高靈敏度高壓安全閥的設(shè)計(jì)

楊亞青+張啟明

摘 要：為保證安全閥在高壓系統(tǒng)下的工作可靠性，以其在高靈敏度42 MPa空氣壓縮機(jī)中的設(shè)計(jì)為例。主要闡述了安全閥的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，分析設(shè)計(jì)安全閥時(shí)容易出現(xiàn)的問題和解決辦法。通過實(shí)驗(yàn)證明了安全閥工作的可靠性。

關(guān)鍵詞：安全閥 參數(shù)設(shè)計(jì) 工作可靠性

中圖分類號：TH134 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0092-01

為避免系統(tǒng)的壓力高于預(yù)先設(shè)定的安全壓力值，安全閥可以通過介質(zhì)自身的作用排放一定量的流體，從而作為自動(dòng)閥門來保護(hù)系統(tǒng)中承受過大壓力的設(shè)備，保證系統(tǒng)的正常工作。因此，安全閥應(yīng)滿足高靈敏度的特性。特別是在空壓機(jī)中所用的高壓安全閥，由于不能進(jìn)行定期有規(guī)律的校驗(yàn)、設(shè)計(jì)過程易出現(xiàn)問題而導(dǎo)致的常見問題有：靈敏度不足，不能正?；刈?。解決這類問題的困難在于安全閥的設(shè)計(jì)，除了考慮自身的原因，還要把系統(tǒng)的相關(guān)情況考慮在內(nèi)。為保證高壓系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全運(yùn)行，高靈敏度的安全閥設(shè)計(jì)是高壓安全閥設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

該文以在42MPa空壓機(jī)中使用的安全閥為例，在分析其結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的設(shè)計(jì)方法的同時(shí)，提出了設(shè)計(jì)過程中易出現(xiàn)的問題和解決方法。

1 技術(shù)性能參數(shù)

1.1 已知參數(shù)

空壓機(jī)工作壓力：P=40 MPa

空壓機(jī)容積流量：Q=480 m3/h

工作環(huán)境溫度：≤100 ℃

適用介質(zhì)：空氣

1.2 確定壓力值

空壓機(jī)與壓力容器的相通是經(jīng)管道實(shí)現(xiàn)的，末級空壓機(jī)安全閥的壓力調(diào)定對壓力容器的設(shè)計(jì)壓力有直接作用，一般靈敏度和高靈敏度的安全閥的壓力差別比較大，對于40 MPa的壓縮機(jī)所使用的安全閥的末級壓力設(shè)定如表1。

可見，安全閥的設(shè)計(jì)需按高靈敏度等級進(jìn)行，壓力容器、空壓機(jī)和管路的高壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力才能達(dá)到44 MPa，也就能在運(yùn)行過程中確保系統(tǒng)的安全性。

1.3 臨界流動(dòng)條件

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《安全閥一般要求》進(jìn)行計(jì)算，判斷是否滿足下述條件：

其中 Pb為安全閥出口絕對側(cè)壓力，一般取為0.1 MPa

Pd為安全閥絕對排放壓力，一般為44.1 MPa

K為絕熱參數(shù)，一般為1.4

代入上式經(jīng)計(jì)算后滿足臨界的流動(dòng)條件。

1.4 校核計(jì)算理論排量

假如蘭金定律成立，臨界狀態(tài)下的理論排量為

2 結(jié)構(gòu)性能參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空壓機(jī)中使用的高靈敏度安全閥在結(jié)構(gòu)上要有保證，由于空壓機(jī)在工況時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，故可利用彈簧緩解振動(dòng)的優(yōu)勢而采用彈簧式安全閥，從而排放多余的流體。

突跳動(dòng)作式安全閥的開啟過程有兩個(gè)階段，在開始的階段，閥瓣的開啟隨著壓力成比例變化，當(dāng)壓力達(dá)到一較小的值后，閥瓣急速開啟到一定程度。由分析知這種兩段作用式的安全閥能夠滿足高靈敏度的要求。因?yàn)榭諌簷C(jī)的排放氣體是沒有污染作用的空氣，排氣口可以設(shè)計(jì)為開放式而排放到工作環(huán)境中。

2.2 密封設(shè)計(jì)

