閥門知識

API 規(guī)范平安閥的開發(fā)與應(yīng)用如何？

答：引見 API （American Petroleum Institute 美國石油學(xué)會(huì)）規(guī)范平安閥的標(biāo)準(zhǔn)和特性，闡述了在開發(fā)該產(chǎn)品中所停止的性能實(shí)驗(yàn)和流場仿真方面的研討工作。提出了推行應(yīng)用的倡議。

1）概念：我國的平安閥根本上是依照機(jī)械行業(yè)規(guī)范停止設(shè)計(jì)制造。20 世紀(jì) 70 年代以后，隨著我國變革開放和國名經(jīng)濟(jì)疾速開展，從國外引進(jìn)了大量石油、化工、能源、冶金和紡織等安裝及設(shè)備，同時(shí)隨機(jī)進(jìn)口了大量國外平安閥。這些平安閥大局部是依照 API 規(guī)范設(shè)計(jì)、制造、實(shí)驗(yàn)和驗(yàn)收。由于 API 規(guī)范平安閥與 JB 平安閥相比，具有顯著的特性和先進(jìn)性，因此近幾年來，一些企業(yè)請求，裝置在易燃、易爆、有害或有毒介質(zhì)的設(shè)備及管道上的平安閥，宜選用 API 規(guī)范平安閥。為了順應(yīng)各類安裝對平安閥的需求，對 API 規(guī)范平安閥停止了討論和研討。

（2）特性

1）相關(guān)規(guī)范：與 API 規(guī)范平安閥相關(guān)的常用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)如下。

API RP 520 煉油廠泄壓安裝的定徑、選擇和裝置

第Ⅰ局部 定徑和選擇

第Ⅱ局部 裝置

API Std526 鋼制法蘭泄壓閥

API Std527 泄壓閥閥座的密封性

API RP 576 泄壓安裝的檢查

ASME 鍋爐與壓力容器標(biāo)準(zhǔn)第 Ⅷ 卷

第一冊 壓力容器泄壓安裝

ASME PTC25 泄壓安裝—性能實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

2）名詞術(shù)語：API 規(guī)范的某些名詞術(shù)語與我國國內(nèi)習(xí)氣用語不分歧，故予以闡明。

①泄壓安裝（Pressure Velief Device）。泄壓安裝是避免工藝系統(tǒng)或承壓容器由于事故或不正常工況期間流體壓力升高而超越預(yù)定壓力值。常有的有彈簧直接載荷式泄壓閥、先導(dǎo)式泄壓閥和爆破片等。

②泄壓閥（Pressure Relief Valve）。泄壓閥是一種泄壓安裝，在系統(tǒng)超壓時(shí)閥門開啟，而當(dāng)系統(tǒng)壓力恢復(fù)到正常后閥門關(guān)閉，從而避免介質(zhì)繼續(xù)外流。常見有的平安閥、泄放閥、先導(dǎo)式泄壓閥等。

③平安閥（Safety Valve）。平安閥是一種由入口靜壓力驅(qū)動(dòng)，并以快速開啟或突跳動(dòng)作為特征的泄壓閥。其應(yīng)用與可緊縮流體。

④泄放閥（Relief Valve）。泄放閥是一種由入口靜壓力驅(qū)動(dòng)的泄壓閥，其開啟通常與超越壓力的壓力升高成比例。其應(yīng)用于不可緊縮流體。

⑤平安泄放閥（Safety Relief Valve）。平安泄壓閥是一種依應(yīng)用狀況而作為平安閥或泄放閥的泄壓閥。

3）根本請求：

①平安閥的流道面積（代號）、進(jìn)出口通徑、壓力級（磅級）、根本資料、壓力-溫度范圍和進(jìn)出口裝置尺寸按 API Std 526 規(guī)則。

②平安閥的整定壓力（Pa）允許偏向與整定壓力有關(guān)。當(dāng) Pa≤0.5MPa 時(shí)，允許偏向?yàn)?±0.015MPa。當(dāng) Pa＞0.5時(shí)，允許偏向?yàn)?±3%Pa。

③平安閥的設(shè)計(jì)和制造按 ASME《鍋爐與壓力容器標(biāo)準(zhǔn)》第 Ⅷ 卷規(guī)則。其根本條件包括機(jī)械動(dòng)作，資料選擇、制造及裝配的檢查制造廠及裝配廠的產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)、焊接及其他等七個(gè)方面。

