安全阀类型

全面介绍各种可用安全阀类型，包括工作原理、建造材料和附件。

安全阀类型

有多种安全阀可供选择，以满足不同行业要求的众多应用和性能标准。此外，国家标准定义了多种不同类型的安全阀。 用于锅炉和压力容器应用的ASME标准I和ASME标准VIII，以及用于安全阀和泄压阀的ASME/ANSI PTC 25.3标准提供了以下定义。这些标准规定了性能特性，并定义了使用的不同类型的安全阀： ASME I型阀门 - 符合ASME压力容器规范第I节锅炉应用要求的安全泄压阀，在3%超压内开启，在4%内关闭。通常具有两个排放回差环，并标有国家委员会”V”印章。 ASME VIII型阀门 - 符合ASME压力容器规范第VIII节压力容器应用要求的安全泄压阀，在10%超压内开启，在7%内关闭。标有国家委员会”UV”印章。

• 低升程安全阀 - 阀瓣的实际位置决定阀门的排放面积。
• 全升程安全阀 - 排放面积不由阀瓣位置决定。
• 全通径安全阀 - 内孔中无突出物的安全阀，阀门升起的程度足以使阀座处或阀座以下任何截面的最小面积成为控制孔口。
• 常规安全泄压阀 - 弹簧壳体排放到出口侧，因此工作特性直接受阀门背压变化的影响。
• 平衡式安全泄压阀 - 平衡阀包含一种将背压对阀门工作特性影响最小化的方法。
• 先导式压力泄放阀 - 主要泄放装置与一个自作用辅助压力泄放装置组合并由其控制。
• 动力驱动安全泄放阀 - 一种压力泄放阀，其主要压力泄放装置与一个需要外部能源的装置组合并由其控制。 DIN 3320标准定义了以下类型的安全阀，该标准涉及在德国和欧洲其他地区销售的安全阀：
• 标准安全阀 - 开启后，在不超过10%的压力升幅内达到排放质量流量所需升程的阀门。（该阀门以突开动作为特征，有时称为高升程型）。
• 全升程（Vollhub）安全阀 - 一种安全阀，在升程开始后，在5%的压力升幅内快速开启至设计限制的全升程。快速开启前的升程（比例区域）不超过20%。
• 直接加载安全阀 - 一种安全阀，阀瓣下方的开启力由弹簧或重锤等关闭力所平衡。
• 比例安全阀 - 一种安全阀，其开启或多或少随压力增加而平稳进行。在10%的升程范围内不会在无压力增加的情况下发生突然开启。在不超过10%的压力下开启后，这些安全阀达到排放质量流量所需的升程。
• 膜片安全阀 - 一种直接加载安全阀，其中线性运动和旋转元件及弹簧由膜片保护免受流体影响。
• 波纹管安全阀 - 一种直接加载安全阀，其中滑动和（部分或完全）旋转元件及弹簧由波纹管保护免受流体影响。波纹管可设计为补偿背压的影响。
• 控制式安全阀 - 由主阀和控制装置组成。还包括带补充加载的直接作用安全阀，在达到设定压力之前，附加力增加关闭力。 EN ISO 4126列出了以下安全阀类型的定义：
• 安全阀 - 一种自动阀门，无需除所涉及流体本身之外的任何能量辅助，排放一定量的流体以防止超过预定安全压力，并设计为在恢复正常工作压力条件后重新关闭以阻止流体继续流动。注：该阀门可以突开动作（快速开启）或按比例（不一定是线性）于超过设定压力的压力增量方式开启为特征。
• 直接加载安全阀 - 一种安全阀，阀瓣下方流体压力产生的载荷仅由直接机械加载装置（如重锤、杠杆加重锤或弹簧）所平衡。
• 辅助安全阀 - 一种安全阀，通过动力辅助机构，可在低于设定压力的压力下额外提升，并且即使在辅助机构故障的情况下，也能符合标准中安全阀的所有要求。
• 补充加载安全阀 - 一种安全阀，在安全阀入口处的压力达到设定压力之前，具有增加密封力的附加力。 注：该附加力（补充加载）可由外部动力源提供，在安全阀入口处的压力达到设定压力时可靠释放。补充加载的量设定为：如果该补充加载未释放，安全阀将在不超过被保护设备最大允许压力1.1倍的压力下达到其认证排放容量。
• 先导式安全阀 - 一种安全阀，其运行由先导阀排出的流体启动和控制，先导阀本身是符合标准要求的直接加载安全阀。 下表汇总了不同标准规定的安全阀类型的性能。

