新型先導(dǎo)式安全閥設(shè)計(jì)

新型先導(dǎo)式安全閥設(shè)計(jì)

目錄

1文獻(xiàn)綜述...........................................................1

1.1安全閥概述...................................................1

1.1.1安全閥定義及其應(yīng)用......................................1

1.1.2安全閥部件及原理........................................1

1.1.3安全閥分類..............................................3

1.1.4安全閥選用..............................................4

1.1.5安全閥研究現(xiàn)狀..........................................5

1.2先導(dǎo)式安全閥.................................................6

1.2.1先導(dǎo)式安全閥結(jié)構(gòu)與工作原理..............................6

1.2.2先導(dǎo)式安全閥研究狀況....................................8

1.3存在問題及本文設(shè)計(jì)任務(wù)......................................10

1.3.1先導(dǎo)式安全閥凍堵案例分析...............................10

1.3.2先導(dǎo)式安全閥泄漏問題...................................11

1.3.3先導(dǎo)式安全閥存在問題的解決方案.........................12

1.3.4本文設(shè)計(jì)任務(wù)...........................................12

2結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)......................................................13

2.1實(shí)際工況.....................................................13

2.2設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).....................................................13

2.3結(jié)構(gòu)選型.....................................................14

2.3.1直接載荷式安全閥.......................................14

2.3.2先導(dǎo)式安全閥...........................................15

2.3.3常規(guī)先導(dǎo)式安全閥缺陷...................................16

2.3.4改進(jìn)設(shè)計(jì)方案...........................................16

2.3.5最終選型...............................................17

2.4材料選擇.....................................................17

2.5本章小結(jié).....................................................18

3設(shè)計(jì)計(jì)算..........................................................19

3.1計(jì)算安全泄放量及安全泄放面積................................19

3.1.1實(shí)際工況設(shè)備及流速計(jì)算.................................19

3.1.3介質(zhì)氣體特性參數(shù)計(jì)算...................................20

3.1.4安全泄放量計(jì)算.........................................25

-II-

3.1.5泄放面積計(jì)算...........................................26

3.1.6計(jì)算結(jié)果匯總...........................................27

3.2彈簧剛度計(jì)算及強(qiáng)度校核......................................28

3.2.1主閥彈簧剛度計(jì)算及強(qiáng)度校核.............................28

3.2.2導(dǎo)閥彈簧剛度計(jì)算及強(qiáng)度校核.............................33

3.3閥體強(qiáng)度計(jì)算及校核..........................................38

3.4本章小結(jié)....................................................39

4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明......................................................40

4.1閥體設(shè)計(jì)....................................................40

4.1.1下閥體設(shè)計(jì).............................................40

4.1.2上閥體設(shè)計(jì).............................................42

4.2內(nèi)部構(gòu)件設(shè)計(jì)................................................44

4.2.1閥座...................................................44

4.2.2主閥瓣.................................................45

4.2.3活塞及活塞缸...........................................47

4.2.4導(dǎo)閥閥瓣...............................................49

4.2.5彈簧座與彈簧座套.......................................51

4.2.6調(diào)節(jié)套.................................................52

4.2.7閥桿...................................................53

4.3閥體外部構(gòu)件設(shè)計(jì)............................................54

4.3.1閥蓋...................................................54

4.3.2調(diào)節(jié)螺柱...............................................54

4.4本章小結(jié)....................................................55

5.1接收、裝卸及貯存............................................56

5.1.1接收...................................................56

5.1.2裝卸...................................................59

5.1.3貯存...................................................59

5.2安裝前準(zhǔn)備工作..............................................59

5.2.1安裝場地...............................................59

5.2.2安裝條件確認(rèn)...........................................59

5.3安全閥的安裝................................................60

5.4安全閥調(diào)試..................................................60

-ill-

5.4.1出廠試驗(yàn)...............................................60

5.4.2安裝后的調(diào)試...........................................61

5.5安全閥維修..................................................61

5.5.1安全閥常見故障.........................................61

5.5.2維修方案...............................................62

5.6本章小結(jié)....................................................62

設(shè)計(jì)總結(jié).............................................................63

參考文獻(xiàn)..........................................................64

-IV-

1文獻(xiàn)綜述

1.1安全閥概述

1.1.1安全閥定義及其應(yīng)用

安全閥是一種特殊的自動閥門，其特殊在無需外力開啟或關(guān)閉，而是通過其內(nèi)部的

介質(zhì)壓力達(dá)成其開啟與關(guān)閉川。

安全閥的作用在于當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部壓力超過額定安全值時，安全閥由于內(nèi)部介質(zhì)壓力的

作用而開啟，排出一定量的流體使系統(tǒng)的壓力恢復(fù)到額定安全值一下以此來保護(hù)系統(tǒng)"L

安全閥廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程中的鍋爐、壓力容器以及壓力管道，是最常見的帶壓裝

置保護(hù)器。

1.1.2安全閥部件及原理

化工設(shè)備經(jīng)常會出現(xiàn)超壓現(xiàn)象，為維持系統(tǒng)穩(wěn)定與工藝安全，常用安全閥作為超壓

泄放裝置來進(jìn)行設(shè)備保護(hù)，在安全閥出廠會有設(shè)定好的開啟壓力和泄放壓力，即當(dāng)系統(tǒng)

