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安全阀稳态排量测试新技术研究

文档作者：郭崇志刘佳文档来源：华南理工大学		点击数：	更新时间： 2021年07月13日
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安全阀稳态排量测试新技术研究
郭崇志，刘佳
(华南理工大学，广东广州510640)
摘要：排量是衡量安全阀性能的重要参数，因此其准确计算和评估极为重要。排量的标准测试方
法要求严格，测试繁琐且难以实施。与多数文献略去开启过程动态效应在固定开高状态下进行排
量研究不同，文中研究了一种利用阀芯传感器的测试数据来评估动态开启稳定排放阶段排量的计
量方法。数值模拟发现，超压泄放过程的稳态排放阶段喷管的喉部位于帘面，并且发现，排放流体
处于跨音速流态。进一步的检测技术研究表明，稳态排量可以通过阀芯传感器采集的稳态排放数
据来确定和计量，进而可以实现额定排量评估。这种新的排量计量和测试技术改变了传统的安全
阀流量测试思路，扩展了阀芯传感器的应用范围，实现了一种简便易行的排量测试技术，且具有足
够的测试精度。
关键词：安全阀；排量测试；排量评估；数值模拟；阀芯传感器
中图分类号：TH814；TH134；TQ056．1 文献标志码：A 文章编号：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 压 力 容 器 第255期
0 引言
安全阀排放能力一般是在标准排量检测装置
上测试和标定的，排量试验方法对测试装置、检测
元件及其布置，测试环境和操作程序有严格的要
求 。稳态排量就是安全阀超压开启后处于稳
定排放阶段的时均质量流量。图1示出了文献
[3—5]中提到的几种排量测试装置。其中，图
1(a)为康德拉契娃_3 采用的排量测试装置，这是
迄今为止能找到的最早公布的排量测试系统；图
1(b)为她提出的可调背压的排量测试装置 ；图
1(c)为文献[4]中推荐的测试系统，其对管道长
度有严格要求；图1(d)为文献[5]提出的一种排
量测试系统，其特点是将原来位于流量计和测试
阀之间的容器(用于稳定压力)置于整流器之前。
(a) 排鞋测试实验装置
放大器
感器
(c) 文献[4]中排量测试装置
阀
阀
这些测试系统的共同特征都是在测试阀的前端设
置稳定容器，安装测试管路和仪表。标准的测试
还要求有较长的整流段管路，同时要求在稳态流
动阶段测取数据，在尽可能短的时间内记录数据。
为获取稳定状态数据，一般应采用大容量气源或
中间容器维持稳定排放。专业排量测试系统对装
置和操作要求高，目前国内仅有少数试验机构声
称拥有相应测试条件。文献[6]对API安全阀进
行了系列测试，其排量测试曲线呈现的稳定状态
时间很短且不稳定，这说明排量测试稳态条件其
实很难达到。笔者的测试也表明，即使有大容量
和高压容器作为后备气源，在开启条件下要获得
规范要求的稳态流动条件也很困难，尤其是大容
量压力容器和管道的安全阀排量测试，稳态测试
条件很难实现。
形阀
温度测点 压差计 温度测点 背压测量器
和调节器
(b) 空气排量测试装置
图1 各种排量测试装置
在这种情况下，如何准确测试和评估安全阀
的实际排量就显得非常重要。由于标准试验方法
均要求安全阀处于全开启状态，而试验测试表明，
(d) 文献[5]中推荐的排量测试装置
阙
阀
安全阀在给定整定压力下，有的无法达到全开启
高度。因此，如何评估实用安全阀是否具有足够
排量，从而保证其本质安全，实际上却仍然是一个
· l5·
CPVT 安全阀稳态排量测试新技术研究
没有认真研究过的问题。
以前的测试方法均要求在流体流动通道中布
置流量计和其他传感器，并测取稳态流数据来评
估排量。文中基于阀芯传感器稳定和良好的测试
性能 和大量开展的安全阀动态开启过程数值
模拟以及试验测试确定的帘面上部均匀稳定的超
临界流动特性，分析了以帘面为计算排量的喷管
模型、阀芯传感器测试数据用于排量计算的可行
性。现场数据验证表明，这种方法具有很高的可
靠性以及测试的便利性。这种测试技术避免了繁
琐和昂贵的实验设备及其严格的测试与布置要
求、且无需在流道中安装流量计(从而干扰流体
的流动)，只利用带有传感器的阀芯就可以实现
无干扰、快速方便的安全阀排量评估。
1 测试方案
1．1 测试理论依据
理论排量计算公式是以可压缩流体稳定绝热
等熵流动条件推导的，涉及质量、动量、能量守恒
和气体状态方程。其一般形式为：
A√ Pop0[c 一c 川
(1)
式中q ——质量流量，k s
A——流道截面积，m
P。—— 介质密度，kg／m
2，O— — 下标，出口和入口截面参数
当 ／12=( l-) ”时，流量取极大值：
A√ ‰( ” (2)
转换得到标准 中临界流动的排量理论计
算公式：
层 (3)
式中P 为排放口绝对压力，按上式推导可知
是安全阀人口截面压力，相当于理论喷管中入口
压力，即气体流动起始位置处压力，可认为是滞止
参数；T为入口初始温度，并非排放口温度。由于
排放口是否进入临界流难以事先判断，文中采用
式(2)作为排量计算的参照。
1．2 排量测试技术分析
． 16 ．
图2示出了阀芯与反冲盘之间的间隙流域几
何区域。测试时充分利用上下阀膜传感器采集的
实测数据，利用阀芯密封面与阀座密封面构成的
帘面积计算评估安全阀排量。安全阀开启的超音
速流态扩展过程研究发现 ：传统的喉部最小截
面位置实际上在稳定排放阶段并没有出现全面超
音速流，而在密封面出口位置，发现了大面积的超
音速流。这说明实际工作时，影响排量计算和评
估精度的理论喷管喉部极可能不是在传统认为的
喉部位置(即最小几何流道截面位置)，而应在帘
面积位置。据此，考虑将安全阀阀芯与反冲盘之
间问隙的压力作为稳定状态排放口压力P ，而将
下膜传感器采集到的压力数据作为排放进口压力
Pn，这种处理方式，相当于把密封面的出口位置视
为理论喷管的“喉部”。利用阀芯传感器将这个
“喉部”前后的压力测试出来，则成为这一“喷管”
的进出口参数，即阀芯传感器测试数据与帘面配
合形成了类似喷管进出口的压力数据测点。由此
确定了一种新颖的稳态排量测试和评估技术及其
算法。
劣
(a) 重点流域说明图(3D)
(b) 流域说明图(2D)
图2 流域及其说明

第31卷第2期 压 力 容 器 第255期
1．10
三1．00
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艋
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图6 一ic膜而环IG]各分区压力
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