常规安全阀

不同标准中常规安全阀定义的共同特征是，其工作特性受排放系统中任何背压的影响。需要注意的是，总背压由两个分量产生：叠加背压和建压背压：

• 叠加背压 - 阀门出口侧存在的静压。
• 建压背压 - 阀门排放时在出口侧产生的附加压力。 因此，在常规安全阀中，只有叠加背压会影响开启特性和设定值，但组合背压将改变排放回差特性和回座值。 ASME/ANSI标准进一步分类，常规阀门的弹簧壳体排放到阀门的出口侧。如果弹簧壳体排放到大气中，任何叠加背压仍然会影响工作特性。这可以从图9.2.1中看出，该图显示了弹簧壳体排放到阀门出口侧和排放到大气的阀门示意图。

通过考虑作用在阀瓣（面积AD）上的力，可以看出所需的开启力（等于入口压力（PV）与喷嘴面积（AN）的乘积）是弹簧力（FS）与作用在阀瓣顶面和底面的背压（PB）产生力的总和。对于弹簧壳体排放到阀门出口侧的情况（ASME常规安全泄压阀，见图9.2.1(a)），所需开启力为：

PV AN = FS + PB AD - PB (AD - AN ) 简化为公式9.2.1

因此，任何叠加背压都会趋向于增加关闭力，抬起阀瓣所需的入口压力更大。

对于弹簧壳体排放到大气的阀门（图9.2.1b），所需开启力为：

因此，叠加背压与容器压力一起克服弹簧力，开启压力将低于预期。

在两种情况下，如果存在显著的叠加背压，在设计安全阀系统时需要考虑其对设定压力的影响。 一旦阀门开始开启，还必须考虑建压背压的影响。对于弹簧壳体排放到阀门出口侧的常规安全阀（见图9.2.1(a)），建压背压的影响可通过考虑公式9.2.1来确定，并注意到一旦阀门开始开启，入口压力就是设定压力PS和超压PO之和。 (PS + PO) AN = FS + PB AN 简化为公式9.2.3

因此，叠加背压与容器压力一起克服弹簧力，开启压力将低于预期。

在两种情况下，如果存在显著的叠加背压，在设计安全阀系统时需要考虑其对设定压力的影响。 一旦阀门开始开启，还必须考虑建压背压的影响。对于弹簧壳体排放到阀门出口侧的常规安全阀（见图9.2.1(a)），建压背压的影响可通过考虑公式9.2.1来确定，并注意到一旦阀门开始开启，入口压力就是设定压力PS和超压PO之和。 (PS + PO) AN = FS + PB AN 简化为公式9.2.3

平衡式安全阀

平衡式安全阀是那些包含消除背压影响方法的阀门。可以使用两种基本设计来实现： 活塞型平衡式安全阀。 尽管活塞阀有几种变体，但它们通常由活塞型阀瓣组成，其运动受到带排气孔导轨的限制。活塞顶面面积AP和喷嘴阀座面积AN设计为相等。这意味着阀瓣暴露于背压的上下表面的有效面积相等，因此任何附加力都是平衡的。此外，弹簧阀盖设有排气孔，使活塞顶面承受大气压力，如图9.2.2所示。

通过考虑作用在活塞上的力，显然这种类型的阀门不再受任何背压的影响：

波纹管型平衡式安全阀。 具有与喷嘴阀座面积（AN）等效的有效面积（AB）的波纹管连接在阀瓣上表面和阀杆导轨上。 波纹管装置防止背压作用在波纹管面积范围内的阀瓣上侧。超出波纹管的阀瓣面积和相对的阀瓣面积相等，因此作用在阀瓣上的力是平衡的，背压对阀门开启压力影响很小。 波纹管排气孔允许空气随着波纹管的膨胀或收缩而自由进出。 波纹管故障是使用波纹管平衡式安全阀时的重要关注点，因为这可能影响阀门的设定压力和排放能力。因此，重要的是要有某种机制来检测通过波纹管排气孔的任何非正常流体流动。此外，一些波纹管平衡式安全阀包含辅助活塞，用于在波纹管故障时克服背压的影响。这种安全阀通常仅用于石油和石化行业的关键应用。 除了减少背压的影响外，波纹管还用于将阀杆导轨和弹簧与工艺流体隔离，当流体具有腐蚀性时这很重要。 由于平衡式压力泄放阀通常比非平衡式同类阀门更昂贵，因此通常仅在高压集管不可避免的情况下使用，或在需要非常精确的设定压力或排放回差的关键应用中使用。