介質(zhì)壓力達(dá)到開啟壓力時，安全閥會自動開啟，從而進(jìn)行壓力泄放，維持系統(tǒng)平衡，開啟

壓力的偏差不能超過±0.03倍的開啟壓力⑵，否則將有重大安全隱患。

表1.1特性比較

安全閥爆破片易熔塞

結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)復(fù)雜結(jié)構(gòu)簡單結(jié)構(gòu)簡單

口徑范圍較小很大較小

壓力范圍較小很大很大

適用介質(zhì)不適宜粘稠、結(jié)各種介質(zhì)各種介質(zhì)

晶介質(zhì)

重復(fù)使用是否否

經(jīng)常超壓場合適用無法使用無法使用

靈敏性稍差高差

密封性差無泄漏無泄漏

更換與維護(hù)較復(fù)雜簡單簡單

安全閥一般使用的預(yù)緊壓力元件為彈簧，與系統(tǒng)介質(zhì)直接接觸的部件為閥瓣，閥瓣

受力傳遞給彈簧，安全閥的開啟即系統(tǒng)介質(zhì)壓力作用到閥瓣上，壓力為P,閥瓣與介質(zhì)

接觸面積為A,閥瓣所受介質(zhì)的力為壓力與受壓面積的乘積，即QPXA,彈簧的預(yù)緊力

為Fi,由此可知，當(dāng)尸略大于n時，安全閥的閥瓣將被頂起，也即安全閥開啟，介質(zhì)

在安全閥開啟時與安全閥出口連通，若介質(zhì)無害則一般排放至大氣，若介質(zhì)較為危險(xiǎn)則

排放至儲存容器，可以根據(jù)介質(zhì)類型選擇安全閥出口法蘭相接裝置（或大氣）。

超壓泄放裝置不止安全閥這一類泄放裝置，還有爆破片、易熔塞等。

三者的特點(diǎn)對比如表l.lo

由表1」可知，安全閥擁有其他超壓泄放裝置唯一不具備的特性，即重復(fù)使用性。

爆破片原理是當(dāng)系統(tǒng)超壓時，爆破片爆破對系統(tǒng)壓力進(jìn)行泄放，由于爆破片爆破了,

因而當(dāng)系統(tǒng)壓力降低至正常工作壓力后也無法再次進(jìn)行密封，系統(tǒng)介質(zhì)會一直排出，直

至介質(zhì)全部排光。

易熔塞類似于爆破片，當(dāng)溫度達(dá)到易熔塞熔化溫度時，易熔塞不再對系統(tǒng)進(jìn)行密封,

介質(zhì)同樣會一直排出直至排光。

由于爆破片與易熔塞的不可重復(fù)使用，因而很多情況一旦超壓，則會導(dǎo)致：

（1）嚴(yán)重污染。

（2）介質(zhì)（工藝成本）大量流失。

（3）工藝停止，無生產(chǎn)（或運(yùn)行）能力，損失生產(chǎn)時間。

安全閥由于設(shè)計(jì)巧妙，可以重復(fù)使用，從而避免上述情況。

安全閥重復(fù)使用的原理即回座的設(shè)定，當(dāng)安全閥出廠后會設(shè)定一個回座壓力，也即

當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)壓力降低到回座壓力時，泄放過程停止，安全閥重新關(guān)閉，對系統(tǒng)進(jìn)行密封。

反沖盤

圖1.1反沖盤

安全閥設(shè)計(jì)巧妙在于安全閥的一個結(jié)構(gòu)一一反沖盤（圖1.1）的設(shè)計(jì)，在安全閥關(guān)

閉時，系統(tǒng)介質(zhì)只接觸閥瓣，受力面積小，當(dāng)安全閥閥瓣開啟時，介質(zhì)接觸反沖盤，整

體受力面積變大，受力變大（起跳原理）⑶，因而即使隨著介質(zhì)泄放，壓力降低，安全

閥依然能穩(wěn)定的開啟，當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)壓力降低到介質(zhì)的壓力P與整個受力面積乘積（閥受

