細(xì)長桿泄壓閥設(shè)計

宋 尚

（無錫斯沃特流體控制技術(shù)有限公司，江蘇 無錫 214028）

0 引言

目前經(jīng)常被使用的泄壓閥主要有爆破片式、彈簧式、爆破針型泄壓蝶閥和先導(dǎo)式柱塞閥等，這些種類的泄壓閥雖然在長期的發(fā)展中取得了一定的成績，但因閥門本身的缺點明顯與國外先進(jìn)的設(shè)備相比還存在著一定的差距，各個企業(yè)在選擇閥門的時候還是優(yōu)先選擇國外閥門。

從20 世紀(jì)90 年代開始，ASME 鍋爐及壓力容器規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)將爆破針型泄壓閥列為可以采用的非重閉式泄壓裝置，并在第VIII 卷第1 冊UG 篇對其制造、測試和使用作出規(guī)定[1]。另外，API RP 520《煉油廠壓力泄放裝置的定徑、選擇和安裝》中規(guī)定了爆破針型泄壓閥的設(shè)置、尺寸確定和安裝[2]。這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定為新技術(shù)的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

本課題研究的內(nèi)容是該設(shè)計產(chǎn)品能克服現(xiàn)有產(chǎn)品存在的不足，提供一種使用范圍廣，調(diào)節(jié)精度高，可重復(fù)使用，現(xiàn)場零件更換方便，即可以單獨使用又可以和任何種類的主閥配合使用的細(xì)長桿泄壓閥。

1 細(xì)長桿泄壓閥特點

1.1 常規(guī)泄壓閥結(jié)構(gòu)特點

常規(guī)的泄壓閥都具有各自的缺點：

1）爆破片式不能重復(fù)使用，質(zhì)量不好時容易疲勞導(dǎo)致失效，更換比較麻煩。

2）彈簧式載荷隨閥瓣升高變化大，性能動作受高溫影響大。

3）爆破針型泄壓蝶閥密封系統(tǒng)比較脆弱，容易導(dǎo)致泄漏，而且泄壓觸發(fā)機(jī)構(gòu)過于復(fù)雜，精度不高，成本太高。

4）先導(dǎo)式柱塞閥相當(dāng)復(fù)雜，而且與主閥直接相連，有使用局限性，不適合高溫和低壓場合。

1.2 細(xì)長桿泄壓閥特點

1）本發(fā)明充分利用細(xì)長桿失穩(wěn)的歐拉定律，采用使細(xì)長桿兩端受力的結(jié)構(gòu)，定位性好，精確度能達(dá)到±0.01MPa 以上。

2）本發(fā)明加工簡單，同軸度高，導(dǎo)向性好，密封部位完全避開閥體內(nèi)壁上的圓錐螺紋孔，確保閥芯在運動過程中可以密封。

3）本發(fā)明無論單獨使用還是和主閥配合使用都能達(dá)到泄壓目的，確保在介質(zhì)小壓差下也能順利推開或關(guān)閉閥門，達(dá)到現(xiàn)場使用要求。

4）本發(fā)明結(jié)構(gòu)精巧，介質(zhì)高壓輸入通道和介質(zhì)低壓輸出通道的外端口均為圓錐螺紋接口，不僅方便與其他設(shè)備的方便快速連接，而且可以使泄壓閥遠(yuǎn)離介質(zhì)，避免受高溫介質(zhì)影響。

5）本發(fā)明中的各個零件都進(jìn)行模塊化生產(chǎn)，現(xiàn)場不用拆卸閥門就可以更換零件，維修方便，大大縮短檢修周期，降低成本。

2 細(xì)長桿泄壓閥結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

圖1 泄壓閥關(guān)閉時的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram when the relief valve is closed