因?yàn)榘踩y在較高的工作壓力下又要保證高靈敏度，故可采用錐形密封。在材料上，考慮用金屬來制造閥瓣—閥座密封結(jié)構(gòu)。

在結(jié)構(gòu)確定后，還需通過密封面比壓計(jì)算來驗(yàn)證工作可靠性。在計(jì)算過程中閥瓣和閥體材料用不銹鋼2Cr13，經(jīng)校核密封面能夠達(dá)到密封的比壓要求。

2.3 閥瓣設(shè)計(jì)

為保證安全閥的高靈敏度，在閥瓣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為中心的同時(shí)，還要把密封面的情況考慮進(jìn)去。增大工作介質(zhì)沖擊時(shí)的有效作用面積并采用錐面和圓柱體的閥瓣結(jié)構(gòu)可以提高安全閥的動(dòng)作靈敏度。另外導(dǎo)向部分也要保證其長度大于直徑的4/5，這樣才能保證安全閥能夠順利關(guān)閉而不發(fā)生卡滯現(xiàn)象。閥瓣的表面熱處理采用淬火至硬度達(dá)到HRC50～55以滿足安全閥耐沖擊性的要求。

2.4 彈簧設(shè)計(jì)

彈簧的合理設(shè)計(jì)是確保安全閥具有高度靈敏性的關(guān)鍵部分，它決定了閥的開啟壓力、閥瓣行程和閥在關(guān)閉情況下密封的可靠性，因此彈簧的設(shè)計(jì)要求正確合理。

由于閥瓣的開啟速度相當(dāng)快并為全啟式安全閥，閥瓣的運(yùn)動(dòng)位移與壓力的升高并不形成一定比例。在計(jì)算彈簧剛度時(shí)，應(yīng)把開啟閥瓣后受工作介質(zhì)作用而改變的有效作用面積考慮在內(nèi)，而此刻的介質(zhì)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于排放壓力Pd，通常帶反沖機(jī)構(gòu)的安全閥取為0.1 Pd。

3 結(jié)果分析

設(shè)計(jì)制造完成的安全閥在試驗(yàn)裝置上進(jìn)行試驗(yàn)，測得結(jié)果如表2所示。

可知，實(shí)測值與設(shè)計(jì)中的偏差在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。同時(shí)安全閥反應(yīng)動(dòng)作迅速，各參數(shù)均合理，無不良現(xiàn)象發(fā)生。

4 結(jié)語

綜上，密封部分和彈簧的相關(guān)設(shè)計(jì)是高靈敏度高壓安全閥的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。此安全閥對其它階段工作壓力和流量條件下的工作情況能否廣泛使用，仍需要進(jìn)一步試驗(yàn)證明。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭崇志，朱壽林.安全閥超壓泄放瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬研究[J].流體機(jī)械，2012（2）.

[2] 楊源泉.閥門設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[3] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化工工業(yè)出版社，2007.endprint

摘 要：為保證安全閥在高壓系統(tǒng)下的工作可靠性，以其在高靈敏度42 MPa空氣壓縮機(jī)中的設(shè)計(jì)為例。主要闡述了安全閥的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，分析設(shè)計(jì)安全閥時(shí)容易出現(xiàn)的問題和解決辦法。通過實(shí)驗(yàn)證明了安全閥工作的可靠性。

關(guān)鍵詞：安全閥 參數(shù)設(shè)計(jì) 工作可靠性

中圖分類號：TH134 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0092-01

為避免系統(tǒng)的壓力高于預(yù)先設(shè)定的安全壓力值，安全閥可以通過介質(zhì)自身的作用排放一定量的流體，從而作為自動(dòng)閥門來保護(hù)系統(tǒng)中承受過大壓力的設(shè)備，保證系統(tǒng)的正常工作。因此，安全閥應(yīng)滿足高靈敏度的特性。特別是在空壓機(jī)中所用的高壓安全閥，由于不能進(jìn)行定期有規(guī)律的校驗(yàn)、設(shè)計(jì)過程易出現(xiàn)問題而導(dǎo)致的常見問題有：靈敏度不足，不能正?；刈?。解決這類問題的困難在于安全閥的設(shè)計(jì)，除了考慮自身的原因，還要把系統(tǒng)的相關(guān)情況考慮在內(nèi)。為保證高壓系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全運(yùn)行，高靈敏度的安全閥設(shè)計(jì)是高壓安全閥設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