如對閥瓣、閥座、彈簧、導(dǎo)套、提升安裝的構(gòu)造設(shè)計(jì)和資料選擇請求，對制造廠及裝配廠的制造、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和質(zhì)量控制程序的請求，如受壓件的強(qiáng)度和氣密實(shí)驗(yàn)請求、對實(shí)驗(yàn)安裝、容器和實(shí)驗(yàn)辦法的請求等。

④標(biāo)以 ASME《鍋爐與壓力容器標(biāo)準(zhǔn)》第 Ⅷ 卷標(biāo)志的泄壓閥的排量考證實(shí)驗(yàn)應(yīng)在不超越開啟壓力的 10% 或 0.02MPa 壓力下停止。

4）規(guī)范比擬：JB、GB 和 API 規(guī)范平安閥的比擬見表 1-8。

5）條款特性：

①規(guī)則。API 規(guī)范對平安閥的構(gòu)造設(shè)計(jì)、排量計(jì)算、規(guī)格、壓力級、資料、制造、實(shí)驗(yàn)、運(yùn)輸、裝置、運(yùn)用、檢查及維修，均有完好和全面的根本請求。

API RP 520、576 引見了各品種型平安閥的機(jī)構(gòu)及其特性。

API RP 520 第Ⅰ局部列出各種流體介質(zhì)（氣體、水蒸氣、液體及兩相流）排量下所需流道面積的計(jì)算辦法，并給出相關(guān)修正系數(shù)。

API Std 526 規(guī)則了 14 種流道直徑（喉徑）再不用溫度和壓力下的各種規(guī)格、壓力級及根本資料請求，并規(guī)則必需執(zhí)行 AMSE 標(biāo)準(zhǔn)的相應(yīng)制造和實(shí)驗(yàn)請求。

API Std 527 規(guī)則了泄壓閥的密封性實(shí)驗(yàn)辦法和請求。

API RP 520 第Ⅱ局部列出有關(guān)裝置發(fā)面的一些請求。

API RP 576 列出泄壓安裝的檢查和維修請求。

ASME PTC 25 為泄壓安裝的實(shí)驗(yàn)安裝、實(shí)驗(yàn)辦法和實(shí)驗(yàn)報(bào)告提供了規(guī)范。

②規(guī)格和種類。API 規(guī)范平安閥規(guī)格和種類較多。

彈簧載荷式平安閥的公稱尺寸為 1~8in.（25~200mm），有 14 種（D~T）流道直徑（d0=9.5~146mm），21 種規(guī)格，6 種壓力級（150~2500lb），-268~260℃ 的溫度范圍。

API 規(guī)范范圍閥規(guī)格、種類多，便于選擇合理規(guī)格的平安閥。

③溫度—壓力級。API 規(guī)范平安閥依據(jù)所需排量計(jì)算肯定留到面積后，依照該流道面積表中的溫度范圍和允許的最高整定壓力，肯定合適的壓力等級。

④資料。閥瓣、閥座及導(dǎo)向零件應(yīng)是耐蝕資料制成，應(yīng)能滿足溫度和運(yùn)用條件。按照運(yùn)用的溫度，選用合適的閥體、閥蓋及彈簧資料。閥體和閥蓋的資料能夠不同，但必需滿足最低的壓力—溫度請求，規(guī)范中規(guī)則了閥體、閥蓋和彈簧資料的最低等級牌號。

⑤制造廠和實(shí)驗(yàn)安裝請求。制造廠的工藝配備、實(shí)驗(yàn)配備以及質(zhì)量控制程序可以保證所消費(fèi)平安法的性能分歧性。平安閥性能實(shí)驗(yàn)安裝和容器應(yīng)有足夠尺寸和容量。

⑥運(yùn)輸和裝置。平安閥運(yùn)輸中應(yīng)有維護(hù)堵蓋（塞）。平安閥人口管道的壓力損失 Δp≤3%pa。

（3）研制

由于依照 API 規(guī)范消費(fèi)平安閥與依照 JB 消費(fèi)平安閥存在差別，因此產(chǎn)品制造過程中常呈現(xiàn)許多問題。如構(gòu)造設(shè)計(jì)不合理，資料選用不當(dāng)，整定壓力過高或?qū)嵺`排放量不滿足請求等。