先导式安全阀

这种类型的安全阀使用流动介质本身，通过先导阀对安全阀阀瓣施加关闭力。先导阀本身是一个小型安全阀。 先导式安全阀有两种基本类型，即膜片型和活塞型。 膜片型通常仅适用于低压应用，产生比例型动作，是液体系统中泄压阀的特征。因此在蒸汽系统中用处不大，本文将不予讨论。 活塞型阀门由主阀（使用活塞形关闭装置）和外部先导阀组成。图9.2.4显示了典型的活塞型先导式安全阀示意图。

主阀中包含的活塞和阀座组件设计为：暴露于入口流体的活塞底部面积小于活塞顶部面积。由于活塞两端暴露于相同压力的流体中，这意味着在正常系统运行条件下，由较大顶面产生的关闭力大于入口力。因此，产生的向下力将活塞牢固地压在其阀座上。

如果入口压力升高，活塞上的净关闭力也会增加，确保持续保持紧密关闭。然而，当入口压力达到设定压力时，先导阀将突开以释放活塞上方的流体压力。在活塞上表面作用的流体压力小得多的情况下，入口压力产生向上的净力，活塞将离开其阀座。这导致主阀突开，允许工艺流体被排放。 当入口压力充分降低时，先导阀将重新关闭，阻止流体从活塞顶部进一步释放，从而重新建立向下的净力，使活塞重新落座。 先导式安全阀具有良好的超压和排放回差性能（可实现2%的排放回差）。因此，它们用于设定压力与系统运行压力之间需要较小裕量的场合。先导式阀门也有更大的尺寸，使其成为大容量应用的首选安全阀类型。 先导式安全阀的主要关注点之一是小口径先导连接管容易被异物堵塞，或因这些管中冷凝水积聚而堵塞。这可能导致阀门故障，无论是开启还是关闭位置，取决于堵塞发生的位置。

全升程、高升程和低升程安全阀

全升程、高升程和低升程这些术语指的是阀瓣从关闭位置移动到产生认证排放容量所需位置的行程量，以及这如何影响阀门的排放能力。 全升程安全阀是指阀瓣升起足够的距离，使帘幕面积不再影响排放面积。排放面积，也就是阀门的容量，随后由孔口面积决定。当阀瓣升起至少孔口直径四分之一的距离时，即可实现这一效果。对于一般蒸汽应用，全升程常规安全阀通常是最佳选择。 高升程安全阀的阀瓣升起至少孔口直径十二分之一的距离。这意味着帘幕面积，也就是阀瓣的最终位置，决定了排放面积。高升程阀门的排放容量往往远低于全升程阀门，对于给定的排放容量，通常可以选择公称尺寸小几倍的全升程阀门，这通常具有成本优势。此外，高升程阀门倾向于用于可压缩流体，其动作更加成比例。 在低升程阀门中，阀瓣仅升起孔口直径二十四分之一的距离。排放面积完全由阀瓣位置决定，由于阀瓣仅升起很小的距离，容量往往远低于全升程或高升程阀门。

建造材料

除非安全阀正在排放，否则唯一被工艺流体浸润的部件是入口通道（喷嘴）和阀瓣。由于安全阀在正常条件下很少动作，对于大多数应用，所有其他部件都可以用标准材料制造。但有几个例外情况，需要使用特殊材料，包括：