該文以在42MPa空壓機(jī)中使用的安全閥為例，在分析其結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的設(shè)計(jì)方法的同時(shí)，提出了設(shè)計(jì)過程中易出現(xiàn)的問題和解決方法。

1 技術(shù)性能參數(shù)

1.1 已知參數(shù)

空壓機(jī)工作壓力：P=40 MPa

空壓機(jī)容積流量：Q=480 m3/h

工作環(huán)境溫度：≤100 ℃

適用介質(zhì)：空氣

1.2 確定壓力值

空壓機(jī)與壓力容器的相通是經(jīng)管道實(shí)現(xiàn)的，末級空壓機(jī)安全閥的壓力調(diào)定對壓力容器的設(shè)計(jì)壓力有直接作用，一般靈敏度和高靈敏度的安全閥的壓力差別比較大，對于40 MPa的壓縮機(jī)所使用的安全閥的末級壓力設(shè)定如表1。

可見，安全閥的設(shè)計(jì)需按高靈敏度等級進(jìn)行，壓力容器、空壓機(jī)和管路的高壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力才能達(dá)到44 MPa，也就能在運(yùn)行過程中確保系統(tǒng)的安全性。

1.3 臨界流動(dòng)條件

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《安全閥一般要求》進(jìn)行計(jì)算，判斷是否滿足下述條件：

其中 Pb為安全閥出口絕對側(cè)壓力，一般取為0.1 MPa

Pd為安全閥絕對排放壓力，一般為44.1 MPa

K為絕熱參數(shù)，一般為1.4

代入上式經(jīng)計(jì)算后滿足臨界的流動(dòng)條件。

1.4 校核計(jì)算理論排量

假如蘭金定律成立，臨界狀態(tài)下的理論排量為

2 結(jié)構(gòu)性能參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空壓機(jī)中使用的高靈敏度安全閥在結(jié)構(gòu)上要有保證，由于空壓機(jī)在工況時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，故可利用彈簧緩解振動(dòng)的優(yōu)勢而采用彈簧式安全閥，從而排放多余的流體。

突跳動(dòng)作式安全閥的開啟過程有兩個(gè)階段，在開始的階段，閥瓣的開啟隨著壓力成比例變化，當(dāng)壓力達(dá)到一較小的值后，閥瓣急速開啟到一定程度。由分析知這種兩段作用式的安全閥能夠滿足高靈敏度的要求。因?yàn)榭諌簷C(jī)的排放氣體是沒有污染作用的空氣，排氣口可以設(shè)計(jì)為開放式而排放到工作環(huán)境中。

2.2 密封設(shè)計(jì)

因?yàn)榘踩y在較高的工作壓力下又要保證高靈敏度，故可采用錐形密封。在材料上，考慮用金屬來制造閥瓣—閥座密封結(jié)構(gòu)。

在結(jié)構(gòu)確定后，還需通過密封面比壓計(jì)算來驗(yàn)證工作可靠性。在計(jì)算過程中閥瓣和閥體材料用不銹鋼2Cr13，經(jīng)校核密封面能夠達(dá)到密封的比壓要求。

2.3 閥瓣設(shè)計(jì)

為保證安全閥的高靈敏度，在閥瓣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為中心的同時(shí)，還要把密封面的情況考慮進(jìn)去。增大工作介質(zhì)沖擊時(shí)的有效作用面積并采用錐面和圓柱體的閥瓣結(jié)構(gòu)可以提高安全閥的動(dòng)作靈敏度。另外導(dǎo)向部分也要保證其長度大于直徑的4/5，這樣才能保證安全閥能夠順利關(guān)閉而不發(fā)生卡滯現(xiàn)象。閥瓣的表面熱處理采用淬火至硬度達(dá)到HRC50～55以滿足安全閥耐沖擊性的要求。

2.4 彈簧設(shè)計(jì)

彈簧的合理設(shè)計(jì)是確保安全閥具有高度靈敏性的關(guān)鍵部分，它決定了閥的開啟壓力、閥瓣行程和閥在關(guān)閉情況下密封的可靠性，因此彈簧的設(shè)計(jì)要求正確合理。

