1．重閉式壓力釋放裝置的定義
对压力释放装置，在GB／T 12242—2005标准中已有明确，即一种用来在压力容器处于紧急或异常状况时防止其内部介质压力升高到超过预定最高压力的装置，可见这是一种超压动作保护装置。而重闭式压力释放装置是一种在超压动作后再行关闭的压力释放装置。根据这一含义，重闭式压力释放装置在各行业的承压容器和管道上大量使用，其类型有：泄压阀、安全阀、平衡式安全阀、先导式安全阀和真空安全阀等不同类型的压力释放阀。 重闭式压力释放装置——压力释放阀是不借助任何外力而利用介质本身的力，在装置上游静态压力下自动开启来排出一额定数量的流体，以防止压力超过额定的安全值。当压力恢复正常后，装置再行关闭并阻止介质继续流出。
2．靜態結構原理與解析
爲了更進一步地了解和選用重閉式壓力釋放裝置，這裏以彈簧加載式安全閥爲例作進一步的解析。安全閥的定義中有：“……自動開啓來排出一額定數量的流體……再行關閉……”這裏要解析五個關鍵詞，“自動”、“排出”、“額定數量”、“流體”和“再行關閉”。
常規彈簧加載式安全閥如圖1所示，它由主體部分(2閥體、7閥蓋和10閥帽)組成了一外形筐架，結合主要內件部分(1閥座、4升力盤、5閥瓣、6彈簧、9閥杆)成了一體，形成了一台壓力釋放裝置，其內腔閥芯部件的結構決定了相互作用力的關系如圖1b所示，閥的啓閉是基于相互作用力的平衡原理來操作完成的。預先將彈簧作用力F設定成與整定壓力Ps和關閉著的閥瓣受力面積A的力相等，見式1。
當入口介質壓力P低于安全閥的設定整定壓力Ps時，閥芯部件仍然密封在閥座密封面上，處于放大圖示b的封閉位置。此時式1爲F>P·A。當入口介質壓力P將超過安全閥的設定整定壓力Ps時，式1即將成爲F≤P·A。作用在閥芯部件下的力將克服彈簧力從而使閥自動開啓。由此可見，介質壓力P的高低變化轉換，一旦P≥Ps時破壞了力的平衡關系，裝置實現了“自動”。
如果正常运行过程中阀是关闭的，见图1b，是弹簧作用力大于作用在阀芯部件(阀瓣)受力面积A处的力。当介质压力接近于阀的整定压力时，阀瓣和阀座之间的密封比压近趋于零。此时有介质从密封面处排出，并听见介质流穿过密封面流入环状积蓄室中。结果是压力在环状积蓄室中积聚(见图2a)。由于这时的压力作用面很从A扩展到了一次排放压力区，可形成一种通常被称为膨胀力的附加力用来克服弹簧力。通过调节助推环，可以改变环状积蓄室的环口开度，从而控制积聚在积蓄室中的压力。在积蓄室中积聚的受控压力将克服弹簧力使阀瓣从阀座上推开，这样閥門就会快速开启，实现了“排出”。当适用于可压缩的气体介质时环状积蓄室的作用更明显，这就是安全阀的突开现象。
3．動態結構原理與解析
閥門一旦開啓後，由于升力盤的作用，在介質排出和轉向的同時立即在升力盤下方形成積聚升力(見圖2b)。並迅速産生二次排放動壓區，來克服由于開高帶給彈簧的壓縮所産生的附加力和升力盤背面的背壓力使閥瓣迅速升起，介質排出量快速增加。
在閥瓣從閥座上升起的高度(開高)約爲流道直徑的四分之一之前，流量受開高之間的開度所限制。在閥瓣開高達到流道直徑的四分之一升程之後，流量則受流道直徑面積的限制而不是受開啓高度(開高)的面積限制。
這樣對開高達到流道直徑四分之一的全啓式安全閥，其排出的介質量(額定數量)取決于流道直徑，排放面積取決于流道面積，見式2
式中：W——實際排量，kg/h；
A——流道面積，mm2
Pd——實際排放壓力，MPa(a)；
Kdr—— 额定排量系数，可向制造商咨询，
C—— 绝热指数k的函数；
M—— 气体的分子量，kg／kmol；
T—— 实际排放温度，K；
Z—— 压缩系数，在许多情况下Z为1；
V—— 实际排放压力和排放温度下的比容，mm3／kg。
可見，排出的額定數量必須是閥的開高達到流道直徑的四分之一，否則，閥實際排出的額定數量達不到式2的值。