為了完好全面的理解、熟習(xí)和控制 API 規(guī)范（AMSE 標(biāo)準(zhǔn)）相關(guān)內(nèi)容和請求，有必要對 API 規(guī)范平安閥停止深化研討，以顯現(xiàn)其特性和先進(jìn)性。對 API 規(guī)范平安閥主要研討包括實(shí)驗(yàn)研討和建模研討。

1）性能實(shí)驗(yàn)研討：

①實(shí)驗(yàn)安裝。為了停止平安閥的性能及排量實(shí)驗(yàn)研討，依照 ASME PTC 25《泄壓安裝—性能實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》的請求建立了平安閥全性能實(shí)驗(yàn)安裝。改實(shí)驗(yàn)安裝主要由大量空氣緊縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、流量調(diào)理閥、控制閥、實(shí)驗(yàn)容器及工位、流量計(jì)、壓力傳感器、溫度傳感器、位移傳感器、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集及處置系統(tǒng)等組成。

實(shí)驗(yàn)安裝共設(shè)三個(gè)實(shí)驗(yàn)工位。最大實(shí)驗(yàn)閥通徑 8in.（200mm），最高實(shí)驗(yàn)壓力 23MPa，最高實(shí)驗(yàn)流量 100t/h（空氣）。實(shí)驗(yàn)工位的實(shí)驗(yàn)容器的容積分別為 4.5m³、1.5m³、0.014m³。

為了更好地比擬實(shí)驗(yàn)安裝才能對平安閥性能的影響，隨后又建造了容積為 0.5m³的實(shí)驗(yàn)安裝。典型平安閥的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線如圖 1-6~1-8。

圖 1-6 入口壓力與開啟高度曲線

圖 1-7 開啟高度與流量曲線

圖 1-8 平安閥發(fā)證顫振時(shí)的開啟高度曲線

②性能及排量實(shí)驗(yàn)。平安閥的流道構(gòu)造設(shè)計(jì)對其性能及排量有重量影響。API Std 526 規(guī)范規(guī)則了平安閥的凈出口及流道尺寸，其出口面積與流道面積的比例為 64.26~3.02，與 JB 規(guī)則的 4.13~3.06 相比范圍及比例均較大，特別關(guān)于通徑較小者有顯著差異，停止了性能和排量實(shí)驗(yàn)。大量實(shí)驗(yàn)標(biāo)明：a.實(shí)驗(yàn)安裝性能對平安閥的性能有重要影響。經(jīng)過對五種規(guī)格（II/2h4、2J3、3K4、3L4、4M6）的平安閥在不同實(shí)驗(yàn)安裝上比照實(shí)驗(yàn)構(gòu)造能夠得出，實(shí)驗(yàn)安裝的容量對平安閥整定壓力和啟跳壓力根本無影響。只要實(shí)驗(yàn)安裝容量足夠大時(shí)，才干斷定平安閥的回座壓力及機(jī)械特性能否契合請求。b.與 API Std 526 規(guī)范平安閥相比，出口面積較小的 JB 平安閥其排量系數(shù)較小。在實(shí)驗(yàn)安裝上對 API 和 JB 兩種規(guī)范的平安閥停止了排量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)標(biāo)明，JB 平安閥的出口面積較小者，影響到其排量系數(shù)減小。普通 JB 平安閥的排量系數(shù)為 0.8~0.9。而按 API 規(guī)范的平安閥其排量系數(shù)可達(dá) 0.98。

③ 背壓實(shí)驗(yàn)。平安閥的出口背壓時(shí)其性能有較大影響。較高的被壓會(huì)影響到平安閥的動(dòng)作性能及其排量。平安閥背壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖 1-9 所示。

圖 1-9 平安閥背壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

背壓經(jīng)過背壓發(fā)作器產(chǎn)生，調(diào)理背壓主要是經(jīng)過改動(dòng)背壓器中背壓調(diào)理器孔板尺寸來調(diào)理發(fā)作閥出口排放背壓。經(jīng)過背壓實(shí)驗(yàn)，得出兩點(diǎn)經(jīng)歷：a.排放背壓存在臨界值，超越允許值后，會(huì)招致平安閥機(jī)械性能遭到毀壞，惹起平安閥顫振等現(xiàn)象，排放過程不穩(wěn)定。b.平安閥開啟高度隨排放背壓的升高而減少，排放背壓的存在，惹起開啟高度的降低，招致平安閥的實(shí)踐排量降低。