力）等于彈簧預(yù)緊力時，在彈簧的作用下安全閥實(shí)現(xiàn)回座動作（回座原理），從而安全

閥具有重復(fù)使用性，可以用于經(jīng)常超壓的場合。

1.1.3安全閥分類

安全閥可按以下多種方式分類

（1）安全閥的基本分類W

a）直接載荷式安全閥

用比如彈簧或重錘這樣的機(jī)械載荷來克服閥瓣下介質(zhì)產(chǎn)生的作用力的安全閥，同時

直接載荷式安全閥是最常見的安全閥。其優(yōu)勢為價格相較低廉，可以滿足大多數(shù)要求不

高的場合，其劣勢為不能保證零泄漏，會出現(xiàn)動作不可靠的現(xiàn)象。

b）平衡式安全閥

一種通過采取一定措施來降低背壓對動作的影響到最低的一種安全閥。

c）先導(dǎo)式安全閥

一種特殊的安全閥，其部分分為導(dǎo)閥和主閥，主閥的開啟是通過導(dǎo)閥排出的介質(zhì)來

控制或驅(qū)動的，其中導(dǎo)閥本身同樣也為直接載荷式安全閥，同時先導(dǎo)式安全閥又稱作脈

沖式安全閥。其優(yōu)勢為可以保證零泄漏，可以保證開啟、回座的可靠性，可以滿足特殊

工況下的要求，其劣勢為價格昂貴，拆裝不便。

d）帶動力輔助裝置的安全閥

在借助一個動力裝置的情況下使其可以在低于整定壓力時開啟的安全閥。

（2）按開啟高度分類還可將安全閥分為微啟式、全啟式和中啟式山

a）微啟式安全閥

安全閥開啟高度為流道直徑的1/20,主要用于介質(zhì)為液體的工況，同時也可以用于

小壓力的氣體介質(zhì)工況。

b）全啟式安全閥圖

安全閥開啟高度為流道直徑的1/4,主要用于介質(zhì)為氣體的工況，其彈簧可用

ANSYS進(jìn)行強(qiáng)度分析和疲勞分析⑸，可大幅提高效率并降低成本，進(jìn)行有限元模擬使

用Pro/ENGINEERWF3建立彈簧有限元模型⑹。

c）中啟式安全閥

安全閥開啟高度在全啟式和微啟式之間，國內(nèi)應(yīng)用較少。

-3-

（3）按結(jié)構(gòu)分類⑺

a）帶有扳手（與不帶扳手）的安全閥

扳手用于緊急泄壓，同時可以檢查閥瓣靈活度，當(dāng)介質(zhì)為空氣或水蒸氣時可以帶有

扳手。

b）不封閉（與封閉）彈簧式安全閥

當(dāng)介質(zhì)為空氣、水、水蒸氣時，可以選用不封閉彈簧式安全閥，介質(zhì)為其他時只能

選用封閉式安全閥。

（4）按載荷形式分類

a）非直接載荷式安全閥

先導(dǎo)式安全閥及帶動力輔助裝置的安全閥

b）直接載荷式安全閥

除上述非直接載荷式以外的安全閥

（5）按平衡內(nèi)壓的方式分類⑻

a）杠桿式安全閥

結(jié)構(gòu)為杠桿連接閥瓣與重錘，用重錘的重力來平衡閥瓣所受介質(zhì)的力的安全閥，調(diào)

節(jié)壓力方式為調(diào)整重錘在杠桿上的位置，現(xiàn)已很少使用。

b）彈簧式安全閥

以彈簧壓縮力來平衡閥瓣所受介質(zhì)的力的安全閥，現(xiàn)基本使用的安全閥為彈簧式安

全閥或以其改進(jìn)的安全閥。

1.1.4安全閥選用

安全閥在選用時要考慮幾個方面：介質(zhì)特性、工作溫度、容器有無震動、工作壓力

等。同時選用時要注意以下幾點(diǎn)⑼：

（1）高溫低壓且容器或管道無振動的工況一般采用杠桿式安全閥。

（2）一般的無特殊條件的工況下一般可以采用彈簧式安全閥。

（3）易燃易爆或有毒介質(zhì)采用先導(dǎo)式安全閥或全封閉式安全閥。

（4）壓縮空氣或蒸汽類介質(zhì)一般選用半封閉式或開敞式的全啟式安全閥。

（5）高壓容器或安全泄放量較大的工況一般采用全啟式安全閥。

（6）要求壓力平穩(wěn)或安全泄放量小的工況一般采用微啟式安全閥。

（7）設(shè)定壓力大于3.0MPa,溫度超過235℃的氣體為介質(zhì)時，應(yīng)選用帶散熱片的

安全閥〔⑼。

（8）介質(zhì)為強(qiáng)腐蝕或劇毒性這樣極度危險(xiǎn)的介質(zhì)，可選用帶波紋管安全閥口叫

（9）背壓較大的場合使用帶波紋管安全閥。

1.1.5安全閥研究現(xiàn)狀

安全閥研究現(xiàn)狀如下：

（1）直接載荷式（通用式）安全閥

圖1.2直接載荷式安全閥閉

直接載荷式安全閥結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。

其一般用于背壓低或非腐蝕性介質(zhì)的場合,對于允許的背壓要小于0.1倍的開啟壓

力，一般用于排放口連通大氣的場合⑺。

（2）平衡波紋管式安全閥

介福出U

I.閥帽；2糊桿；3.彈簧；4.閥小5.導(dǎo)向第6.反沖盤；7閥艇；

8.謝方圈；9.倒座；10.閥體；IL放熱器；12.波紋管；13.閥黑螺塞北

圖1.3平衡波紋管式安全閥［房

平衡波紋管式安全閥結(jié)構(gòu)如圖1.3所示。

該類安全閥屬于平衡式安全閥，是對于通用式安全閥的改進(jìn)，將波紋管安裝在閥蓋

與閥瓣之間，將背壓的影響降至最低，允許的背壓小于0.3倍的開啟壓力。

（3）先導(dǎo)式安全閥

詳細(xì)介紹與1.2節(jié)。

（4）碟形彈簧安全閥

將原本的通用式安全閥的彈簧換為碟形彈簧，改用為碟形彈簧，其彈簧所需空間變

小，安全性高，更容易維修更換〔⑵。

（5）外置微啟式等變形并列式組合壓縮彈簧安全閥

1壓蓋2彈黃（大）3彈簧（?。?閥瓣組件5壓力表6閥體

圖1.4外置微啟式彈簧安全閥內(nèi)

結(jié)構(gòu)如圖1.4所示。

該閥用于罐式集裝箱，并列式組合壓縮彈簧有效的減少了安裝產(chǎn)品露出罐體的部

分，而且彈簧不與介質(zhì)直接接觸，使彈簧不會產(chǎn)生斷裂，保證了整體安全性。

1.2先導(dǎo)式安全閥

1.2.1先導(dǎo)式安全閥結(jié)構(gòu)與工作原理

先導(dǎo)式安全閥的組成結(jié)構(gòu)如圖1.5,部件有主閥、導(dǎo)閥、泄放閥、導(dǎo)管和接頭等。

-6-

圖1.5先導(dǎo)式安全閥內(nèi)