如圖1、圖2 所示長桿泄壓閥的結(jié)構(gòu)：圖中的細(xì)長桿泄壓閥主要由閥體1、上閥蓋4、底蓋7、閥芯2、閥桿3 和細(xì)長桿10 等組成，所述閥體1 為一圓筒體，所述上閥蓋4通過螺栓密封安裝在閥體1 頂部，所述底蓋7 通過螺栓密封安裝在閥體1 底部，上閥蓋4、閥體1 和底蓋7 形成一個封閉的圓柱體型腔；所述閥芯2 裝配在圓柱體型腔內(nèi)并可以上下運動，所述閥桿3 下端連接閥芯2，閥桿3 上端從上閥蓋4 的中心通孔內(nèi)穿過，閥桿3 頂部與一豎直設(shè)置的細(xì)長桿10 的下端連接，所述細(xì)長桿10 的上端連接在一支撐架上，所述支撐架固定連接在上閥蓋4 上；所述底蓋7 上設(shè)有介質(zhì)高壓輸入通道14，該介質(zhì)高壓輸入通道14 的內(nèi)端口正對閥芯2 底部，輸入的高壓介質(zhì)對閥芯2 底部施加壓力，閥芯2 再通過閥桿3 給細(xì)長桿10 施加壓力；所述閥體1 上設(shè)有介質(zhì)低壓輸出通道15，該介質(zhì)低壓輸出通道15 的內(nèi)端口位于閥體1 的側(cè)壁上，當(dāng)輸入的高壓介質(zhì)壓力不足以使細(xì)長桿10 失穩(wěn)時，閥芯2 保持不動，介質(zhì)低壓輸出通道15 的內(nèi)端口被閥芯2 封堵??；當(dāng)高壓介質(zhì)的壓力足以使細(xì)長桿10 失穩(wěn)時，閥芯2 向上運動，介質(zhì)低壓輸出通道15 的內(nèi)端口打開，介質(zhì)高壓輸入通道14 與介質(zhì)低壓輸出通道15 連通起來，實現(xiàn)泄壓。

如圖1、圖2 所示，所述底蓋7 的內(nèi)部中心位置設(shè)有一圓柱凸臺7a，閥芯2 的下部中心設(shè)有一圓柱孔，圓柱凸臺7a 密封滑動裝配在該圓柱孔內(nèi)；圓柱凸臺7a 的軸向中心設(shè)有進(jìn)氣通道16，進(jìn)氣通道16 的外端口用于連接氣源；閥桿3 下部設(shè)有一可與所述圓柱孔密封滑動配合的密封頭3a，當(dāng)細(xì)長桿10 未失穩(wěn)時，所述密封頭3a 下端面與所述圓柱凸臺7a 上端面密封接觸，將進(jìn)氣通道16 的內(nèi)端口封堵??；當(dāng)細(xì)長桿10 失穩(wěn)時，密封頭3a 下端面與所述圓柱凸臺7a 上端面脫離接觸，進(jìn)氣通道16 的內(nèi)端口打開，氣體由進(jìn)氣通道16 進(jìn)入圓柱孔；圓柱孔與閥芯2 的內(nèi)腔連通，并且圓柱孔的內(nèi)徑小于閥芯2 內(nèi)腔的內(nèi)徑，所述閥芯2 內(nèi)腔側(cè)壁上設(shè)有若干個沿周向均布的出氣孔2b，閥芯2 外周側(cè)壁上設(shè)有一環(huán)形出氣槽2c，若干個出氣孔2b 均與環(huán)形出氣槽2c 連通；閥體1 側(cè)壁上設(shè)有出氣通道17，環(huán)形出氣槽2c 與出氣通道17 的內(nèi)端口連通，出氣通道17 的外端口用于連接主閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣源接口。

圖2 本泄壓閥開啟時的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram when the relief valve is open

如圖1、圖2 所示所述支撐架主要由支撐桿5、連接板6、鎖緊螺母13、固定螺母12 和固定螺栓11 組成，支撐桿5 下端螺紋連接固定在上閥蓋4 上，連接板6 安裝在支撐桿5 上端并用鎖緊螺母13 鎖緊固定，固定螺栓11 螺裝在連接板6 上并用固定螺母12 鎖緊，所述細(xì)長桿10 的上端連接在所述固定螺栓11 的下端。

圓柱體型腔的下部設(shè)有一環(huán)形臺階1a，閥芯2 下部設(shè)有一與環(huán)形臺階1a 相匹配的環(huán)形肩臺2a。這樣的結(jié)構(gòu)配合可以提升閥芯2 與閥體1 間的密封性能，并且同軸度高，導(dǎo)向性好。上閥蓋4 與閥體1 之間夾裝有第一纏繞墊8.1，所述底蓋7 與閥體1 之間夾裝有第二纏繞墊8.2。所述閥芯2 外周面與閥體1 內(nèi)壁面之間設(shè)有若干個第一密封圈9.1。所述圓柱凸臺7a 外周面與圓柱孔內(nèi)壁面之間設(shè)置有第二密封圈9.2。所述密封頭3a 下端面鑲裝有第三密封圈9.3。所述閥芯2 上端面鑲裝有第四密封圈9.4。這些密封件的作用都是用來提升設(shè)備的密封性能。

