高灵敏度高压安全阀的设计.pdf

FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 41， No ． 7， 2 01 3 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 3 0 7 0 0 4 0 0 4 高灵敏度高压安全阀的设计 柳国庆 ， 程宏杰 ， 李奇 1 ． 中国人民解放军四八一二工厂， 安徽安庆 2 4 6 0 0 1 ； 2 ． 合肥通用机械研究院压缩机 技术国家重点实验室， 安徽合肥 2 3 0 0 3 1 摘要 为保证高压压力系统的安全运行 ， 给出一种高灵敏度 4 2 MP a空压机用安全阀的设计实例。介绍 了其技术参 数确定、 结构和性能设计的方法， 探讨了高灵敏度 4 2 MP a 空压机用安全阀设计时应注意的问题， 并给出相应对策。试验 结果表明该安全阀灵敏、 可靠。 关键词 高压安全阀； 技术参数 ； 结构和性能设计； 高灵敏度 中图分类号 T H 1 3 8 ； T K 0 3 7 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 50 3 2 9 ． 2 0 1 3 ． 0 7 ． 0 0 9 De s i gn o f a M o r e S e n s i t i v e Hi g h- Pr e s s ur e S a f e t y Va l v e L I U Gu o ． qi ng 。 ，C H E N G H o n g - j i e ， L I Q i 1 ． 4 8 1 2 P L A f a c t o r y ， A n q i n g 2 4 6 0 0 1 ， C h i n a ； 2 ． T h e S t a t e K e y L a b o r a t o ry f o r C o m p r e s s o r T e c h n o l o g y ， H e f e i G e n e r a l M a c h i n e ry R e s e r c h I n s t i t u t e ， H e f e i 2 3 0 0 3 1 ， C h i n a Ab s t r a c t T o e n s u r e t h e h i g h p r e s s u r e s y s t e m s a f e r u n n i n g，g i v i n g a d e s i g n e x a mp l e o f t h e mo r e s e n s i t i v i t y a n d 4 2 MP a a i r c o m- p r e s s o r v a l v e ．T h e t e c h n i c a l p a r a me t e r s a n d s t ruc t u r e d e s i g n me t h o d are i n t r o d u c e d， d i s c u s s e s t h e h i g h s e n s i t i v i t y a n d 4 2 MP a a i r c o mp r e s s o r w i t h t h e r e l i e f v alv e d e s i g n s h o u l d b e p a i d a t t e n t i o n t o ， a n d p u t s f o r w a r d c o r r e s p o n d i n g c o u n t e r me a s u r e s ．T h e e x p e r i - me n t a l r e s u l t s s u r f a c e t h i s r e l i e f v alv e s e n s i t i v e， a n d r e l i a b l e ． Ke y wo r d s h i g h p r e s s u r e s a f e t y v alv e；t e c h n i c a l p a r a me t e r ；s t ru c t u r al a n d p e r f o r ma n c e d e s i gn ； mo r e s e n s i t i v e l 前言 安全阀是压力容器、 压力管道和气体压缩 机压力系统中广泛选用的安全装置 ， 用以防 止系统压力超过允许 的极限值 ， 确保压力 系统 的 安全运行 J 。