由于閥瓣的開啟速度相當(dāng)快并為全啟式安全閥，閥瓣的運(yùn)動(dòng)位移與壓力的升高并不形成一定比例。在計(jì)算彈簧剛度時(shí)，應(yīng)把開啟閥瓣后受工作介質(zhì)作用而改變的有效作用面積考慮在內(nèi)，而此刻的介質(zhì)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于排放壓力Pd，通常帶反沖機(jī)構(gòu)的安全閥取為0.1 Pd。

3 結(jié)果分析

設(shè)計(jì)制造完成的安全閥在試驗(yàn)裝置上進(jìn)行試驗(yàn)，測得結(jié)果如表2所示。

可知，實(shí)測值與設(shè)計(jì)中的偏差在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。同時(shí)安全閥反應(yīng)動(dòng)作迅速，各參數(shù)均合理，無不良現(xiàn)象發(fā)生。

4 結(jié)語

綜上，密封部分和彈簧的相關(guān)設(shè)計(jì)是高靈敏度高壓安全閥的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。此安全閥對其它階段工作壓力和流量條件下的工作情況能否廣泛使用，仍需要進(jìn)一步試驗(yàn)證明。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭崇志，朱壽林.安全閥超壓泄放瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬研究[J].流體機(jī)械，2012（2）.

[2] 楊源泉.閥門設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[3] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化工工業(yè)出版社，2007.endprint

摘 要：為保證安全閥在高壓系統(tǒng)下的工作可靠性，以其在高靈敏度42 MPa空氣壓縮機(jī)中的設(shè)計(jì)為例。主要闡述了安全閥的結(jié)構(gòu)和性能參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，分析設(shè)計(jì)安全閥時(shí)容易出現(xiàn)的問題和解決辦法。通過實(shí)驗(yàn)證明了安全閥工作的可靠性。

關(guān)鍵詞：安全閥 參數(shù)設(shè)計(jì) 工作可靠性

中圖分類號：TH134 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0092-01

為避免系統(tǒng)的壓力高于預(yù)先設(shè)定的安全壓力值，安全閥可以通過介質(zhì)自身的作用排放一定量的流體，從而作為自動(dòng)閥門來保護(hù)系統(tǒng)中承受過大壓力的設(shè)備，保證系統(tǒng)的正常工作。因此，安全閥應(yīng)滿足高靈敏度的特性。特別是在空壓機(jī)中所用的高壓安全閥，由于不能進(jìn)行定期有規(guī)律的校驗(yàn)、設(shè)計(jì)過程易出現(xiàn)問題而導(dǎo)致的常見問題有：靈敏度不足，不能正?；刈?。解決這類問題的困難在于安全閥的設(shè)計(jì)，除了考慮自身的原因，還要把系統(tǒng)的相關(guān)情況考慮在內(nèi)。為保證高壓系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和安全運(yùn)行，高靈敏度的安全閥設(shè)計(jì)是高壓安全閥設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

該文以在42MPa空壓機(jī)中使用的安全閥為例，在分析其結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的設(shè)計(jì)方法的同時(shí)，提出了設(shè)計(jì)過程中易出現(xiàn)的問題和解決方法。

1 技術(shù)性能參數(shù)

1.1 已知參數(shù)

空壓機(jī)工作壓力：P=40 MPa

空壓機(jī)容積流量：Q=480 m3/h

工作環(huán)境溫度：≤100 ℃

適用介質(zhì)：空氣

1.2 確定壓力值

空壓機(jī)與壓力容器的相通是經(jīng)管道實(shí)現(xiàn)的，末級空壓機(jī)安全閥的壓力調(diào)定對壓力容器的設(shè)計(jì)壓力有直接作用，一般靈敏度和高靈敏度的安全閥的壓力差別比較大，對于40 MPa的壓縮機(jī)所使用的安全閥的末級壓力設(shè)定如表1。

可見，安全閥的設(shè)計(jì)需按高靈敏度等級進(jìn)行，壓力容器、空壓機(jī)和管路的高壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力才能達(dá)到44 MPa，也就能在運(yùn)行過程中確保系統(tǒng)的安全性。

1.3 臨界流動(dòng)條件

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《安全閥一般要求》進(jìn)行計(jì)算，判斷是否滿足下述條件：

