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安全閥穩(wěn)態(tài)排量測試新技術(shù)研究

文檔作者：郭崇志劉佳文檔來源：華南理工大學		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月13日
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安全閥穩(wěn)態(tài)排量測試新技術(shù)研究
郭崇志，劉佳
(華南理工大學，廣東廣州510640)
摘要：排量是衡量安全閥性能的重要參數(shù)，因此其準確計算和評估極為重要。排量的標準測試方
法要求嚴格，測試繁瑣且難以實施。與多數(shù)文獻略去開啟過程動態(tài)效應(yīng)在固定開高狀態(tài)下進行排
量研究不同，文中研究了一種利用閥芯傳感器的測試數(shù)據(jù)來評估動態(tài)開啟穩(wěn)定排放階段排量的計
量方法。數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，超壓泄放過程的穩(wěn)態(tài)排放階段噴管的喉部位于簾面，并且發(fā)現(xiàn)，排放流體
處于跨音速流態(tài)。進一步的檢測技術(shù)研究表明，穩(wěn)態(tài)排量可以通過閥芯傳感器采集的穩(wěn)態(tài)排放數(shù)
據(jù)來確定和計量，進而可以實現(xiàn)額定排量評估。這種新的排量計量和測試技術(shù)改變了傳統(tǒng)的安全
閥流量測試思路，擴展了閥芯傳感器的應(yīng)用范圍，實現(xiàn)了一種簡便易行的排量測試技術(shù)，且具有足
夠的測試精度。
關(guān)鍵詞：安全閥；排量測試；排量評估；數(shù)值模擬；閥芯傳感器
中圖分類號：TH814；TH134；TQ056．1 文獻標志碼：A 文章編號：1001—4837(2014}02—0014—09
doi：10．3969／j．issn．1001—4837．2014．02．003
Study of a New Technology to Test the Discharge Rate of Safety
Valve on Steady Discharge State
GUO Chong—zhi，LIU Jia
(South China University of Technology，Guangzhou 510640，China)
Abstract：Discharge capacity is the most important parameter to measure the safety valve performance，SO
evaluating and measuring it accurately is extremely important．Standard test method of safety valve discharge
capacity is too complicated and strict to promote．Different from lots of experimental studies on the
discharge in most papers tested in a fixed opening height state which omitted the dynamic efects on tran—
sient opening process will cause deviations．This paper has studied a new evaluating method of discharge
in stable discharge stage by using the spool sensor tested data．Numerical simulations have found that the
theoretical nozzle throat located on the curtain face an d the relief fluid was in transonic flow stage when
the valve was in stable discharge stage caused by overpressure．Further detection technology studies have
shown that stable discharge could be determined and measured by the data of stable discharge stage col—
lected by spool sensor，an d could achieve the rated capacity assessment．This new detection method ex—
plored the discharge testing technology，revolutionized the traditional flow meter ideas，extended the applications
of the spool sensor，provided a simply approached testing method，and the accuracy is sufficient．
Key words：safety valve；discharge capacity testing；discharge capacity evaluate；numerical simulation；
spool sensor
第3l卷第2期 壓 力 容 器 第255期
0 引言
安全閥排放能力一般是在標準排量檢測裝置
上測試和標定的，排量試驗方法對測試裝置、檢測
元件及其布置，測試環(huán)境和操作程序有嚴格的要
求 。穩(wěn)態(tài)排量就是安全閥超壓開啟后處于穩(wěn)
定排放階段的時均質(zhì)量流量。圖1示出了文獻