2）流場仿真：固然借助于先進(jìn)的性能實(shí)驗(yàn)安裝，在平安閥動(dòng)作特性和排量等方面上取得了許多成果，但是實(shí)驗(yàn)研討卻存在著投入大、周期長、辦法有局限的問題。所以將計(jì)算流膂力學(xué)（CFD）應(yīng)用到平安閥的根底理論研討中。應(yīng)用計(jì)算流膂力學(xué)軟件，樹立了一些平安閥內(nèi)部流場的三維模型。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)考證，這些模型具有足夠的精度和牢靠性，完整能夠用于工程研討，其中兩個(gè)算例所得到的排量數(shù)值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比照見表 1-9。

經(jīng)過對平安閥內(nèi)部流場研討，對平安閥的內(nèi)部活動(dòng)有了全新的認(rèn)識。在平安閥整個(gè)流道中，發(fā)作的喉部是最小的幾何流通截面。所以在平安閥的工程計(jì)算和設(shè)計(jì)過程中，這個(gè)流道面積就被假定為整個(gè)流道中的實(shí)踐最小氣動(dòng)流通面積，假如該流場處于臨界或超臨界活動(dòng)狀態(tài)，則在閥座喉部處到達(dá)音速。

以往經(jīng)過實(shí)驗(yàn)辦法，曾經(jīng)證明這個(gè)假定存在問題，平安閥的臨界界面不在閥座喉部，而是在其下游。但是終究是什么樣的流場形態(tài)，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的機(jī)理是什么，這些實(shí)驗(yàn)很難解答的問題若經(jīng)過流場仿真就能夠很容易地解答。

圖 1-10 為某規(guī)格平安閥內(nèi)部流場中音速和超音速區(qū)域的馬赫數(shù)等值線圖。從圖中能夠看出，介質(zhì)在閥座喉部的活動(dòng)是亞聲速的，實(shí)踐的氣動(dòng)臨界截面位于閥座與閥瓣之間構(gòu)成的圓柱側(cè)面上。

圖 1-10 平安閥內(nèi)部流場中的馬赫數(shù)等值線圖

（4）結(jié)語

由于 API 規(guī)范平安閥與 JB 平安法相比，具有顯著的特性和先進(jìn)性。因此近年來，API 規(guī)范平安閥在我國得到越來越普遍的應(yīng)用。從目前現(xiàn)狀剖析，提出幾點(diǎn)倡議：

1）平安法制造廠、檢驗(yàn)單位以及運(yùn)用部門需全面、完好地理解、熟習(xí)和控制 API 規(guī)范（ASME 標(biāo)準(zhǔn)）相關(guān)內(nèi)容和請求。

2）設(shè)計(jì)單位與制造廠商嚴(yán)厲遵照 API 規(guī)范（ASME 標(biāo)準(zhǔn)）請求停止平安法的設(shè)計(jì)選型、選材和制造。

3）各制造廠對消費(fèi)的 API 規(guī)范平安閥應(yīng)展開充沛的性能研討工作，以顯現(xiàn) API 規(guī)范平安閥的特性。各制造廠應(yīng)經(jīng)過具有資質(zhì)的檢測部門肯定平安閥的排量系數(shù)以供用戶選型時(shí)運(yùn)用。

4）目前國內(nèi)平安閥制造廠的消費(fèi)手腕和實(shí)驗(yàn)條件較國外廠家有較大差距，特別在實(shí)驗(yàn)條件方面。因此，倡議平安法制造廠和檢驗(yàn)單位應(yīng)發(fā)明條件滿足平安閥性能實(shí)驗(yàn)的請求。例如，關(guān)于實(shí)驗(yàn)安裝和容器應(yīng)有足夠尺寸和容量。這觸及回座壓力的精確性以及力學(xué)性能的判別。

5）平安閥運(yùn)用單位應(yīng)向供貨單位（制造廠）提出平安閥的明白訂貨請求，并在收貨時(shí)索要相關(guān)文件（例如合格證、質(zhì)量證明書、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等）以及停止必要項(xiàng)目的驗(yàn)收。