其中 Pb為安全閥出口絕對側(cè)壓力，一般取為0.1 MPa

Pd為安全閥絕對排放壓力，一般為44.1 MPa

K為絕熱參數(shù)，一般為1.4

代入上式經(jīng)計(jì)算后滿足臨界的流動(dòng)條件。

1.4 校核計(jì)算理論排量

假如蘭金定律成立，臨界狀態(tài)下的理論排量為

2 結(jié)構(gòu)性能參數(shù)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

空壓機(jī)中使用的高靈敏度安全閥在結(jié)構(gòu)上要有保證，由于空壓機(jī)在工況時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)，故可利用彈簧緩解振動(dòng)的優(yōu)勢而采用彈簧式安全閥，從而排放多余的流體。

突跳動(dòng)作式安全閥的開啟過程有兩個(gè)階段，在開始的階段，閥瓣的開啟隨著壓力成比例變化，當(dāng)壓力達(dá)到一較小的值后，閥瓣急速開啟到一定程度。由分析知這種兩段作用式的安全閥能夠滿足高靈敏度的要求。因?yàn)榭諌簷C(jī)的排放氣體是沒有污染作用的空氣，排氣口可以設(shè)計(jì)為開放式而排放到工作環(huán)境中。

2.2 密封設(shè)計(jì)

因?yàn)榘踩y在較高的工作壓力下又要保證高靈敏度，故可采用錐形密封。在材料上，考慮用金屬來制造閥瓣—閥座密封結(jié)構(gòu)。

在結(jié)構(gòu)確定后，還需通過密封面比壓計(jì)算來驗(yàn)證工作可靠性。在計(jì)算過程中閥瓣和閥體材料用不銹鋼2Cr13，經(jīng)校核密封面能夠達(dá)到密封的比壓要求。

2.3 閥瓣設(shè)計(jì)

為保證安全閥的高靈敏度，在閥瓣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為中心的同時(shí)，還要把密封面的情況考慮進(jìn)去。增大工作介質(zhì)沖擊時(shí)的有效作用面積并采用錐面和圓柱體的閥瓣結(jié)構(gòu)可以提高安全閥的動(dòng)作靈敏度。另外導(dǎo)向部分也要保證其長度大于直徑的4/5，這樣才能保證安全閥能夠順利關(guān)閉而不發(fā)生卡滯現(xiàn)象。閥瓣的表面熱處理采用淬火至硬度達(dá)到HRC50～55以滿足安全閥耐沖擊性的要求。

2.4 彈簧設(shè)計(jì)

彈簧的合理設(shè)計(jì)是確保安全閥具有高度靈敏性的關(guān)鍵部分，它決定了閥的開啟壓力、閥瓣行程和閥在關(guān)閉情況下密封的可靠性，因此彈簧的設(shè)計(jì)要求正確合理。

由于閥瓣的開啟速度相當(dāng)快并為全啟式安全閥，閥瓣的運(yùn)動(dòng)位移與壓力的升高并不形成一定比例。在計(jì)算彈簧剛度時(shí)，應(yīng)把開啟閥瓣后受工作介質(zhì)作用而改變的有效作用面積考慮在內(nèi)，而此刻的介質(zhì)壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于排放壓力Pd，通常帶反沖機(jī)構(gòu)的安全閥取為0.1 Pd。

3 結(jié)果分析

設(shè)計(jì)制造完成的安全閥在試驗(yàn)裝置上進(jìn)行試驗(yàn)，測得結(jié)果如表2所示。

可知，實(shí)測值與設(shè)計(jì)中的偏差在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)。同時(shí)安全閥反應(yīng)動(dòng)作迅速，各參數(shù)均合理，無不良現(xiàn)象發(fā)生。

4 結(jié)語

綜上，密封部分和彈簧的相關(guān)設(shè)計(jì)是高靈敏度高壓安全閥的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。此安全閥對其它階段工作壓力和流量條件下的工作情況能否廣泛使用，仍需要進(jìn)一步試驗(yàn)證明。

參考文獻(xiàn)

[1] 郭崇志，朱壽林.安全閥超壓泄放瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬研究[J].流體機(jī)械，2012（2）.

[2] 楊源泉.閥門設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1992.

[3] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京：化工工業(yè)出版社，2007.endprint