如圖1、圖2 所示，所述閥桿3 頂部中心設(shè)有定位孔，固定螺栓11 下端面中心設(shè)有定位孔，細(xì)長桿10 的上下端分別置于定位孔內(nèi)。這樣的結(jié)構(gòu)有利于細(xì)長桿10 的裝配。所述介質(zhì)高壓輸入通道14 的外端口和介質(zhì)低壓輸出通道15 的外端口均為圓錐螺紋接口，這樣不僅方便本發(fā)明與其他設(shè)備的方便快速連接，而且可以通過螺紋連接使泄壓閥遠(yuǎn)離介質(zhì)，避免受高溫介質(zhì)影響。

本發(fā)明的工作原理及工作過程如下：

介質(zhì)高壓輸入通道14 的外端口連接管道內(nèi)或者主閥前高壓區(qū)，當(dāng)介質(zhì)壓力未超過細(xì)長桿10 所能承受的力時，泄壓閥保持關(guān)閉（狀態(tài)如圖1 所示）；當(dāng)介質(zhì)壓力高于細(xì)長桿10 所能承受的力時，細(xì)長桿10 就會失穩(wěn)變形，閥芯2 和閥桿3 會同時向上運動，介質(zhì)就會進(jìn)入到閥內(nèi)，然后從介質(zhì)低壓輸出通道15 的外端口排出，此時泄壓閥開啟（狀態(tài)如圖2 所示）。

當(dāng)本發(fā)明與主閥配合使用時，進(jìn)氣通道16 的外端口與氣源連通，出氣通道17 的外端口與主閥執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣源接口連接，當(dāng)閥芯2 和閥桿3 向上運動時，進(jìn)氣通道16 的內(nèi)端口打開，高壓氣體會從出氣通道17 排出，推動執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動主閥工作。

3 細(xì)長桿的設(shè)計計算

本產(chǎn)品中細(xì)長桿的選擇是根據(jù)歐拉公式編寫軟件計算所得。按照客戶提供的壓力和需要閥門大小等參數(shù)，先大約確定閥門缸徑，計算出使細(xì)長桿失穩(wěn)所需要的力，再根據(jù)市面上常見規(guī)格選定金屬絲的直徑，按公式算出長度后，比較細(xì)長桿和材質(zhì)的細(xì)長比，根據(jù)多次試驗設(shè)定一個精確的細(xì)長桿失穩(wěn)時的具體參數(shù)值。具體計算公式如下：

活塞向上推力：F=閥門活塞有效面積×介質(zhì)壓力 （1）

壓桿臨界力（歐拉公式）：Plj=Π2EI/ (ul)^2=π2EI/L^2（2）

細(xì)長壓桿的細(xì)長比：λ1=4L/D（3）

材質(zhì)的細(xì)長比：λ2 = (π^2NE/δ) ^0.5（4）

當(dāng)λ1 ＞λ2 時，計算細(xì)長桿的屈服強(qiáng)度Wo1

Wo1= (Nπ^2E/λ1^2)x(πD^2/4)（5）

當(dāng)λ1 ＜λ2 時，計算細(xì)長桿的屈服強(qiáng)度Wo2

Wo2=(δ-(δ/2π)^2xλ1^2/NE)x(πD^2/4)（6）

4 結(jié)論

本文從泄壓閥的現(xiàn)狀及細(xì)長桿泄壓閥的特點開始分析，總結(jié)了開發(fā)這種細(xì)長桿泄壓閥的意義及發(fā)展趨勢及常規(guī)泄壓閥的特點，又從結(jié)構(gòu)上分析細(xì)長桿泄壓閥的特點及優(yōu)勢。詳細(xì)地介紹了細(xì)長桿泄壓閥的結(jié)構(gòu)方案設(shè)計，清晰地闡述閥門工作的原理，通過本文的閱讀能充分了解該產(chǎn)品的優(yōu)點。