其中導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)如圖1.6o

5」.閥附6彈簧7泄放閥

圖1.6導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)〔用

先導(dǎo)式安全閥的工作原理：正常工況下，系統(tǒng)介質(zhì)通過導(dǎo)閥達(dá)到主閥閥瓣上方氣室,

主閥閥瓣下側(cè)介質(zhì)壓力與閥瓣上方氣室的介質(zhì)壓力相平衡，而主閥彈簧給予主閥瓣預(yù)緊

-7-

力，因而若導(dǎo)閥不開啟，則主閥將永遠(yuǎn)不會開啟，當(dāng)導(dǎo)閥開啟時主閥上方氣室與系統(tǒng)介

質(zhì)的連通消失，氣室中的介質(zhì)通過導(dǎo)閥的排氣接頭迅速排出，此時主閥會順利開啟，動

作響應(yīng)快，介質(zhì)從主閥大量排出，當(dāng)系統(tǒng)壓力降低到整定壓力的90%時，導(dǎo)閥關(guān)閉，系

統(tǒng)介質(zhì)再次充滿主閥閥瓣上方氣室，主閥迅速關(guān)閉，保證整個系統(tǒng)的安全，同時保證了

無泄漏口久

1.2.2先導(dǎo)式安全閥研究狀況

我國先導(dǎo)式安全閥的出現(xiàn)始于1988年劉志誠在《石油化工和設(shè)備》發(fā)表的《壓力

容器用新型先導(dǎo)式安全閥》，而最新的關(guān)于先導(dǎo)式安全閥的研究是全塑料密封先導(dǎo)式安

全閥以及核級先導(dǎo)式安全閥。

（1）高壓低溫先導(dǎo)式安全閥〔⑸

圖1.7為高壓低溫先導(dǎo)式安全閥系統(tǒng)原理圖，這種先導(dǎo)式安全閥與普通的先導(dǎo)式安

全閥相差無幾只不過稍稍改進(jìn)了一下，介質(zhì)通過控制閥（導(dǎo)閥）到達(dá)貯箱，而貯箱與主

閥的開腔連接，同樣給予主閥閥瓣兩側(cè)相同的介質(zhì)壓力，而在導(dǎo)閥開啟時，貯箱的介質(zhì)

迅速由自主閥泄出，這樣在主閥閥瓣上側(cè)無介質(zhì)壓力，主閥順利打開做到對系統(tǒng)壓力的

泄放。

1.液雙七箱2.控制閥

3.安全閥主閾4壓力表

圖1.7系統(tǒng)原理圖（⑸

對于當(dāng)時來說由于一般使用的還是直接載荷式彈簧式安全閥，對于大口徑的直接載

荷彈簧式安全閥在設(shè)計(jì)、制造以及彈簧材料這些方面都存在較大的困難，因而更傾向于

采用這樣的非直接作用式的先導(dǎo)式安全閥。其顯著優(yōu)勢在于該系統(tǒng)中主閥對閥瓣的壓緊

力相較與直接載荷彈簧式安全閥要大得多，這樣在正常工況也即閥門關(guān)閉的時候密封更

加可靠，同時這樣的系統(tǒng)其閥門的靈敏度也更高。

-8-

I.控制閥閥*2.控制閥閥取3.控制

何為濱4.連接管5.主閥活塞6.

主閥氣缸7.主閥彈法8.主㈱腐座

9.上閥閥朝

圖1.8介質(zhì)作用于閥瓣上方的先導(dǎo)式安全閥?⑸

當(dāng)然該高壓低溫先導(dǎo)式安全閥較于普通的先導(dǎo)式安全閥還是有一定的差別，在這個

系統(tǒng)中(如圖1.8)主閥是倒置放置的，與介質(zhì)從閥瓣下方流入的系統(tǒng)有所不同，而因

此貯箱中的介質(zhì)壓力就提供了閥瓣貼合閥座的壓緊力，同樣也是壓力越高密封效果越

好。而且在正常工況下，主閥氣缸內(nèi)無介質(zhì)作用力，只在系統(tǒng)超壓時會在很短的時間內(nèi)