为此， 要求安全阀工作时动作应灵 敏， 不出现频跳、 颤振、 卡阻等现象， 并具有良好的 回座特性。然而在实 际使用 中， 安全阀时常出现 故障， 尤其是空压机用高压安全阀， 其故障主要 有 灵敏度不高、 起跳压力变化大或不起跳事 故隐患、 起跳后频跳 、 颤振 、 卡阻 、 不能回座。综合 分析这些故障， 产生故障的主要原因有 安全阀未 定期校验 、 维护保养质量不能保证 、 结构设计和性 收稿 日期 2 0 1 20 80 2 能设计不合理 。排除使用 中管理方 面的因素 ， 难 于解决的问题是安全阀的设计。 安全阀设计是一个系统性 问题 ， 一方面要考 虑安全阀本身的各种 因素 ， 另一方面还要考虑被 保护系统的有关状况对其的影响。对于高压压力 系统 ， 为保证系统运行 的安全性和设备制作 的经 济性， 安全阀的设计应按高灵敏度等级设计， 这是 高压安全阀设计的重点， 也是高压安全阀设计的 难点。 为此， 本文将给出一种高灵敏度4 2 M P a 空压 机用安全阀的设计实例， 介绍其技术参数的确定 、 结构和性能设计 的方法 ， 并探讨设计 时应注意的 问题和相应 的解决对策。 2 0 1 3年第 4 l卷第 7期 流体机械 4 1 2 技术参数的确定 安全阀相关标准是安 全阀设计 的基本依据 ， 技术参数应在满足标准要求的前提下， 根据已知 条件确定 。 2 ． 1 已知条件 安全 阀适 用介质为空气 ， 安全 阀使用 温度 t ≤1 0 0 ℃ ， 空压机容积流量 Q 4 8 0 m ／ h ， 空压机工 作压力 P 4 0 MP a 。 2 ． 2压 力值 的确 定 空压机通过管道与压力容器连通 ， 空压机末 级安全阀压力的设置直接影响到压力容器或气瓶 的设计压力 ， 空压机安全阀与容器各压力 的相互 关系见 图 1 。 安 全阀排 放压 力 全开启 安全 阀开启 压力 初始开启 密封丧 失压 力 安全 阀密封 压力 安全 阀 凹座 压力 图 1 安全阀与容器各压力的相互关系 通常情况下 ， 安全阀分为一般 的和高灵敏度 2种等级 ， 不同等级的压力有较大差异 ， 4 0 M P a压 缩机的末级安全阀其各压力 比较见表 1 。 表 1 整定压力、 排放压力和回座压力比较 MP a 项目 密封压力 整定压力 排放压力 回座压力 一 般 的 4 0 ． 0 4 4 ． 0 4 8 ． 0 3 6 ． 0 高灵敏度 4 0 ． 0 4 2 ． 0 4 4 ． O 3 8 ． 0 从安全 阀与容器各压力 的相互关系看 ， 容器 的设计压力等于安全 阀的排放压力。而从表 1可 以看出 ， 在 同样 的工作压力下 ， 一般等级安全阀的 排放压力为 4 8 MP a ， 高灵 敏度等级安全 阀的排放 压力仅为4 4 M P a 。也就是说， 若安全阀设计按一 般等级设计 ， 容器 、 管道和空压机这些高压压力系 统的设计压力为 4 8 MP a ； 若安全 阀设计按高灵敏 度等级设计 ， 容器 、 管道和空压机这些高压压力系 统的设计压力为 4 4 MP a ， 比较两种高压压力系统 的设计压力 ， 相差达 到 1 0 ％ 以工作 压力 4 0 MP a 为基准 。 由此可见 ， 对于压 力容器 、 压力 管道 和空压 机 ， 为保证这些高压压力系统运行的安全性 ， 同时 考虑设备制作 的经济性 ， 安全阀的设计应按高灵 敏度等级设计 ， 各压力值按高灵敏度等级选择如 下 密封压力 为 4 0 ． 0 MP a 表 压 ， 整定 压力 为 4 2 ． 0 M P a 表压 ， 排 放压力为 4 4 ． 0 M P a 表压 ， 回座压力为 3 8 ． 0 MP a 表压 。 2 ． 3 安全阀公称通径的校核计算 先假设安全阀公称通径为 D N 3 ， 通过对安全 阀的理论排量进行校核计算 ， 验证安全 阀公称通 径是否满足要求 。 2 ． 3 ． 1 安全阀临界条件判别 依据 G B ／ T 1 2 2 4 12 0 0 5 安全阀 一般要 求， 计算是 否满 足临界条件。在 下列条件下达 到临界流动 P 6 ／ P d≤ [ 2 ／ k1 ] ‘ 式中 安全阀出口侧压力 绝 ， 0 ． 1 M P a 安全阀排放压力 绝 ， P d 4 4 ． 1 M P a 在排放时进 口状况下的绝热系数 ， 经 查 k 1 ． 4 0 代人数据得 Pb o - 0 0 2 、 ≤ - o ． 5 2 8 即满足临界流动条件 。 2 ． 3 ． 