安全阀的密封与开启原理

（１）直接作用式 这种安全阀是直接依靠介质压力产生的作用力来克服作用在阀瓣上的机械载荷使安全阀开启的，作用在阀瓣上的机械载荷主要来自重锤、重锤加杠杆或压缩弹簧，这种几乎是固定的机械载荷。要想保证安全阀的密封性能，势必阀座密封面和阀瓣密封面的平整度和表面粗糙度有严格的要求。虽然对于压缩弹簧加载的安全阀，可以通过调整弹簧力来达到密封，但密封压差又有严格的要求。密封压差是整定压力同工作压力之差。密封压差必须足够高，以保证足够的密封力，从而在装置正常运行时达到密封。密封压差还应小于启闭压差，以确保安全阀在高于工作压力下开启。

通常推荐的最小密封压差为，当工作压力小于等于７ＭＰａ时为整定压力的１０%，但不得小于３５ｋＰａ；当工作压力大于７ＭＰａ时，为整定压力的７%。对于金属密封的安全阀，如果使用于有毒、腐蚀性、低温或特别贵重的介质，或者当系统压力如在往复式泵或压缩机的出口管道中那样，为波动的情形，则可能不得不增大上述密封压差值。

此外，用于气体或蒸汽的安全阀的启闭压差可以高达１５%；用于液体的安全阀可高达２０%。因而，要使安全阀在不低于工作压力下关闭的话，密封压差就必须要相应地增加。

启闭压差是整定压力与回座压力之差。从经济的观点出发，启闭压差应尽可能小，以避免不必要的介质损失。但从安全阀动作的稳定性着眼，又希望有较大的启闭压差。因而只好采取折中的办法。

在有关安全阀的规范中往往对启闭压差的极限值有所规定。国际标准ＩＳＯ ４１２６中，对用于气体或蒸汽的安全阀及安全泄放阀推荐的启闭压差极限值如下。

１）如果启闭压差是可调的，则其下限值为２.５%，上限值为７%。但下列情形例外：若阀座孔直径小于１５ｍｍ，启闭压差应不大于１５%。若整定压力小于３００ｋＰａ，启闭压差应不大于３０ｋＰａ。

２）如果启闭压差不可调，则其上限值为１５%。

在上述国际标准中，对用于液体的安全阀，推荐启闭压差最大值为２０%。

开启压差是全启式安全阀开启压力与整定压力之差。从缩短安全阀处于微开启状态时动作阶段的观点来看，希望开启压差小一些好。但如果开启压差过小，则对用于气体或蒸汽的安全阀来说，密封面处的泄漏就可能引起安全阀过早地突跳开启。由于此时的流量还不足以使安全阀保持在全启状态，结果安全阀将接连不断地快速开启和关闭。在实际应用中，依安全阀的结构不同，用于气体或蒸汽的全启式安全阀的开启压差在１%～５%范围内；而用于液体的安全阀的开启压差可在６%～２０%之间变化。

综上所述，安全阀不但对密封有严格的要求，而且对整定压力、回座压力、开启压力、排放压力等都有严格的要求。这就要求在安全阀的制造过程中，为了保证安全阀的密封和动作的灵敏性，不但要求阀座密封面和阀瓣密封面的平整度和表面粗糙度有严格的要求，其表面粗糙度的数值在Ｒａ０.２μｍ以下，还对弹簧的制造尺寸、材料、热处理有严格的要求。必须保证弹簧的制造完全符合设计图样的要求，这样才能保证安全阀的所有性能。

（２）先导式安全阀 先导式安全阀是由一个主阀（安全阀）和一个先导阀（直接作用式安全阀）组成，主阀是真正的安全阀，而先导阀是用来感受受压系统的压力并使主阀开启和关闭。

要保证先导式安全阀的密封性能和其他各项性能指标，不但对主阀的阀座密封面和阀瓣密封面的平整度和表面粗糙度有严格的要求。而且对先导阀的阀座密封面和阀瓣密封面的平整度和表面粗糙度亦有严格的要求，同时对压缩弹簧的几何尺寸、材料、热处理也有严格的要求。这样才能满足密封比压的要求。

要保持主阀的关闭力，以及操纵主阀和先导阀，能量可能来自系统介质、一个外部的能源，或者来自这两者。当系统压力开始超过一个整定的极限值时，先导阀或者通过除去或减少关闭力而让系统介质迫使主阀开启；或者产生一个力来使主阀开启。当系统压力降低以后，先导阀再重新产生关闭力，或者将开启力消除。按照这样的开启和关闭模式，能够在安全阀开启之前保持一个大的关闭力。因此，先导式安全阀甚至在运行压力接近整定压力的情况下也能保持高度的密封性能。

先导式安全阀在即将开启之前关闭力的大小可能是不受限制的，但对于某些结构的先导式安全阀也可能是通过选择加以限制的。所谓关闭力是有限的，指的是一旦先导阀失效时，系统压力能够在允许的超过压力范围内使主阀开启。对于关闭力有限的先导式安全阀，其安装要求通常不像具有无限关闭力的先导式安全阀那样严格。