• 低温应用。
• 腐蚀性流体。
• 不允许排放流体受到污染的场合。
• 当阀门排放到包含另一阀门排放的腐蚀性介质的集管中时。 安全阀的主要承压部件通常由以下材料之一制成：
• 青铜 - 常用于蒸汽、空气和热水应用（最高15 bar）的小型螺纹阀门。
• 铸铁 - 广泛用于ASME型阀门。其使用通常限于17 bar g。
• 球墨铸铁 - 常用于欧洲阀门，用于替代较高压力阀门（最高25 bar g）中的铸铁。
• 铸钢 - 常用于较高压力的阀门（最高40 bar g）。工艺型阀门通常采用铸钢阀体和奥氏体全喷嘴型结构。
• 奥氏体不锈钢 - 用于食品、制药或洁净蒸汽应用。 对于极高压力应用，承压部件可由实心材料锻造或机加工而成。 对于所有安全阀，重要的是运动部件（特别是阀杆和导轨）由不易劣化或腐蚀的材料制成。由于阀座和阀瓣不断与工艺流体接触，它们必须能够抵抗侵蚀和腐蚀的影响。 对于工艺应用，奥氏体不锈钢通常用于阀座和阀瓣；有时表面涂覆”司太立”合金以增加耐久性。对于极高腐蚀性流体，喷嘴、阀瓣和阀座由特殊合金（如”蒙乃尔”或”哈氏合金”）制成。 弹簧是安全阀的关键部件，必须在所需参数范围内提供可靠的性能。标准安全阀通常使用碳钢用于中等温度。钨钢用于较高温度的非腐蚀性应用，不锈钢用于腐蚀性或洁净蒸汽工况。对于含硫气体和高温应用，通常使用特殊材料如蒙乃尔、哈氏合金和”因科镍尔”。

安全阀选项和附件

由于安全阀使用的应用范围广泛，有多种不同的选项可供选择： 阀座材料 一个关键选项是使用的阀座材料类型。金属对金属阀座（通常由不锈钢制成）通常用于高温应用，如蒸汽。另外，当需要更紧密的关闭时（通常用于气体或液体应用），可在阀座表面的一个或两个上固定弹性阀瓣。这些嵌件可由多种不同材料制成，但Viton、丁腈橡胶或EPDM最为常见。软密封嵌件通常不建议用于蒸汽。 表9.2.2 安全阀中使用的阀座材料

手柄 标准安全阀通常配有泄放手柄，可在超过设定压力75%的压力下手动提升阀门以确保其运行正常。这通常作为常规安全检查的一部分，或在维护期间进行以防止卡死。安装手柄通常是国家标准和保险公司对蒸汽和热水应用的要求。例如，ASME锅炉和压力容器规范规定，如果压力泄放阀用于空气、60°C以上的水和蒸汽，则必须配备手柄。 标准型或开放型手柄是最简单的手柄类型。它通常用于允许少量流体泄漏到大气的应用，如蒸汽和空气系统（见图9.2.5(a)）。 在不允许介质泄漏的场合，必须使用带填料的手柄。它使用填料压盖密封，确保流体被限制在阀帽内（见图9.2.5(b)）。

对于不需要手柄的工况，可使用阀帽来简单保护调节螺钉。如果与垫圈配合使用，可防止向大气排放（见图9.2.6）。

测试止动装置（图9.2.7）可用于在系统调试期间的液压试验中防止阀门在设定压力下开启。测试完成后，止动螺钉被拆除，在阀门投入使用前更换为短闷头螺塞。

开放式和封闭式阀盖 除非使用波纹管或膜片密封，否则工艺流体将进入弹簧壳体（或阀盖）。 流体量取决于安全阀的具体设计。如果允许该流体排放到大气中，弹簧壳体可以排放到大气中——即开放式阀盖。当安全阀用于高温流体或锅炉应用时，这通常是优势，因为否则高温可能使弹簧松弛，改变阀门的设定压力。然而，使用开放式阀盖会使阀门弹簧和内部零件暴露于环境条件，可能导致弹簧损坏和腐蚀。 当流体必须由安全阀（和排放系统）完全限制时，需要使用不排放到大气的封闭式阀盖。这种类型的弹簧壳体几乎普遍用于小型螺纹阀门，并且在许多阀门系列中越来越常见，因为特别是在蒸汽中，排放流体可能对人员构成危险。

波纹管和膜片密封 一些安全阀（最常用于水应用的阀门）采用柔性膜片或波纹管，将安全阀弹簧和上腔室与工艺流体隔离（见图9.2.9）。

弹性体波纹管或膜片通常用于热水或供暖应用，而不锈钢则用于采用危险流体的工艺应用。