通入低溫介質(zhì)，對氣缸以及活塞的密封性要求不高，更加易實(shí)現(xiàn)。

(2)超高壓大流量先導(dǎo)式安全閥［⑹

在2013年左右，工業(yè)上對安全閥的泄放流量以及靈敏度的要求越來越高，在這樣的

情況下研究出一種如圖1.9所示的先導(dǎo)式安全閥，即超高壓大流量先導(dǎo)式安全閥。

圖1.9超高壓大流量先導(dǎo)式安全閥?⑹

-9-

該先導(dǎo)式安全閥的公稱流量為2000L/min,公稱壓力為50Mpa。其采用錐閥結(jié)構(gòu)，

這樣即可以保證該安全閥有足夠大的流量增益，滿足工業(yè)上對大泄放量的要求。為減少

O形圈動密封對主閥芯的摩擦阻力，主閥上的動密封O形圈的壓縮率設(shè)計(jì)為8%。采用

硬度為90的O形密封圈來提高O形密封圈的耐壓能力。

（3）雙導(dǎo)閥切換型先導(dǎo)式安全閥

圖1.10雙導(dǎo)閥切換型先導(dǎo)式安全閥

如圖1.10為雙導(dǎo)閥切換型先導(dǎo)式安全閥系統(tǒng)圖，該安全閥是由外國公司提出的方

案，在該裝置中，兩個導(dǎo)閥不同時工作，其中一個處于工作狀態(tài)，另一個為備用狀態(tài)，

導(dǎo)閥的切換通過三通閥實(shí)現(xiàn)〔"I。

三通閥安裝在儀表管，由于儀表管內(nèi)介質(zhì)在安全閥關(guān)閉時不流動，在安全閥開啟時

流量特別小，因而壓損很低可忽略不計(jì)，主閥在開啟狀態(tài)可以很快泄放掉超壓介質(zhì)，方

案成本低于其他快速切換安全閥裝置（同規(guī)格），應(yīng)用前景很好。

1.3存在問題及本文設(shè)計(jì)任務(wù)

1.3.1先導(dǎo)式安全閥凍堵案例分析

有如下經(jīng)典案例網(wǎng)：

2009.2.25,中國石油新疆油田分公司呼圖壁儲氣庫作業(yè)區(qū)3號計(jì)量站的一個先導(dǎo)式

安全閥發(fā)生誤跳，其開啟壓力為12.0MPa,誤跳壓力為8.0MPa。

-10-

2009.3.8,該作業(yè)區(qū)2、3號交匯管的先導(dǎo)式安全閥發(fā)生誤跳，其開啟壓力為1l.OMPa,

誤跳壓力為9.0MPao

兩個先導(dǎo)式安全閥經(jīng)拆卸后發(fā)現(xiàn)導(dǎo)管結(jié)冰嚴(yán)重，經(jīng)檢測公司測定，兩個安全閥均校

驗(yàn)合格，不存在安全閥本體故障。

對此進(jìn)行案例分析［網(wǎng)：

（1）兩個安全閥校驗(yàn)合格，表明安全閥不存在技術(shù)問題，又由于導(dǎo)管結(jié)冰嚴(yán)重，

可以認(rèn)定為堵凍故障。

（2）由于導(dǎo)管的堵凍，系統(tǒng)介質(zhì)無法到達(dá)主閥上腔，導(dǎo)致主閥密封壓力不足，導(dǎo)

閥此時可以理解為一直開啟狀態(tài)，密封壓力完全由主閥彈簧提供，此時整個先導(dǎo)式安全

閥可以理解為一個開啟壓力低于出廠開啟壓力的直接載荷式安全閥，因而當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)壓

力沒有達(dá)到原本開啟壓力時，安全閥便完成起跳動作，也便是誤跳的形成。

1.3.2先導(dǎo)式安全閥泄漏問題

先導(dǎo)式安全閥的泄漏分為內(nèi)漏和外漏兩種情況“叫可能造成內(nèi)漏的部位如下：

（1）主閥密封面（閥瓣）處泄漏

（2）密封圈處泄漏

（3）導(dǎo)閥泄壓座處泄漏

（4）導(dǎo)閥密封面（閥瓣）處泄漏

可能造成外漏的部分如下：

（1）連接接頭

（2）封蓋處（主閥）

造成原因分析

（1）外漏原因分析

先導(dǎo)式安全閥外漏的主要是為連接件（螺栓、螺母等）松動造成的，一般是由于使

用或運(yùn)輸過程的震動導(dǎo)致。

（2）內(nèi)漏原因分析

a）當(dāng)安全閥開啟時，密封面粘上管道或容器內(nèi)的固體雜質(zhì)，導(dǎo)致密封面不嚴(yán)或變

形，從而發(fā)生泄漏。

b）活塞的密封圈變形或損傷導(dǎo)致介質(zhì)從主閥的上腔流至主閥出口，主閥上腔壓力

降低，因而其與密封面作用力的差降低，導(dǎo)致主閥密封失效，由于主閥的密封壓力不足,

安全閥發(fā)生內(nèi)漏。

c）由于較臟的介質(zhì)堵塞導(dǎo)管或過濾器，從而導(dǎo)致主閥上腔沒有介質(zhì)流入，同樣由

于密封壓力不足導(dǎo)致內(nèi)漏。

1.3.3先導(dǎo)式安全閥存在問題的解決方案

解決方案如下：

（1）對于內(nèi)漏的解決方案

時常檢查接頭和連接件，在其上涂抹肥皂液同時觀察氣泡是否產(chǎn)生，若有氣泡產(chǎn)生

則緊固螺母直至無氣泡產(chǎn)生為止。

（2）對于外漏的解決方案

手動開啟安全閥，用排風(fēng)設(shè)備將固體雜質(zhì)吹掉，若無法吹出，則需拆裝安全閥進(jìn)行

清除雜質(zhì)。

對于密封圈變形或損傷，更換相同的密封圈即可，需要注意的是在安裝過程中不可

損傷密封圈。

對于導(dǎo)管或過濾器的堵塞，及時進(jìn)行清洗即可。

（3）對于凍堵故障的解決方案

對先導(dǎo)式安全閥重新進(jìn)行保溫措施，對導(dǎo)管纏好電熱設(shè)備并包裹好保溫棉，并且制

定定期清理計(jì)劃。

1.3.4本文設(shè)計(jì)任務(wù)

