安全閥是鍋爐、壓力容器和壓力管道的保護裝置，用來防止受壓設(shè)備中的壓力超過設(shè)計允許值，從而保護設(shè)備及其運行人員的安全。

　　由于安全閥可以不依賴任何外部能源而動作，所以常常作為受壓設(shè)備的最后一道保護裝置。從這個意義上說，它的作用是不能用其他保護裝置來代替的。

　　當受壓設(shè)備中介質(zhì)的壓力由于某種原因而異常升高，達到預先的設(shè)定值時，安全閥自動開啟，繼而排放，以防止壓力繼續(xù)升高。當介質(zhì)壓力由于安全閥的排放而降低，達到另一預定值時，閥門又自動關(guān)閉，阻止介質(zhì)繼續(xù)排出。當介質(zhì)壓力處于正常工作壓力時，閥門保持關(guān)閉和密封狀態(tài)。

　　以下分別以彈簧直接載荷式安全閥和先導式安全閥為例，進一步說明安全閥的動作原理。

　　圖1所示為常規(guī)彈簧載荷式氣體安全閥的動作原理示意，其動作基于力的平衡。在正常操作條件下，進口壓力低于整定壓力，閥瓣在彈簧力作用下壓在閥座上處于關(guān)閉位置，閥門處于關(guān)閉(密封)狀態(tài)[圖1(a)]。

圖1 氣體安全閥的工作原理

　　此時作用在閥瓣上的彈簧力F為

F=pA+Fs

　　式中 p——介質(zhì)壓力，MPa;

　　A——閥瓣上受壓面積，mm2;

　　Fs——為使閥瓣和閥座壓緊的向下密封附加力，N。

　　閥瓣在閥座密封面上的壓緊力Fs，保證了所需的密封性。

　　在正常工作時，安全閥處于關(guān)閉狀態(tài)，安全閥閥瓣在系統(tǒng)壓力的作用下向上的作用力小于閥瓣受到向下的彈簧力，其差值就是密封附加力Fs，即隨著系統(tǒng)壓力的增加，安全閥的密封比壓是逐漸降低的。

　　當系統(tǒng)進口壓力等于安全閥的整定壓力時，彈簧力等于進口介質(zhì)作用在關(guān)閉閥瓣上的力，閥瓣與閥座之間的作用力等于零。當進口壓力略高于整定壓力時，介質(zhì)流過閥座表面進入蓄壓腔“B”，由于反沖盤與調(diào)節(jié)圈間節(jié)流作用的結(jié)果，蓄壓腔“B”內(nèi)的壓力增加[圖1(b)]，因為這時進口壓力作用在更大的面積上，產(chǎn)生一個通常被稱為膨脹力的附加力來克服彈簧力。通過調(diào)整調(diào)節(jié)圈，便可以調(diào)節(jié)環(huán)形流道縫隙的大小，從而控制蓄壓腔“B”內(nèi)的壓力，這時蓄壓腔內(nèi)被控制的壓力將克服彈簧力，導致閥瓣離開閥座，閥門突跳開啟。

　　一旦閥門已經(jīng)開啟，“C”處便會產(chǎn)生附加增壓[圖1(c)]，這是由于突然流量的增加以及由反沖盤裙邊的內(nèi)沿與調(diào)節(jié)圈外徑所圍成的另一個環(huán)形流道上的節(jié)流所造成的，這些“C”處的附加力(含反沖力)會導致閥瓣在突跳時達到足夠的開啟高度。

　　流量始終被閥座與閥瓣間的開度限制著，直到閥瓣離閥座的開啟高度接近1/4喉徑。當閥瓣達到這種程度的開啟高度以后，流量便由喉部流道面積控制而不是由閥座表面間的面積(簾面積)控制。

　　當進口壓力已經(jīng)降到低于整定壓力足夠多，以致彈簧力足以克服“A”，“B”，“C”三處力之和時，閥門關(guān)閉。

　　圖2表示的是閥瓣從整定壓力(圖中A點)