当压力释放装置所保护系统的介质为不可压缩液体时，以上解析中的图2和式(2)均发生了变化。变化发生在可压缩气体所产生的膨胀力不会在不可压液体介质中出现，因此液体介质用泄压阀不会像气体介质用安全阀那样突开，液体介质用泄压阀必须依靠反作用力实现开启，当閥門开启前，液体介质和气体介质作用在阀瓣下的力是相同的，(1)式仍然成立。但从这一点开始，力的关系就完全不同了。如图3所示，开启之初，排放出的液体所形成的介质流非常细薄，迅速在密封面问向四周散开，见图3a。排放的介质击打着阀瓣座的反作用面并斜向下流动，产生一种使阀瓣向上移动的作用力(涡流)。这种作用力的典型特征是膨胀力和推力均较小，是依靠系统的超压来帮助提高作用力。初始在超压的3％～5％之间，力的积聚非常缓慢。随着流量的逐渐增加，通过阀座喉部的介质流流速也随着增加。这种动量以及快速排放的介质从反作用面转而向下流动时所产生的反作用力，见图3b。当这些力足够大时，会使阀瓣向上升起，并且克服弹簧变形式所产生的力。典型的情况是在超压达10％～15％时，阀瓣会突然升起在整个升程的50％～100％之间波动。随着超压的增加，这种力会继续增加，驱使阀瓣达到额定升程。
隨著流體性質的不同，其排出量見式(3)
式中：W——實際排量，kg／h；
A——流道面積，mm。；
Kdr——額定排量系數，可向制造商咨詢；
Kp——超壓修正系數，超過壓力爲20％時，Kp= O.925。见图4确定Kp值。
ρ——密度，kg／mm3；
△P——壓差，其值爲Pd-Pb，MPa
此處，Pd——實際排放壓力，MPa(a)；
Pb——背壓力，MPa(a)。
粘度修正暫不作考慮。
从图表的曲线表明，流体为液体介质时，图3的解析已验证了其阀瓣的升程依赖于超过压力，超过压力低于10％时，流量(排出额定数量)受到严重影响。故GB／T 12243—2005要求适用液体介质时在超过压力小于或等于20％时，开高应达到设计规定值。这有利于在流量计算时有足够大的额定排量系数。
可見，隨著流體性質的不同，壓力釋放裝置的結構、設計要求、性能指標、排量系數以及選型和公稱尺寸的確定均有較大差別。所以在應用壓力釋放裝置時對流體的特性應引起足夠的重視。
作为重闭式压力释放装置“再行关闭”是一个关键动作，是否能及时地完成重闭，这与流体特性、选型计算和结构设计等密切相关。对于考核再行关闭的指标有启闭压差或回座压力。当装置开启释放流体后能及时关闭，说明启阀压差较小或回座压力较高。GB／T 12243 — 2005标准中规定对不同的流体介质启闭压差有≤(7～20)％整定压力的不同。
从图2和图3动态解析可见，再行关闭是阀瓣和阀瓣座从高升程至低升程的转变，由于液体不能像蒸汽那样可产生膨胀力，所以设计用于液态介质的泄压阀，如果用于气体介质会显示比用于液体介质有较大的启闭压差(典型的约为20％)。此外，如果要求将设定为液体介质用的閥門用于气体操作或反过来，则整定压力和超过压力均会出现一些偏差。再行关闭还与弹簧作用力有关。如图5所示为典型的弹簧加载式安全阀的动态特性曲线。图中的①、②、③、④为模似的流体动态升力曲线，⑤为所配备的弹簧刚度曲线。当阀的入口压力充分释放后下降至低于整定压力(图5中的曲线④)时，这时弹簧力(图5中的曲线⑤)已能够克服所有动态升力，曲线④已完成低于了曲线⑤，閥門关闭。閥門回座(关闭)时的压力就是关闭压力Pr。从图5a和图5b中还可见配备的弹簧刚度越大(***>***)。即在动态的释放过程中，图5b的弹簧作用力均大于图5a。其回座压力Pr也越高，说明了图5b所配备的设计结构有利于及时再行关闭。
4．平衡式結構原理與解析
重閉式壓力釋放裝置的適用場合通常有兩種介質流動狀態——臨界流動和亞臨界流動，前面解析的情況均設爲臨界流動。則亞臨界流動的條件可用式(4)來表示：
式中：Pd——實際排放壓力，MPa(a)；
Pb——背壓力，MPa(a)；
k——在排放時進口狀況下的絕熱指數(對于理想氣體，k等于比熱容比)。
可見當背壓力Pb>Pd·[2/(k+1)]k/(k-1)時，重閉式壓力釋放裝置的出、入口介質流動的釋放會出現亞臨界流動狀況。這種由背壓力過高帶來的亞臨界流動會導致壓力釋放裝置的排量降低以及整定壓力的准確性。圖6爲壓力釋放閥的示意圖，圖6a爲常規的壓力釋放閥，它的整定壓力Ps與彈簧力F和密封面中徑Dmz有關。圖6b爲常規壓力釋放閥受到背壓力Pb的影響，它的整定壓力Ps與背壓力Pb和背壓力所作用的結構面積差值(Dmz—d)有關，這樣很明顯背壓力Pb直接影響Ps。爲了避免Pb的影響，在壓力釋放閥的結構中引入了波紋管平衡式壓力釋放裝置。圖7爲波紋管平衡式壓力釋放閥的示意圖，在結構設計時設置了波紋管，而且使得波紋管的中徑D與密封面中徑Dmz完全一致，這樣函數式O.785Pb(Dmz2-D2)自動消失，整定壓力Ps就不受Pb的影響。所以，設置有波紋管的平衡式壓力釋放閥可應用于有背壓力的場合。