本文根據(jù)給定的工況設(shè)計(jì)一臺新型先導(dǎo)式安全閥。

給定工況：進(jìn)料管直徑292mm,進(jìn)氣量2410m3/h,工作壓力1.8MPa,介質(zhì)為甲烷

氣。

-12-

2結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

2.1實(shí)際工況

我們所需應(yīng)用的實(shí)際工況為：用于甲烷氣容器，工作壓力1.8MPa,由于甲烷易燃

易爆，故而防止泄漏極其重要。

2.2設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)計(jì)中要選用法蘭規(guī)格，為保證密封性，設(shè)計(jì)選用整體法蘭，故選用的標(biāo)準(zhǔn)為

GB9113-2010標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)條件參考GB9124-2010標(biāo)準(zhǔn)。

設(shè)計(jì)對規(guī)格的確定要參考GB1047標(biāo)準(zhǔn)和GB1048標(biāo)準(zhǔn)。

由于是對安全閥的設(shè)計(jì)，因而要參考安全閥相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)GB12224,GB12241>

GB12243、GB28778-2012等標(biāo)準(zhǔn)。

安全閥設(shè)計(jì)中，彈簧的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵，因而要參考GB1239.6標(biāo)準(zhǔn)。

對于螺紋的使用需參考JB1752標(biāo)準(zhǔn)。

對于閥體的設(shè)計(jì)要參考GB12229-2005標(biāo)準(zhǔn)。

對于安全泄放量以及安全泄放面積的計(jì)算要參考GB150.1-2011標(biāo)準(zhǔn)。

本論文所用到的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)如表2.1：

表2.1本文使用的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)代號標(biāo)準(zhǔn)名稱

GB/T9113-2010《整體鋼制管法蘭》

GB/T9124-2010《鋼制管法蘭技術(shù)條件》

GB/T1047《管道元件DN（公稱尺寸）的定義和選用》

GB/T1048《管道元件PN（公稱壓力）的定義和選用》

GB/T12224《鋼制閥門一般要求》

GB/T12241《安全閥一般要求》

GB/T12243《彈簧直接載荷式安全閥》

GB/T28778-2012《先導(dǎo)式安全閥》

GB/T1239.6—1992《圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算》

JB/T1752《閥門結(jié)構(gòu)要素外螺紋連接端部尺寸》

GB/T12229-2005《通用閥門碳素鋼鑄鐵件技術(shù)條件》

GB/T150.1-2011《壓力容器第1部分：通用要求》

-13-

2.3結(jié)構(gòu)選型

2.3.1直接載荷式安全閥

調(diào)節(jié)螺釘

彈簧座

同桿

平衡活塞

次壓力二J/i\!~I

閥座一一/—~

閉貪姆蓋

圖2.1直接載荷式安全閥結(jié)構(gòu)U3

圖2.1為直接載荷式安全閥結(jié)構(gòu)圖，直接載荷式安全閥主要結(jié)構(gòu)為閥體、閥芯、彈

簧、導(dǎo)向套、閥瓣以及閥座【23,閥座與閥瓣位置如圖2.2所示。其中在正常運(yùn)行工況下,

閥體密封所需力由彈簧提供，因而容易發(fā)生泄漏，同時閥的頻跳與振顫的發(fā)生也可能會

出現(xiàn)，而且其開啟與回座的可靠性也不是極佳。

-14-

圖2.2閥座、閥瓣位置口

容易發(fā)生下列情況：

(1)易發(fā)生泄漏

如圖2.2所示，當(dāng)彈簧提供的密封壓力不足時，由于密封形式為硬密封，密封可能

出現(xiàn)失效，從而介質(zhì)從圖中畫圈處泄漏。

(2)易發(fā)生頻跳與振顫

而當(dāng)回座壓力高時，閥可能出現(xiàn)振顫、頻跳等行為，振顫即為閥瓣反復(fù)抖動而不與

閥座接觸，頻跳則是在反復(fù)的開啟回座，兩者反復(fù)接觸，頻跳會損傷密封面，導(dǎo)致密封

失效，從而引發(fā)泄漏，而振顫會導(dǎo)致機(jī)械疲勞，隱患很大。

2.3.2先導(dǎo)式安全閥

I.閥體2閥班a主閥翻4導(dǎo)管5.彈警

6閥蠡7接頭a泄放閥9導(dǎo)問

圖2.3先導(dǎo)式安全閥結(jié)構(gòu)口41

先導(dǎo)式安全閥有導(dǎo)閥、主閥兩部分，其密封壓力由彈簧以及系統(tǒng)介質(zhì)提供⑶],也即

系統(tǒng)壓力越大，主閥系統(tǒng)正常運(yùn)行工況下的密封性越好，因而可以實(shí)現(xiàn)零泄漏，而且主

閥的開啟與回座由導(dǎo)閥控制，因而其開啟回座的可靠性很好。

因而在所要求工況下我們選擇先導(dǎo)式安全閥作為初步選擇，而常規(guī)先導(dǎo)式安全閥同

樣存在缺陷，因而我們要對先導(dǎo)式安全閥做出創(chuàng)新改進(jìn)設(shè)計(jì)。

-15-

2.3.3常規(guī)先導(dǎo)式安全閥缺陷

具體來說，先導(dǎo)式安全閥的問題主要在于以下三點(diǎn)

（1）移動以及使用和拆裝的方便性

由于導(dǎo)閥與主閥為兩部分，導(dǎo)閥在主閥外側(cè)，因而在移動以及使用上會不夠方便。

相對于先導(dǎo)式安全閥，直接載荷式安全閥更加方便使用，而且由于先導(dǎo)式安全閥分為兩

部分，因而需要關(guān)注的連接點(diǎn)更多，在閥的拆裝時，先導(dǎo)式安全閥更為復(fù)雜麻煩，而直

接載荷式安全閥由于結(jié)構(gòu)簡單，拆裝很方便、容易。

相對來說直接載荷式安全閥更加方便，在方便性的方面上直接載荷式安全閥更有優(yōu)