2 临界流动下的理论排量的校核计算 依 G B ／ T 1 2 2 4 1 2 0 0 5 安全阀一般要求 ， I临 界流动下的理论排量为 假设兰金定律有效 I O A P d C [ M／ Z T ] 式 中 理论排量 ， k g ／ h A 流道面积 ， m m ， A 7 ． 0 7 mm C 绝热指数 k的函数 肛一气体的分子量 ， k g ／ k m o l z 压缩指数 卜实际排放温度 ， K 代人数据计算得 2 2 0 2． 9kg ／h 空气压缩机实际排量为 W c 6 2 0． 6k g ／h 则 0 ． 2 8 ≤ 0． 7 t g 故安全 阀公 称通径 D N 3临界流动下 的理论 排量满足要求。 4 2 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 41， No ． 7， 2 01 3 3 结构和性能设计 3 ． 1 整体 结 构设计 安全阀的结构形式繁多， 针对 空压机用安全 阀的高灵敏度设计要求 ， 首先要从安全阀结构上 予以保证 ， 这是安全阀设计的重点。 通常情况下 ， 加予安全 阀阀瓣 的载荷型式有 重锤式 、 杠杆式、 弹簧式等。由于空压机工作时有 振动 ， 重锤式 、 杠杆式安全 阀不适合于振动 的场 合 ， 而弹簧式安全阀具有对振动不敏感的优点 ， 同 时为了迅速开启 阀门 ， 以排出超压力或过大的流 量 ， 人们几乎总是考虑使用弹簧安全阀 J 。 安全阀按动作特性分为 比例作用式和两段作 用式 即突跳动作式 。比例作用式安全阀开启 高度随压力升高而逐渐变化； 两段作用式安全阀 开启过程分为两个阶段 ， 起初阀瓣随压力升高而 比例开启 ， 在压力升高一个不大的数值后 ， 阀瓣即 在压力几乎不再升高的情况下急速开启到规定高 度。为满足高灵敏度设计， 要求安全阀开启压力 与整定压力 、 整定压力与排放压力的压差小 ， 由以 上分析可知两段作用式的动作特性满足要求 。 由于该阀应用在空气压缩机上， 工作介质可 以释放到周围环境中， 因此排气 口设计为开放式。 综上所述， 整体结构型式采用弹簧直接载荷 全启式， 整体结构如图2 。 阀 帽 限位套 紧定 螺钉阀瓣 图2 整体结构示意 3 ． 2密封副设计 安全阀的密封结构按密封面型式可分为平面 密封 、 锥形密封 、 球形密封 、 刀形密封等。由于该 安全阀的整定压力很高 ， 达到 4 2 MP a ， 同时要求灵 敏度高。综合分析这几种密封面型式的优缺点， 锥形密封用于压力高 的场合 ， 能保证 阀门开启时 的灵敏度高和动作稳定 J ， 故密封面结构形式选 用锥形密封 。 按阀瓣一阀座密封副采用的材料组合可分为 金属对金属 、 金属对非金属 、 非金属对非金属。考 虑聚四氟乙烯、 橡胶等非金属材料许用比压很低， 一 般为 5 M P a ， 远远不能满足 密封 面许用 比压 要 求， 所以阀瓣一阀座密封副的材料均采用金属。 密封副结构如图3 。 图 3 密封 副及 阀瓣结构 选定密封副结构后 ， 还应进行密封面 比压计 算 ， 应保证 q M F ≤g ≤[ g ] 。 其 中 1 ． 4 3 5 PN q M F Q M Z s i na DM DM N r r b M 式中q M r 密封面必需比压 ， M P a q 密封面计算比压， M P a [ q ] 密封面许用比压 ， M P a P Ⅳ 一公称压力， MP a 6 村 密封面宽度 ， m m Q 密封面总作用力， N ， Q M ZQ M J QM F Q 密封面上介质作用力 ， N Q ， 密封面上密封力 ， N D 删密封面内径， mm D 密封面外径 ， m m 阀瓣和阀体材料均选用不锈钢 2 C r 1 3 ， 其许 用比压为 2 5 0 MP a _ 4 j 。权衡密封效果和密封面许 用比压 ， 选定密封面尺寸 b 1 ． 5 mm。 则 q M F 8 6MPa g1 3 9MP a 即 8 6 MP a ≤1 0 4 M P a 2 5 0 MP a， 满足 q M r ≤q ≤[ q ] ， 密封副设计达到密封面密封比压要求。 3 ． 3 阀瓣设 计 2 0 1 3年第 4 1卷第 7期 流体机械 4 3 阀瓣结构设计是保证安全阀灵敏开启的重点， 主要是 阀瓣结构设计 ， 同时还要考虑密封面硬度。 为了使安全 阀迅速开启 ， 最有效的方法是加 大受介质冲击作用的阀瓣的有效面积。由于该安 全阀通径仅为3 m m， 设计反冲盘结构不利于安全 阀回座， 所以阀瓣结构设计成锥面加圆柱体， 通过 控制 8处阀瓣和 阀体 的间隙 ， 使 阀瓣反作 用力 与反冲盘结构等同， 阀瓣具体结构如图3 所示。 