安全阀的四种工作原理,安全阀的内部结构及工作原理

安全阀可按参数、结构、作用原理等进行分类。

1）蒸汽安全阀。

2）气体安全阀。

3）液体安全阀。

（1）按公称压力分类

1）低压安全阀，公称压力不大于PN16的安全阀。

2）中压安全阀，公称压力为PN16~ PN100 （不含PN16）的安全阀。

3）高压安全阀，公称压力 PN100~ PN1000 （不含PN100）的安全阀。

4）超高压安全阀，公称压力为大于PN1000的安全阀。

（2）按适用温度分类

1）超低温安全阀，用于介质温度t <-100℃ 的安全阀。

2）低温安全阀，用于介质温度为-100℃≤t≤-29℃的安全阀。

3）常温安全阀，用于介质温度为-29℃<t <120℃的安全阀。

4）中温安全阀，用于介质温度为 120℃≤≤425℃ 的安全阀。

5）高温安全阀，用于介质温度t>425℃的安全阀。

1）法兰连接安全阀，如图1a所示。

2）螺纹连接安全阀，如图1b所示。

3）焊接连接安全阀，如图1c所示。

图 1 安全阀连接示意图

a）法兰连接安全阀；b）螺纹连接安全阀；c）焊接连接安全阀

（1）按作用原理分类

1）直接载荷式安全阀。这类安全阀是依靠工作介质压力直接产生的作用力，克服弹簧或重锤等加于阀瓣上的机械载荷，使阀门开启。它具有结构简单、动作迅速、可靠性好等优点。但由于依靠机械载荷，其载荷大小受到限制，不能用于高压、大口径场合。同时，当被保护系统正常运行时，安全阀阀瓣与阀座密封面的比压力决定于安全阀开启压力与系统正常运行压力之差，通常是一个不大的值。这类安全阀按作用在阀瓣上的载荷形式主要有以下两种类型：

①静重式安全阀，又分为重锤式安全阀和杠杆重锤式安全阀。它由阀体、阀座、阀芯、重锤、杠杆等组成。

a.重锤式安全阀是用重锤直接加载于阀瓣上，最早的安全阀就是这种形式。由于重锤加载的数值很有限，目前在工业中已几乎不再被采用。

b.杠杆重锤式安全阀，其重锤通过杠杆加载于阀瓣上。根据杠杆原理，它可以使用质量较小的重锤通过杠杆的增大作用获得较大的作用力，并通过移动重锤的位置（或变换重锤的质量）来调整安全阀的开启压力。杠杆重锤式安全阀结构简单，调整容易又比较准确，所加的载荷不会因阀瓣的升高而变化，并可以十分精确地加载。但其加载方式又决定了其载荷不可能很大。这种安全阀曾广泛应用于电力和石油化工行业中，特别是用在锅炉和温度较高的压力容器上。但杠杆重锤式安全阀结构比较笨重，加载机构尺寸较大，并常因设备振动而产生泄漏；其回座压力较低，开启后不易关闭及保持密封。随着弹簧式安全阀的发展和日益完善，杠杆重锤式安全阀正逐渐被淘汰。图2所示为杠杆重锤式安全阀。

图2 杠杆重锤式安全阀

② 弹簧直接载荷式安全阀。弹簧直接载荷式安全阀利用弹簧加载于阀瓣上，具有结构简单、体积小、载荷范围大、对振动不敏感等优点。但其载荷随阀瓣的开启而增加，因而早期的弹簧直接载荷式安全阀达不到较大的开启高度，以致限制了它的广泛应用。为了克服上述弱点，人们从两个方面来改进安全阀结构，增大介质对阀瓣的作用力：一是增大受介质静压力和冲击作用的阀瓣的有效面积；二是通过反冲机构来改变喷出介质的流向，通过介质动量的变化来获得巨大的阀瓣升力。现代全启式安全阀正是综合利用了上述两种原理，从而能达到很高的开启高度和很大的排放能力，使弹簧直接载荷式安全阀的适用范围不断扩展。弹簧直接载荷式安全阀因其结构简单紧凑、动作灵敏、使用可靠，在国民经济的各个行业都得到了广泛的应用。图1 所示均为弹簧直接载荷式安全阀。