勢。

（2）先導(dǎo)式安全閥的開啟依賴導(dǎo)閥

先導(dǎo)式安全閥的工作原理在于，導(dǎo)閥關(guān)閉時，容器或管道中的介質(zhì)會對主閥提供與

容器或管道內(nèi)相同的壓力，并以此達(dá)到完全密封，在導(dǎo)閥開啟的同時會截?cái)鄬χ鏖y提供

的背壓，因而主閥會可靠的開啟。

而先導(dǎo)式安全閥的問題就在于，一但導(dǎo)閥無法正常開啟，即如果導(dǎo)閥出現(xiàn)故障，那

么主閥將永遠(yuǎn)無法開啟，因而容器或管道的壓力無法泄放，壓力積聚最終導(dǎo)致容器或管

道的破裂或爆炸。

2.3.4改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

將主閥、導(dǎo)閥設(shè)計(jì)在同一閥體中，即將導(dǎo)閥設(shè)計(jì)在主閥的閥體內(nèi)（內(nèi)置式先導(dǎo)式安

全閥結(jié)構(gòu)圖如圖2.4）o以此設(shè)計(jì)出來的先導(dǎo)式安全閥在外觀上與直接載荷式安全閥基

本無異，而且由于在同一閥體中，減少了原本兩個閥體的連接以及兩部分的復(fù)雜，因而

在拆裝方面也較原本的先導(dǎo)式安全閥更加的方便容易。

-16-

圖2.4內(nèi)置式先導(dǎo)安全閥［⑼

由于先導(dǎo)式安全閥的工作太過于依賴導(dǎo)閥，對于要設(shè)計(jì)的新型先導(dǎo)式安全閥，由于

我們知道，壓力F=PXS,即隨著受力面積的增加，活塞所受壓力會增大，因而在導(dǎo)閥

上放留出空隙，當(dāng)導(dǎo)閥開啟時，由于受力面積增大，主閥受力更大，因而主閥會順利開

啟，再將主閥的開啟壓力調(diào)為整定壓力的110%,如此一來，在導(dǎo)閥出現(xiàn)故障而無法開

啟時，主閥也會在介質(zhì)壓力超過整定壓力10%時直接開啟，以此解決導(dǎo)閥故障時會出現(xiàn)

的問題，對于主閥的開啟壓力具體值會在設(shè)計(jì)階段重新分析設(shè)計(jì)，110%在此僅供參考。

2.3.5最終選型

基于上述，最終選型為改進(jìn)后的新型先導(dǎo)式安全閥作為本次設(shè)計(jì)主體，由于導(dǎo)閥開

啟時，系統(tǒng)介質(zhì)二次作用于主閥，因而稱為雙作用先導(dǎo)式安全閥。

2.4材料選擇

表2.2材料選用

部件材料

上閥體普通不銹鋼

下閥體普通不銹鋼

閥座馬氏體不銹鋼

閥蓋馬氏體不銹鋼

閥桿馬氏體不銹鋼

彈簧格電凡彈簧鋼

閥桿馬氏體不銹鋼

0型圈硅橡膠

其他見工藝說明

設(shè)計(jì)中要對安全閥各部件材料進(jìn)行選用，要注意閥體、閥座、閥瓣、閥桿、彈簧以

及。型圈的材料選用。下面對每個部件進(jìn)行分析：

（1）閥體要承壓，同時支撐整個安全閥，閥體材料最好選用不銹鋼，但并不需要

如316L等高強(qiáng)度的不銹鋼，成本過高，因而選用普通不銹鋼即可。

（2）閥座不僅承壓，同時還會被沖擊，因而閥座需要的強(qiáng)度更高，我們可以選擇

硬度較高的不銹鋼，如2cM3,同樣也為普通的不銹鋼，價格也并不高。

（3）閥瓣材料應(yīng)與閥座相同。

（4）閥桿不僅受壓，而且其若銹蝕則安全閥無法開啟，因而閥桿也不能使用碳素

鋼，可以選用與閥座相同的2Crl3等不銹鋼。

（5）彈簧的精度要求較高，不能選用普通彈簧鋼如60Mn彈簧鋼，應(yīng)選用各力學(xué)

性能優(yōu)良的高級優(yōu)質(zhì)彈簧鋼，即格銳彈簧鋼。

（6）0型圈材料有丁晴橡膠、氯丁橡膠、硅橡膠等等，本設(shè)計(jì)中選用硅橡膠，因

為其具有優(yōu)秀的抗老化性，同時也可在稍高溫度工作，因而設(shè)計(jì)中優(yōu)選硅橡膠作為。型

圈的材料。

各部件材料選用如表2.2：

2.5本章小結(jié)

本章闡述了設(shè)計(jì)對應(yīng)的工況大致參數(shù)，對標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了選用，對比了直接載荷式安全

