先導式水擊泄壓閥的試驗研究
介紹了先導式水擊泄壓閥的結構特點(diǎn)和工作原理，論述了閥門(mén)動(dòng)作特性和流量特性的試驗方法和結果。
1、概述
在油品的長(cháng)輸管道中突然停泵、開(kāi)關(guān)閥門(mén)過(guò)快或機組轉速變化等，均會(huì )引起管道中油流的驟變，這種變化產(chǎn)生一種壓力波，在管線(xiàn)中迅速傳遞，產(chǎn)生水擊。國內外長(cháng)輸管道的發(fā)展趨勢是管道網(wǎng)絡(luò )化和密閉輸送，這就使長(cháng)輸管道水力系統更復雜，更容易形成水擊。當管道中發(fā)生水擊，并且壓力峰達到水擊泄壓閥的設定值時(shí)，水擊泄壓閥快速開(kāi)啟，部分油品泄入到泄壓罐。由于水擊泄壓閥的開(kāi)啟使管路中液體的體積發(fā)生了變化，液體的壓能得到釋放，使水擊壓力波的強度得到減弱，因此起到了保護管道和設備安全的目的。水擊泄壓閥以非直接作用式為主，其中先導式水擊泄壓閥( 以下簡(jiǎn)稱(chēng)泄壓閥) 相比于其他控制類(lèi)型的水擊泄壓閥，具有流通能力強、反應靈敏、無(wú)需外力控制和溫度適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。
2、工作原理
泄壓閥由主閥和導閥組成，導閥響應系統介質(zhì)壓力自身動(dòng)作從而控制主閥的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。其導閥能夠快速響應入口壓力的變化，在管道內水擊波傳遞到閥前，系統壓力超過(guò)設定壓力值后，導閥迅速開(kāi)啟，并控制主閥迅速打開(kāi)。先導式水擊泄壓閥屬于自動(dòng)泄壓閥，其驅動(dòng)力為管道中的介質(zhì)壓力。泄壓閥并聯(lián)安裝在受保護管線(xiàn)上，閥門(mén)上游一側與受保護的管線(xiàn)相連通，下游一側與泄放管線(xiàn)相連( 圖1) 。
1. 主閥2. 導閥3. 遠程壓力管
圖1 泄壓閥安裝方式
泄壓閥( 圖2) 的主閥本體是軸流式的，整體分為主閥入口、主閥內腔氣室和主閥出口3 部分。取壓點(diǎn)設在水擊泄壓閥的上游管線(xiàn)上，上游管道中的壓力通過(guò)遠程壓力管進(jìn)入導閥，導閥通過(guò)壓力管分別與主閥內腔氣室和主閥出口相連。
1. 閥體2. 閥瓣3. 彈簧4. 固定套5. 導套6. 密封件7. 閥座8. 過(guò)濾器9. 導閥10. 壓力管
圖2 泄壓閥
在正常工作狀態(tài)下，上游管道中的壓力進(jìn)入導閥，通過(guò)氣室壓力管進(jìn)入主閥內腔氣室，主閥閥瓣在系統壓力的作用下與密封件接觸，從而保持關(guān)閉。當管道中產(chǎn)生水擊時(shí)，上游管道壓力超過(guò)設定壓力，導閥動(dòng)作，切斷主閥內腔與上游系統壓力的連通，泄放主閥內腔壓力到主閥出口。主閥內腔失去介質(zhì)力的作用，閥瓣左移，主閥開(kāi)啟，迅速泄放部分介質(zhì)，消減水擊壓力峰，從而起到保護作用。隨著(zhù)水擊泄放閥的開(kāi)啟，水擊波的能量得到釋放。如果管道壓力降至水擊泄壓閥設定值以下，介質(zhì)重新進(jìn)入主閥內腔氣室，作用在主閥閥瓣上，主閥閥瓣右移，泄壓閥重新關(guān)閉，恢復到正常運行狀態(tài)。
3、結構特點(diǎn)
隨著(zhù)長(cháng)輸管線(xiàn)的發(fā)展，泄壓閥對泄放量的需求也越來(lái)越高，產(chǎn)品結構逐漸發(fā)展為具有高泄放能力，排放噪聲更小，結構緊湊的軸流式主閥。主閥內芯設計為橄欖形，與閥體配合形成合理的泄放流道，提供消除水擊所需的瞬間泄放量。泄壓閥通過(guò)導閥感受水擊壓力控制泄壓閥的開(kāi)啟及關(guān)閉，為非直接作用式泄壓閥，主要控制功能均由導閥實(shí)現，因此導閥具備能夠快速響應入口壓力變化的能力。在管道內水擊波傳遞到閥前，系統壓力超過(guò)設定壓力值后，導閥迅速開(kāi)啟，并控制主閥迅速打開(kāi)。導閥應適用于液體介質(zhì)，對主閥關(guān)閉過(guò)程緩慢控制，不會(huì )形成二次水擊。
