅速关闭快关阀,系统压力在极短时间内出现峰值,其值为系统正常运行压力的3 倍以上。在首次最高的压力峰值后,系统压力形成波形振荡,其波动随着时间的推移而逐渐衰减,4 ~ 5s 后系统中的压力波动逐渐稳定。压力波动稳定后,管线中持续压力为原工作压力的2 倍以上。使用泄压阀时,由于泄压阀的迅速响应,首次最高压力峰值显著降低,并且在首次压力峰值之后,压力波动快速稳定,管线压力降低到水击泄压阀的设定压力值,远低于无保护时的状态。

近快关阀端有/无泄压阀保护时P2压力曲线

1. 无泄漏压阀保护2. 有泄压阀保护

图4 近快关阀端有/无泄压阀保护时P2压力曲线

  在不同的安装位置,泄压阀都能够迅速响应,快速消除水击压力峰值,保护管线。水击工况下,泄压阀动作性能稳定,密封良好,关闭平稳,无二次水击现象( 表1) 。

表1 泄压阀动作性能

泄压阀动作性能

近泵端有/无泄压阀保护时P1压力曲线

1. 无泄漏压阀保护2. 有泄压阀保护

图5 近泵端有/无泄压阀保护时P1压力曲线

  4.2、流通能力

  泄压阀需要较大的瞬时泄放量,因此对其流通能力具有一定的要求。泄压阀使用额定流量系数CV衡量其流通能力。阀门的额定流量与CV值成

  正比,CV值越大,阀门的额定流量越大。为保证流通能力满足要求,进行全开度下额定流量系数的测量试验( 图6、图7) 。

CV值试验系统

1. 压力源2. 试验段前节流阀3. 温度传感器4. 流量传感器5. 试验样阀6. 试验段管路7. 试验段后节流阀8. 压力测点

图6 CV值试验系统

  依据流道结构最终设计方案,对泄压阀样阀的全开状态、不同压力条件下的流动情况进行了CFD模拟,并获得各对应工况下的流通能力( 即质量流量) 。通过仿真计算与试验对比可知( 图8) ,仿真结果与试验数据基本吻合,与理论分析的趋势也保持一致。

泄压阀实测CV值

图7 泄压阀实测CV值

流量曲线计算结果和试验结果对比

1. 模拟2. 试验

图8 流量曲线计算结果和试验结果对比

5、结语

  先导式水击泄压阀为自力式大泄放量的水击泄压阀,通过机械导阀感应管道压力对主阀瓣的动作进行控制,实现迅速响应和准确开启,安可靠地保护管道设备,广泛的应用于长输行业中。泄压阀动作性能稳定,关闭平稳,无二次水击现象产生,流通能力强,能够提供足够的消除水击所需要的瞬间泄放量。

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