閥和先導(dǎo)式安全閥，對于本設(shè)計(jì)所對應(yīng)工況，選擇了先導(dǎo)式安全閥為基本主體，同時闡

述了先導(dǎo)式安全閥的不足，并且加以改進(jìn)完善，從而確定設(shè)計(jì)一臺新型雙作用先導(dǎo)式安

全閥，采用內(nèi)置式結(jié)構(gòu)，彌補(bǔ)了導(dǎo)閥失效而導(dǎo)致安全閥無法開啟的不足。最終進(jìn)行了材

料的選用，給出了材料選用的大致方向，為后文的設(shè)計(jì)和計(jì)算做好了鋪墊。

-18-

3設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1計(jì)算安全泄放量及安全泄放面積

3.1.1實(shí)際工況設(shè)備及流速計(jì)算

本設(shè)計(jì)實(shí)際工況：

所需設(shè)計(jì)安全閥的連接容器為半球形封頭臥式容器，如圖3.1。

流通的氣體介質(zhì)為甲烷氣（CH4）。

該容器的進(jìn)料管直徑為292mm,正常工作工況下的溫度為25攝氏度，即:

T=298Ko

系統(tǒng)所需的甲烷氣氣量為qv2=2410m3/ho

3

因而進(jìn)氣量qvi=qV2=2410m/ho

而

=Axv(3-1)

式中：

v：進(jìn)料管進(jìn)氣介質(zhì)流速，m/s；

-19-

A：進(jìn)料管橫截面積，n?。

進(jìn)料管直徑：

J=292mm=0.292m

進(jìn)料管橫截面積A的大小為：

冗

A=2屋=0.785x0.2922=0.0669m2

4

因而將和A代入公式（3-1）可以求出進(jìn)料管進(jìn)氣介質(zhì)流速v：

2410

V------------------------二----1---0---m----/-s

A3600x0.0669

3.1.2泄放裝置（安全閥）泄放系數(shù)及壓力設(shè)定

由所需工況我們得知在正常工作條件下，容器工作壓力為L9MPa。

設(shè)定開啟壓力Ps=2.0MPa。

排放壓力Pd為1.1倍開啟壓力Ps,即：

Pd=l.lPs=2.2MPa

安全閥的額定泄放系數(shù)K：

K=0.75

由于介質(zhì)為甲烷氣，易燃易爆較為危險(xiǎn)，因而不能向大氣排放。

設(shè)置安全閥出口連接一個較大的收集容器，由于收集容器較大，因而泄放過程及泄

放后收集容器內(nèi)壓力幾乎不變。

由此可認(rèn)為泄放出口側(cè)壓力Po=0.1MPao

3.1.3介質(zhì)氣體特性參數(shù)計(jì)算

介質(zhì)氣體（CHQ摩爾質(zhì)量M：

M=16.04kg/mol

介質(zhì)氣體（CH4）絕熱指數(shù)%由表3.1可查出

表3.1部分氣體性質(zhì)㈤

臨界壓力臨界溫度

八十…摩爾質(zhì)量M絕熱指數(shù)4

氣體分子式，PcT

Kg/kmol（0.013MPc

MPa（絕壓）K

-20-

a,15℃時）

空氣-28.971.403.769132.45

氮?dú)釴228.011.403.394126.05

氧氣

0232.001.405.036154.35

氫氣H22.021.411.29733.25

氯氣

Cl270.911.357.711417.15

一氧化碳co28.011.403.546134.15

二氧化碳

co244.011.307.397304.25

氨NH317.031.3111.298405.55

氯化氫HC136.461.418.268324.55

硫化氫H2S34.081.329.008373.55

一氧化二

NO44.011.307.265309.65

氮2

二氧化硫

SO264.061.297.873430.35

甲烷

CH416.041.314.641190.65

乙煥C2H226.021.266.282309.15

乙烯C2H428.051.255.157282.85

乙烷C2H630.051.224.945305.25

丙烯C3H642.081.154.560365.45

丙烷C3H844.101.134.357368.75

正丁烷C4H1058.121.113.648426.15

異丁烷CH（CH3）358.121.113.749407.15

由表3.1查出介質(zhì)氣體（CH4）絕熱指數(shù)k：

攵=1.31

介質(zhì)氣體（CH4）特性系數(shù)。由表3.2可查出

表3.2氣體特性系數(shù)。22]

kC

1.00315

1.02318

1.04320

1.06322

1.08324

-21-

1.10327

1.12329

1.14311

1.16333

1.18335

1.20337

1.22339

1.24341

1.26343

1.28345

1.30347

1.32349

1.34351

1.36352

1.38354

1.40356

1.42358

1.44359

1.46361

1.48363

1.50365

1.52366

1.54368

1.56369

1.58371

1.60372

1.62374

1.64376

1.66377

1.68379

1.70380

2.00400

2.20412

由表查出介質(zhì)氣體（CH4）特性系數(shù)C：

0348

介質(zhì)氣體（CH。壓縮系數(shù)Z由圖3.2可讀出:

圖3.2中標(biāo)識：

（1）縱坐標(biāo)為壓縮系數(shù)Z；

-22-

（2）橫坐標(biāo)為對比壓力a；

（3）對比溫度為圖中線中部分。

可由公式（3-2）和（3-3）求出對比壓力R以及對比溫度A：

:介質(zhì)泄放壓力（MPa）⑷(3-2)

介質(zhì)臨界壓力（MPa）

介質(zhì)泄放溫度（K）⑷(3-3)

'「介質(zhì)臨界溫度（K）

對比壓力

?修皿介質(zhì)的覆放也度（K）a,介及的i1敏壓力（MPa）_

用比W布麻而由k對比壓力片.（皓HO

介質(zhì)的嘴界質(zhì)力（MPa）