圖2 安全閥閥瓣開啟高度與被保護系統(tǒng)壓力間的典型關(guān)系

　　經(jīng)歷超壓階段到達最大泄放壓力(B點)，經(jīng)歷啟閉壓差階段回到回座壓力(C點)的全部行程。

　　液體介質(zhì)用安全閥不會像氣體介質(zhì)用安全閥那樣突跳(圖3)，因為液體流動不產(chǎn)生像氣體介質(zhì)流動那樣的膨脹力。液體介質(zhì)用安全閥必須依靠反作用力來達到開啟高度。

圖3 液體安全閥的丁作原理示意

　　當閥門關(guān)閉時，作用在閥瓣上的力與應用于氣體介質(zhì)中的作用力是相同的，直到達到力的平衡，即保持閥座關(guān)閉的合力接近零。

　　在最初開啟時，溢出的液體形成一層非常薄的流體，見圖3(a)，在閥座表面間迅速擴展，液體沖擊閥瓣反沖盤的反作用面，并被折流向下，產(chǎn)生向上推動閥瓣和反沖盤的反作用力。在最初的2%～4%的超過壓力范圍內(nèi)，這些力通常建立得很慢。

　　隨著流量逐漸增加，流過閥座的液體的速度也在增加，這些動量作用力與快速泄放的液體介質(zhì)由于從反作用表面[圖3(b)]被折流向下所產(chǎn)生的作用力的合力足以使閥門達到全開。通常情況下，在2%～6%的超過壓力下，閥瓣會突然間升高到50%～100%的全開高，隨著超過壓力增加，這些力繼續(xù)增加，推動閥瓣達到全開。ASME鑒定的液體介質(zhì)用安全閥的排放量，要求安全閥在10%或更小的超過壓力下，達到全部的額定泄放量。

　　在閥門關(guān)閉的過程中，隨著超過壓力減小，液體介質(zhì)動量和反作用都減小，彈簧力推動閥瓣返回與閥座接觸。

　　過去，許多用在液體介質(zhì)中的泄壓閥都是為可壓縮(蒸氣)介質(zhì)設(shè)計用的安全泄放閥或泄放閥。許多這樣的閥門當用在液體介質(zhì)時，需要高的超過壓力(25%)才能達到全開高和穩(wěn)定的工作，這是因為液體介質(zhì)無法提供氣體介質(zhì)那樣的膨脹力。

　　ASME《鍋爐和壓力容器規(guī)范》第Ⅷ卷要求，液體介質(zhì)在10%超過壓力下，達到全開啟、穩(wěn)定工作和額定泄放量。而GB/T 12223—2005則規(guī)定額定排放壓力不大于1.20倍整定壓力。

　　圖4是先導式安全閥的工作原理圖，先導式安全閥由主閥和導閥組成，導閥隨系統(tǒng)介質(zhì)壓力的變化而動作，主閥則由導閥的驅(qū)動或控制而動作。

圖4 先導式安全閥下作原理

　　當被保護系統(tǒng)處于正常運行狀況時，導閥閥瓣處于關(guān)閉狀態(tài)，系統(tǒng)壓力從主閥進口通過導管和導閥傳入主閥閥瓣(活塞)上方氣室。由于活塞面積大于閥瓣密封面面積，系統(tǒng)壓力對閥瓣產(chǎn)生一個向下的合力，使主閥處于關(guān)閉、密封狀態(tài)。

　　當系統(tǒng)壓力升高達到整定壓力時，導閥開啟，同時滑閥向上移動封閉導閥的進氣通道。主閥閥瓣上方氣室的介質(zhì)經(jīng)由打開的導閥排出，使主閥閥瓣上方壓力(腔壓)降低，主閥閥瓣在進口壓力的推動下打開而使系統(tǒng)泄壓。

　　當系統(tǒng)壓力降低到一定值時，導閥回座并帶動頂桿頂開滑閥，系統(tǒng)壓力再次通過導閥傳入主閥閥瓣上方氣室，并推動主閥閥瓣關(guān)閉。

　　圖5是突跳型先導式安全閥的實際測試的壓力關(guān)系圖。

圖5 突跳型先導式安全閥實際測試的壓力關(guān)系