[3—5]中提到的幾種排量測試裝置。其中，圖
1(a)為康德拉契娃_3 采用的排量測試裝置，這是
迄今為止能找到的最早公布的排量測試系統(tǒng)；圖
1(b)為她提出的可調(diào)背壓的排量測試裝置 ；圖
1(c)為文獻[4]中推薦的測試系統(tǒng)，其對管道長
度有嚴格要求；圖1(d)為文獻[5]提出的一種排
量測試系統(tǒng)，其特點是將原來位于流量計和測試
閥之間的容器(用于穩(wěn)定壓力)置于整流器之前。
(a) 排鞋測試實驗裝置
放大器
感器
(c) 文獻[4]中排量測試裝置
閥
閥
這些測試系統(tǒng)的共同特征都是在測試閥的前端設(shè)
置穩(wěn)定容器，安裝測試管路和儀表。標準的測試
還要求有較長的整流段管路，同時要求在穩(wěn)態(tài)流
動階段測取數(shù)據(jù)，在盡可能短的時間內(nèi)記錄數(shù)據(jù)。
為獲取穩(wěn)定狀態(tài)數(shù)據(jù)，一般應(yīng)采用大容量氣源或
中間容器維持穩(wěn)定排放。專業(yè)排量測試系統(tǒng)對裝
置和操作要求高，目前國內(nèi)僅有少數(shù)試驗機構(gòu)聲
稱擁有相應(yīng)測試條件。文獻[6]對API安全閥進
行了系列測試，其排量測試曲線呈現(xiàn)的穩(wěn)定狀態(tài)
時間很短且不穩(wěn)定，這說明排量測試穩(wěn)態(tài)條件其
實很難達到。筆者的測試也表明，即使有大容量
和高壓容器作為后備氣源，在開啟條件下要獲得
規(guī)范要求的穩(wěn)態(tài)流動條件也很困難，尤其是大容
量壓力容器和管道的安全閥排量測試，穩(wěn)態(tài)測試
條件很難實現(xiàn)。
形閥
溫度測點 壓差計 溫度測點 背壓測量器
和調(diào)節(jié)器
(b) 空氣排量測試裝置
圖1 各種排量測試裝置
在這種情況下，如何準確測試和評估安全閥
的實際排量就顯得非常重要。由于標準試驗方法
均要求安全閥處于全開啟狀態(tài)，而試驗測試表明，
(d) 文獻[5]中推薦的排量測試裝置
闕
閥
安全閥在給定整定壓力下，有的無法達到全開啟
高度。因此，如何評估實用安全閥是否具有足夠
排量，從而保證其本質(zhì)安全，實際上卻仍然是一個
· l5·
CPVT 安全閥穩(wěn)態(tài)排量測試新技術(shù)研究
沒有認真研究過的問題。
以前的測試方法均要求在流體流動通道中布
置流量計和其他傳感器，并測取穩(wěn)態(tài)流數(shù)據(jù)來評
估排量。文中基于閥芯傳感器穩(wěn)定和良好的測試
性能 和大量開展的安全閥動態(tài)開啟過程數(shù)值
模擬以及試驗測試確定的簾面上部均勻穩(wěn)定的超
臨界流動特性，分析了以簾面為計算排量的噴管
模型、閥芯傳感器測試數(shù)據(jù)用于排量計算的可行
性?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)驗證表明，這種方法具有很高的可
靠性以及測試的便利性。這種測試技術(shù)避免了繁
瑣和昂貴的實驗設(shè)備及其嚴格的測試與布置要
求、且無需在流道中安裝流量計(從而干擾流體
的流動)，只利用帶有傳感器的閥芯就可以實現(xiàn)
無干擾、快速方便的安全閥排量評估。
1 測試方案
1．1 測試理論依據(jù)
理論排量計算公式是以可壓縮流體穩(wěn)定絕熱
等熵流動條件推導的，涉及質(zhì)量、動量、能量守恒
和氣體狀態(tài)方程。其一般形式為：
A√ Pop0[c 一c 川
(1)
式中q ——質(zhì)量流量，k s
A——流道截面積，m
P。—— 介質(zhì)密度，kg／m
2，O— — 下標，出口和入口截面參數(shù)
當 ／12=( l-) ”時，流量取極大值：
A√ ‰( ” (2)
轉(zhuǎn)換得到標準 中臨界流動的排量理論計
算公式：
層 (3)
式中P 為排放口絕對壓力，按上式推導可知
是安全閥人口截面壓力，相當于理論噴管中入口
壓力，即氣體流動起始位置處壓力，可認為是滯止
參數(shù)；T為入口初始溫度，并非排放口溫度。由于
排放口是否進入臨界流難以事先判斷，文中采用
式(2)作為排量計算的參照。
1．2 排量測試技術(shù)分析
． 16 ．
圖2示出了閥芯與反沖盤之間的間隙流域幾
何區(qū)域。測試時充分利用上下閥膜傳感器采集的
實測數(shù)據(jù)，利用閥芯密封面與閥座密封面構(gòu)成的
簾面積計算評估安全閥排量。安全閥開啟的超音
速流態(tài)擴展過程研究發(fā)現(xiàn) ：傳統(tǒng)的喉部最小截
面位置實際上在穩(wěn)定排放階段并沒有出現(xiàn)全面超
音速流，而在密封面出口位置，發(fā)現(xiàn)了大面積的超
音速流。這說明實際工作時，影響排量計算和評
估精度的理論噴管喉部極可能不是在傳統(tǒng)認為的
喉部位置(即最小幾何流道截面位置)，而應(yīng)在簾
面積位置。據(jù)此，考慮將安全閥閥芯與反沖盤之
間問隙的壓力作為穩(wěn)定狀態(tài)排放口壓力P ，而將
下膜傳感器采集到的壓力數(shù)據(jù)作為排放進口壓力
Pn，這種處理方式，相當于把密封面的出口位置視
為理論噴管的“喉部”。利用閥芯傳感器將這個
“喉部”前后的壓力測試出來，則成為這一“噴管”
的進出口參數(shù)，即閥芯傳感器測試數(shù)據(jù)與簾面配
合形成了類似噴管進出口的壓力數(shù)據(jù)測點。由此
確定了一種新穎的穩(wěn)態(tài)排量測試和評估技術(shù)及其
算法。
劣
(a) 重點流域說明圖(3D)
(b) 流域說明圖(2D)
圖2 流域及其說明

第31卷第2期 壓 力 容 器 第255期
1．10
三1．00
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圖6 一ic膜而環(huán)IG]各分區(qū)壓力
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