操作介质的获得，从容易得到的观点出发，最可靠的莫过于系统介质本身了。但是，先导阀却必须设计成能适应于处在操作条件下的该种介质。

而另一方面，在使用系统介质本身有困难的场合，选择外部操作介质则可能简化先导式安全阀的设计。这样的操作介质通常有压缩空气、液体，也可以采用电能操作。

主阀操作原理：主阀可以设计成随其先导阀被供给能量或失去能量而开启的两种形式。若采用供能开启原理。当万一发生事故使先导阀失去能量时，将使主阀保持关闭。因此，在这种场合采用系统介质作为操作介质是最安全的。不过，某些规范也允许采用外部操作介质，只要这些操作介质系由几个独立的能源供给，或者只要先导式安全阀载荷是有限的。若采用失能开启原理，依先导式安全阀设计结构不同，先导阀失能将使主阀在低于或等于整定压力时自动开启。于是，在这种情况下，主阀的失效保护操作将不受操作介质的影响。

先导阀的操作原理：先导阀可以设计成随着它被供给能量或失去能量而使主阀开启（排放）的两种形式。若采用供能释放原理，当万一发生事故而失去能量时，将使主阀保持关闭。因此，在这种场合使用的先导式安全阀采用系统介质作为操作介质是最安全的。不过，某些规范也允许采用外部操作介质，只要这些操作介质系由几个独立的能源供给，或者只要先导式安全阀的载荷是有限的。若采用失能释放原理，失能将使主阀开启。于是在这种情况下，先导阀的失效保护操作将不受操作介质的影响。(www.xing528.com)

１）由系统介质操作的主阀。按照主阀的不同操作原理，允许有若干种不同的结构设计。图４-９～图４-１２所示的先导式安全阀为典型的代表性结构。前两种先导式安全阀系按照失能开启原理操作，而后两种先导式安全阀系按照供能开启原理操作。

图４-９ 失能开启（介质压力）先导式安全阀之一

图４-１０ 失能开启（介质压力）先导式安全阀之二

这些先导式安全阀的关闭力是以三种方法提供的：其一，由直接作用在阀瓣上的介质压力提供，如图４-９及图４-１０所示；其二，由弹簧提供，如图４-１２所示；其三，由作用在先导阀活塞上的介质压力提供，如图４-１１所示。这后一类先导式安全阀的先导阀活塞必须配有有效的密封圈，能够在先导式安全阀关闭时的最大管线压力下保持密封。

２）由外部介质操纵的主阀。在图４-１３～图４-１５所示的先导式安全阀中，弹簧加载主阀的驱动机构是由外部介质供给能源的。图４-１３、图４-１５所使用的能源为压缩空气，图４-１４所使用的是电能。

图４-１１ 供能开启先导式安全阀之一

图４-１２ 供能开启先导式安全阀之二

图４-１３所示的先导式安全阀按失能开启原理操纵。其驱动机构由一个气动马达组成，在正常运行条件下，气动马达对阀杆施加一个向下的推力，同弹簧一起使安全阀保持关闭，并达到密封。当运行压力达到整定压力时，气动马达则产生一个提升力，并同作用在阀瓣下方的介质压力一道使安全阀开启。一旦气动马达能源断绝时，安全阀将如同一个直接作用式安全阀那样开启。

图４-１３ 失能开启（气动）先导式安全阀

图４-１４ 失能开启（电动）先导式安全阀

图４-１４所示的先导式安全阀同样是按失能开启原理操作。在正常运行压力下，电磁铁通电施力于阀杆并同主弹簧一起使安全阀保持关闭，并达到密封。当运行压力达到整定压力时，电磁铁失电，先导式安全阀像直接作用式安全阀一样开启。

图４-１５所示的先导式安全阀按供能开启原理操作。在这种场合，先导式安全阀的关闭力仅由弹簧提供。并保持密封。当运行压力达到整定压力时，由空气操纵的提升马达被供能。由此产生的提升力正好使由弹簧产生的关闭力减小到使作用在阀瓣下方的介质力能将安全阀开启的程度。这种先导式安全阀是这样设计的，即当提升马达失效时，介质压力仍然可以在允许超压的范围内使阀门开启。

图４-１５ 供能开启先导式安全阀主阀

图４-１６ 具有安全和控制双重功能的主阀

３）具有安全和控制双重功能的主阀。安全阀的功能还可以同控制阀的功能结合起来，图４-１６所示用于蒸汽发电设备的高压旁路安全阀就是一例。其主阀配备一个液压为动力的驱动机构，按失能开启原理操作。与此同时，位于液压控制管线上的先导阀则以失能释放原理操作。

图４-１７所示为图４-１６所示安全阀的典型安装方式。当发电设备正常运行时，安全阀作为一个自动高压旁通阀工作，向再热系统供汽。再热系统则通过一个低压旁通阀同冷凝器连接，并由一个直接向大气排放的单独安全阀来保护。如果由于汽轮机卸载而使高压系统中的压力突然升高时，安全先导阀使驱动机构失能。于是，蒸汽压力在一个对驱动机构活塞作开启方向作用的弹簧的帮助下使主阀迅速开启。

图４-１７ 用于蒸汽发电设备、具有安全和控制双重功能的先导式安全阀的典型安装方式