阀瓣结构设计还包括导向部分设计， 阀瓣导 向部分 的长度不应小于直径 的 8 0 ％ ， 否则在 开启 和关闭时可能发生偏斜 和卡住 ， 致使安全 阀关 闭 时不密封。同时导向面与密封面应同轴， 以保证 安全阀的灵敏性 。 考虑安全阀阀瓣 的耐 冲击性 ， 密封面表面淬 火至硬度 HR C 5 0～ 5 5 。 3 ． 4 安全 阀弹簧的设计 安全阀的正常运行取决于阀门弹簧的正确设 计。弹簧将决定 开启压力 、 阀瓣 的行程 以及在关 闭状态下密封的稳定性 J 。弹簧设计合理是保 证安全阀灵敏开启的关键 。 由于该安全阀为全启式安全阀， 并设置有反冲 机构 ， 阀瓣开启速度很快 ， 因此阀瓣 的升程和压力 增加不成比例。确定弹簧刚度时， 应考虑阀瓣开启 后， 阀瓣受介质作用 的面积有所增加 ， 但此时 的介 质压力已不是排放压力 P ， 而比 P 要大大减小， 这个减小值对带有反冲机构的安全阀取O ． 1 P 。因 此用安全阀动作性能参数来计算弹簧刚度 j F 式中P 安全 阀工作压力 ， MP a A ． 流道增加面积 ， m m ， Al D 一D2 D 反冲盘直径 ， m m， D 8 m m D 密封面中径 ， m m， D 5 mm 安全阀设定开启高度 ， mm， 该安全 阀 取 h 4 m m 代人数据计算得 F 5 3． 8N／mm 故选取安全 阀弹簧刚度 F5 5 N ／ mm。 确定弹簧刚度后， 弹簧设计还应考虑弹簧的 细长比小于3 ． 7 ； 同时要求弹簧进行加温强压处 理 ， 并对弹簧进行永久变形试验 ] ， 用试验负荷 压缩至少 3次后 ， 其永久变形应不大于 自由高度 的 0 ． 5 ％。弹簧设计如图 4 。 图4 弹簧尺寸示意 4 试验结果分析 该安全阀设计 、 制作完成后 ， 在试验装置上进 行型式试验 ， 整定压力 、 排放压力和回座压力实测 值见表 2 。 表 2 整定压力 、 排放压 力和 回座 压力实测值 MP a 次数 密封压力 整定压力 排放压力 回座压力 第 1 次 4 0 ． 5 4 2 ． 3 4 2 ． 9 3 9 ． 6 第 2次 4 0 ． 2 4 2 ． 1 4 2 ． 8 3 9 ． 3 第 3次 4 0 ． 3 4 2 ． 2 4 2 ． 8 3 9 ． 5 实测值与设计值相比， 整定压力偏差分别为 0 ． 7 ％ 、 0 ． 2 ％、 0 ． 5 ％ ， 小 于标准规定 的 3 ％ 整定 压力要求 ； 启闭压差 6 ． 4 ％ 、 6 ． 7 ％ 、 6 ． 4 ％ ， 小于高 灵敏度等级规定的1 0 ％要求； 排放压力实测值均 在高灵敏度等级设计值范围内。同时在工作压力 4 0 M P a 、 排量 4 8 0 m ／ h高压空气压缩机上， 该安 全阀多次进行性能实验， 每次工作时动作灵敏， 各 参数均在设计范围内， 无频跳、 颤振、 卡阻等现象。 5 结 语 通过对该安全 阀结构和性 能进行详细设计 ， 并进行 了型式试验 ， 试验结果表 明该安全阀达 到 高灵敏度设计要求 ； 其中密封结构和弹簧的合理 设计是保证高灵敏度的关键 。下一步 ， 对于工作 压力 2 5 4 0 MP a 、 容积 流量 3 0 06 0 0 m ／ h范 围 内的空压机 ， 该安全阀能否拓展应用 ， 还需进行试 验验证。 下转第 2 7页 2 0 1 3年第 4 l卷第 7期 流体机械 2 7 耗角度来看， 在满足效率和全压的前提下， 功率越 小越节约能源 。 比较方式 1和方式 2 ， 可知不 同参数化方式 对优化结果的影响。方式 1和方式 2都是在设计 点工况下进行优 化 的， 方 式 1采用 S i mp l e B e z i e r 曲线参数化中弧线， 方式 2采用高阶 B e z i e r 曲线 参数化 中弧线 。从优化后几何型线和性能曲线可 知 ， 二者的优化结果还是差别很大。S i m p l e B e z i e r 曲线局部性能劣于高阶 B e z i e r曲线 ， 微 调性上高 阶 B e z i e r曲线更加灵活。 比较方式 2和方式 3， 可知优化 工况点 的选 取对优化结果的影响很大。方式 2和方式 3 都是 采用高阶 B e z i e r 曲线参数化中弧线的， 但两种方 式的优化工况点选取不 同， 分别为 3 ． 5 0 k g ／ s和5 ． 0 0 k g ／ s 。从优化结果来 看 ， 二者结果 的差别还是 很大的， 方式 2优化后将 叶轮工作流量范 围限制 在设计点附近 ， 此范围内各性能都 比较优越 ， 但这 是以牺牲大流量工作范围的性能为代价的。方式 3优化后扩大了叶轮的流量范围 ， 大 多数 流量下 性能 良好 ， 但在设计点工况下性能不佳 。