从图l和式1的解析可见，当系统的介质压力较高时，相应的整定压力Ps也提高，所配备的弹簧作用力也相应提高。同理，所配备的閥門公称尺寸越大或排放量较大，需要的弹簧作用力和结构尺寸也相应增大，这给弹簧的制造和加工工艺带来了一定的难度。所以在压力释放装置中引入了脉冲先导式安全阀，如图8所示。图8a为大排量的重闭式压力释放装置，它由1主阀和2冲量导阀所组成的压力释放装置。为了避免大口径的主阀配备加工和制造难度较大的弹簧，采用了有利于密封的倒装结构阀瓣配备活塞的设计方案，装置的开启由2小冲量导阀的同一承压设备的压力P信号来控制。图8b为无冲量导阀压力信号主阀关闭时的受力结构图，活塞3的受力面积大于阀瓣4的受力面积。可见其密封性及佳，且随入口压力的增高密封比压越大，密封效果越好。图8c为有2小冲量导阀开启提供主阀压力P信号时主阀打开的受力结构图，受力面积较大的活塞3推动受力面积较小的阀瓣，使得主阀被完全打开，介质完全释放。所以脉冲先导式压力释放装置适用于大口径和大排量的场合是比较理想的。
5．負壓式結構原理與解析
當承壓設備出現負壓時，也需要進行超(負)壓保護。所以在重閉式壓力釋放裝置中有一種負壓安全閥，它的結構原理和設計思路與彈簧加載式安全閥相類似，如圖9所示。
設彈簧作用力爲F，如圖9a所示，經受力分析，確定負壓整定壓力的關系式
式中：Ps——負壓整定壓力，MPa(a)；
P——大氣壓力，0.101325MPa(a)；
F——彈簧作用力，N；
A——閥瓣的密封面積，mm2。
當閥的結構確定後，負壓整定壓力取決于彈簧力，閥的開啓升程取決于彈簧剛度，閥的關閉取決于大氣的射人量、流道面積以及彈簧剛度。可見，這與圖2a和圖2b的倒置結構氣流動力學原理相一致。
6．結束語
通過以上對重閉式壓力釋放裝置的解析，能進一步地了解和掌握重閉式壓力釋放裝置。爲了嚴格地區分和應用重閉式壓力釋放裝置，可用下列的定義來區別和應用：
當重閉式壓力釋放裝置——壓力釋放閥的開度一般與超過壓力增加值成比例爲特征時，是一種泄壓閥或者比例式安全閥，主要適用于不可壓縮性介質。
當重閉式壓力釋放裝置——壓力釋放閥是以快速開啓或突然動作和爆開爲特征時，是一種安全閥或者全啓式安全閥，通常適用于可壓縮性介質。
當重閉式壓力釋放裝置——壓力釋放閥是以各種背壓不影響動作性能爲特征時，是一種平衡式安全閥，主要適用于有背壓和防腐蝕場合。
當重閉式壓力釋放裝置——壓力釋放閥是以導閥脈沖信號控制大排量主釋放裝置爲特征時，是一種脈沖式安全閥，一般適用于大排放量的超壓保護。
當重閉式壓力釋放裝置——壓力釋放閥是以補充流體以防止容器內過高真空度爲特征時，是一種真空安全閥，適用于負壓保護。
在通常工况下，蒸汽锅炉、蒸汽管道一般用带扳手不封闭的安全阀，气体介质一般用封闭的安全阀，英文名为safety valve ；水等液体不可压缩介质一般用泄压阀，英文名为relief valve；受背压波动较大和有毒易燃的容器或管路系统一般用平衡式安全阀，英文名为balanced pressure safety valve；对大口径、大排量及高压系统一般用脉冲式安全阀，英文名为pilot Operated pressure safety valve；在负压或操作过程中可能会产生负压的系统一般用真空负压安全阀，英文名为vacuum safety valve。
在特殊工况下，排放的介质有液体、气体或多相混合物介质时，可设计用于液体(或液体和气体)的平衡式(以减小背压的影响)弹簧加载式泄压阀。当閥門入口处两相(液相和气相)混合物的质量百分数中气体为小于等于50％时，则应设计用于液体或液一气两相介质的泄压阀。若一容器中有液一气两相介质并有一定液体含量的气压区，则应使用气体介质的安全阀。若一热交换器中有液一气两相介质并在水一侧需超压保护时，则应使用液体介质的泄压阀。在特定工况下，可能会要求閥門排放液体或气体，这取决于造成超压的工况(例如，热交换管断裂)。这种用途下，推荐使用一个设计用于液体介质的泄压阀或使用一个设计用于液一气两相介质的泄压阀。
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