泄壓閥工作介質(zhì)一般為易燃易爆的油品，從環(huán)保及安全角度考慮，導閥不能排空，出口必須接入主閥出口。主閥出口與帶壓管線(xiàn)相連，可能存在背壓，因此導閥應具備承受背壓特性，確保水擊泄壓閥的設定壓力及動(dòng)作性能不受背壓影響。
4、性能試驗
為了對泄壓閥的動(dòng)作特性及流量特性進(jìn)行研究，進(jìn)行了水擊動(dòng)作試驗和流量試驗。
4.1、水擊動(dòng)作
泄壓閥能夠迅速開(kāi)啟，平穩關(guān)閉至關(guān)重要。為研究其動(dòng)作特性，分別進(jìn)行了在近泵端和近快關(guān)閥端的有或無(wú)泄壓閥的水擊試驗( 圖3) 。試驗介質(zhì)水及其環(huán)境溫度為10 ～ 12℃。
1. 水源2. 水泵3. 流量計4. 快關(guān)閥5. 水擊泄壓閥6. 快關(guān)閥7. 調節閥
圖3 水擊試驗系統
分析試驗結果( 圖4、圖5) ，不使用泄壓閥保護試驗系統時(shí)，迅速關(guān)閉快關(guān)閥，系統壓力在極短時(shí)間內出現峰值，其值為系統正常運行壓力的3 倍以上。在首次最高的壓力峰值后，系統壓力形成波形振蕩，其波動(dòng)隨著(zhù)時(shí)間的推移而逐漸衰減，4 ～ 5s 后系統中的壓力波動(dòng)逐漸穩定。壓力波動(dòng)穩定后，管線(xiàn)中持續壓力為原工作壓力的2 倍以上。使用泄壓閥時(shí)，由于泄壓閥的迅速響應，首次最高壓力峰值顯著(zhù)降低，并且在首次壓力峰值之后，壓力波動(dòng)快速穩定，管線(xiàn)壓力降低到水擊泄壓閥的設定壓力值，遠低于無(wú)保護時(shí)的狀態(tài)。
1. 無(wú)泄漏壓閥保護2. 有泄壓閥保護
圖4 近快關(guān)閥端有/無(wú)泄壓閥保護時(shí)P2壓力曲線(xiàn)
在不同的安裝位置，泄壓閥都能夠迅速響應，快速消除水擊壓力峰值，保護管線(xiàn)。水擊工況下，泄壓閥動(dòng)作性能穩定，密封良好，關(guān)閉平穩，無(wú)二次水擊現象( 表1) 。
表1 泄壓閥動(dòng)作性能
1. 無(wú)泄漏壓閥保護2. 有泄壓閥保護
圖5 近泵端有/無(wú)泄壓閥保護時(shí)P1壓力曲線(xiàn)
4.2、流通能力
泄壓閥需要較大的瞬時(shí)泄放量，因此對其流通能力具有一定的要求。泄壓閥使用額定流量系數CV衡量其流通能力。閥門(mén)的額定流量與CV值成
正比，CV值越大，閥門(mén)的額定流量越大。為保證流通能力滿(mǎn)足要求，進(jìn)行全開(kāi)度下額定流量系數的測量試驗( 圖6、圖7) 。
1. 壓力源2. 試驗段前節流閥3. 溫度傳感器4. 流量傳感器5. 試驗樣閥6. 試驗段管路7. 試驗段后節流閥8. 壓力測點(diǎn)
圖6 CV值試驗系統
依據流道結構最終設計方案，對泄壓閥樣閥的全開(kāi)狀態(tài)、不同壓力條件下的流動(dòng)情況進(jìn)行了CFD模擬，并獲得各對應工況下的流通能力( 即質(zhì)量流量) 。通過(guò)仿真計算與試驗對比可知( 圖8) ，仿真結果與試驗數據基本吻合，與理論分析的趨勢也保持一致。
圖7 泄壓閥實(shí)測CV值
1. 模擬2. 試驗
圖8 流量曲線(xiàn)計算結果和試驗結果對比
5、結語(yǔ)
先導式水擊泄壓閥為自力式大泄放量的水擊泄壓閥，通過(guò)機械導閥感應管道壓力對主閥瓣的動(dòng)作進(jìn)行控制，實(shí)現迅速響應和準確開(kāi)啟，安可靠地保護管道設備，廣泛的應用于長(cháng)輸行業(yè)中。泄壓閥動(dòng)作性能穩定，關(guān)閉平穩，無(wú)二次水擊現象產(chǎn)生，流通能力強，能夠提供足夠的消除水擊所需要的瞬間泄放量。