所 以， 若 要得到更好的全工况性能， 需要合理选取优化工 况点 ， 或者进行多工况点优化。 6结语 通过优化结果和流场的对 比分析表 明， 各种 优化方式优化后 ， 叶片的气动性能在优化点处都 得到 了提高 ， 流动损失减小 了， 流场状态得 到改 善 ， 尤其 是叶片顶部 的流动分离得到有效控制 。 而优化后的全工况的性能却是各有所长、 各有所 短。不同参数化形 式 ， 优 化后获得 的结 果不 同。 优化工况点的选取对优化结果 尤其是全工况性 能 也有很大影 响， 若要获得更优 的全工况性能 ， 可进行多工况点优化。 参考文献 [ 1 ] 翟瑞虎， 焦金焱， 田华， 等． 提高离心通风机叶轮性 能浅述[ J ] ．风机技术 ， 2 0 0 8 ， 6 5 7 - 6 0 ． [ 2 ] 李庆宜． 通风机[ M] ． 西安 西安交通大学 出版社， 2 00 5 1 1 0 6． [ 3 ] 张顾钟． 离心风机优化设计方法研究 [ J ] ． 风机技 术 ， 2 0 1 1 ， 5 2 6 3 0 ． [ 4 ] 廖玉龙． 基于数字模拟方法的离心通风机性能优化 设计[ J ] ． 通用机械 ， 2 0 1 0 ， 1 1 8 2 - 8 5 ． [ 5 ] 王晓峰， 席光， 王尚锦． 离心压缩机叶轮的响应面优 化设 I 设计方法 [ J ] ． 工程热物理学报， 2 0 0 4 ， 2 5 3 4 0 8 41 0 ． [ 6 ] 王昊 ， 吴亚东， 欧阳华． 基于数值模拟的离心风机性 能优化[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 1 ， 3 9 5 5 ． 9 ． [ 7 ] 吴俊峰， 陈启明， 朱晓农． 基于 C F D的离心通风机结 构优化方法与试验对比[ J ] ． 风机技术， 2 0 0 9 ， 5 1 4． 1 8． [ 8 ] 于静梅， 李颂， 郝俊忠． 离心式风机流动特性的数值 分析[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 1 ， 3 9 9 4 1 4 4 ． [ 9 ] 付磊 ， 曾皴林， 唐克伦， 等． 管壳式换热器壳程流体 流动与传热数值模拟[ J ] ． 压力容器 ， 2 0 1 2 ， 2 9 5 3 9．44． 作者简介 邓敬亮 1 9 8 8一 ， 男 ， 硕士研究 生 ， 主要从 事叶轮 机械气动热力学研究 ， 通讯地址 7 1 0 0 7 2陕西西 安市西北 工业大 学动力与能源学院。 上接第 4 3页 参考文献 [ 1 ] G B ／ T 1 2 2 4 1 2 0 0 5安全阀 一般要求[ s ] ． 北京 中 国标准出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 2 ] 周震． 安全阀[ M] ． 北京 中国标准出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 3 ] 美 J ． L ． 莱昂斯． 阀门技术手册[ M] ． 北京 机械工 业 出版社 ， 1 9 9 1 ． [ 4 ] 陆培文． 实用阀门设计手册[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 2 ． [ 5 ] J B ／ T 6 4 4 22 0 0 8压缩机用安全阀[ S ] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 8 ． [ 6 ] 李奇 ， 金丽琼， 谭跃进 ， 等． 小型高压空压机改型设 计研究[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 2 ， 4 0 1 2 5 8 1 ． [ 7 ] 郭崇志， 朱寿林． 安全阀超压泄放瞬态动力学数值 模拟研究[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 2 ， 4 0 2 2 3 ， 3 9 _ 4 4 ． [ 8 ] 喻健 良， 闰兴清， 陈金义， 等． 爆破片与安全阀串联 组合泄放特性[ J ] ． 压力容器， 2 0 1 2 ， 2 9 8 1 0 1 4 ． 作者简介 柳国庆 1 9 6 2一 ， 男， 工程师， 主要从事高压压缩 机和阀门的研究 ， 通讯地址 2 4 6 0 0 1安徽 安庆市 中兴 大街 1 1 8号 中国人民解放军第四八 一二工 厂。