2）非直接作用式安全阀。这类安全阀不是或不完全是在工作介质的直接作用下开启的。它们又分为下列两种主要类型：

①先导式安全阀，由主阀和导阀组成，其主阀是通过从导阀排出的介质来驱动或控制的，而导阀本身是一个直接作用式安全阀。图3所示为典型的先导式安全阀。

图3 典型的先导式安全阀

先导式安全阀的设计，使工作介质可以对主阀阀瓣施加远大于直接作用式安全阀的载荷，因而具有良好的密封性能。同时，其动作不受背压变化的影响。因而，先导式安全阀也得到了广泛的应用，特别适用于高压、大口径的场合。先导式安全阀的缺点在于结构较复杂，动作也不如直接作用式安全阀那样直接和快捷。

② 带动力辅助装置的安全阀。这种安全阀借助于一个动力辅助装置（如空气或蒸汽压力、电磁力等作用），可以在低于正常开启压力的情况下强制安全阀开启。但如果辅助装置失灵，安全阀仍能如直接作用式安全阀一样动作。这种安全阀适用于工作压力很接近于整定压力的场合，以及需要强制开启或准确开启的场合。

（2）按开启特性分类

1）两段作用式安全阀。两段作用式安全阀也称突跳式安全阀，这种安全阀在进口压力有一个很小的超压下，阀瓣即可瞬间达到规定的开启高度，主要用于蒸汽和气体介质。

2）比例作用式安全阀。这种安全阀具有开启高度同入口压力成比例的特性h =f（p），即阀瓣是随系统压力的升高成比例地均匀开启，介质的排放面积可以随介质排放量的需求而改变，且主要用于液体介质。

（3）按开启高度分类

不同介质或不同使用场合对安全阀的开启高度有不同的要求，分为以下几种类型：

1）全启式安全阀，其开启高度大于或等于流道直径的1/4。全启式安全阀的排放面积是阀座喉部最小截面积。这种安全阀的动作过程是属于两段作用式，它利用蒸汽或气体膨胀的能量，并借助于一个升力机构迅速达到开启高度。这种安全阀主要用于气体和蒸汽介质。

2）微启式安全阀，其开启高度为流道直径的1/40~1/20。这种安全阀的排放面积是阀瓣和阀座之间形成的环形帘面积。微启式安全阀的动作过程是比例作用式的，主要用于液体场合，有时也用于需要排放量很小的气体场合。

3）中启式安全阀，其开启高度为流道直径的1/20~1/4，既可以是两段作用式，也可以是比例作用式。这种形式的安全阀在我国应用较少。

（4）按是否带有背压平衡机构分类

对弹簧直接载荷式安全阀，如果安全阀安装在出口有附加背压的系统中，该压力将会作用在阀瓣上成为弹簧的附加力，这个附加力会增加安全阀的开启整定压力，如果附加背压是变化的，则安全阀的整定压力也会变化，安全阀将无法正常工作，因此针对此类情况设计出了能适应背压工况的安全阀。

1）平衡式安全阀。这种安全阀在阀瓣的背部设置了诸如波纹管、膜片或活塞等能平衡背压的元件，可使背压对安全阀的动作性能影响减至最小，用于背压较大且背压是变化的系统中。图4所示为一种典型的平衡波纹管式安全阀，在阀瓣背部的波纹管连接在反冲盘上，其有效直径与安全阀阀瓣密封直径一致，这样就在阀瓣上隔离出一块约等于阀瓣密封面积的背压作用面积，使背压的作用力通过波纹管被抵消了，故背压的变化不会影响到安全阀的整定压力。

图4 平衡波纹管式安全阀

1—阀体；2—阀座；3—阀瓣；4—反冲盘；5-波纹管；6-导套；7-阀杆；8—弹簧；9—阀盖

另外，平衡波纹管式安全阀起到了将波纹管以上的如导套、阀杆、弹簧、阀盖等零件与泄放介质隔离的作用，这对于防止腐蚀性介质对这些零件产生腐蚀破坏是十分重要的。

2）非平衡式安全阀，也称常规式安全阀或普通式安全阀，如图1a 所示。它不带有平衡背压作用的元件，适用于背压为大气压或量值不大的背压场合，并建议背压不超过整定压力的 10%。

（5）按介质排放方式分类

按介质有无污染、是否有毒、是否易燃易爆等特性，对安全阀的介质排放方式有不同要求的分类。

1）敞开式安全阀。工作介质排向大气。阀盖设计为敞开式，使阀盖内的弹簧直接与大气相通，有利于高温介质情况下弹簧的降温。主要用于介质为空气、蒸汽和对环境不会造成污染的气体工况。

2）封闭式安全阀。安全阀起跳后排出的介质排向封闭的系统中。安全阀所有腔体设计均为全密封式结构。主要用于介质不允许向外泄漏的液体和有毒、易燃易爆等气体工况。