安全閥的設計和制造

1、第二章 安全閥的設計自從法國工程師1707年發(fā)明第一臺重錘式安全閥以來，現(xiàn)在安全閥結構已有了很大的發(fā)展，主要有彈簧直接載荷式、重錘式、靜重式、電磁輔助加載或卸載式、導閥控制式等幾大類。安全閥是一種自動閥門，不借助任何外力而是利用介質本身的壓力，當壓力超過預定值時，自動排出一定數(shù)量的介質，以防止系統(tǒng)內壓力超過額定的安全值，當恢復正常壓力后，閥門再自行關閉，阻止介質繼續(xù)流出。所以，安全閥的設計是一個系統(tǒng)性問題，既要考慮安全閥本身的有關因素，又要考慮被保護系統(tǒng)的各種情況對最終的產品的影響。因此，在設計時需要對引起超壓的各種因素進行綜合分析、判斷，只有這樣才能確保安全閥設計的合理、安全和可靠。系統(tǒng)對安

2、全閥的基本要求是準確開啟、適時全開、穩(wěn)定排放、及時回座和可靠密封。安全閥的設計主要考慮結構、材料和性能等方面內容。結構設計包括閥體結構、密封結構、閥座結構、閥瓣結構、背壓平衡結構、緊急提升機構；材料方面主要考慮介質的可燃性、易爆性、有毒性和腐蝕性以及低溫、高溫、高壓對材料的影響；性能設計包括閥座（噴嘴）、閥瓣、導向套、調節(jié)圈、彈簧的優(yōu)化組合，以及被保護系統(tǒng)的各種情況。（一）設計依據(jù)和原則 一、設計依據(jù)1設計標準安全閥相關標準是安全閥設計的基本依據(jù)。在表2-1中列出了國內和國外相關的安全閥標準。表2-1 安全閥的相關標準序號標 準 代 號標 準 名 稱1GB/T12241-2005安全閥 一般要

3、求2GB/T12242-2005壓力釋放裝置 性能試驗規(guī)范3GB/T12243-2005彈簧直接載荷式安全閥4JB/T9624-1999電站安全閥 技術條件5JB/T6441-1992壓縮機用安全閥6ISO4216-1：1991安全閥 第一部分 一般要求7ISO4216-2：1991安全閥 第二部分 可控制的壓力泄放系統(tǒng)8ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范動力鍋爐9ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范核動力設備10ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范壓力容器11DIN3320安全閥 安全關閉閥12API TRD421壓力泄放裝置-用于、組蒸汽鍋爐的安全閥13BS6759 蒸汽及熱水用安全閥技術規(guī)范14BS6759第四部分

4、安全閥及安全閥彈簧15JIS B8210-1994蒸汽及氣體用彈簧安全閥16API 520.1-2000精煉廠泄放裝置尺寸、選用和安裝-設計計算和選用 第一篇 定尺寸和選型17API520.2-2003精煉廠泄放裝置尺寸、選用和安裝-設計計算和選用 第二篇 安裝18API521-1997泄壓和降壓系統(tǒng)指南18API 526-2002鋼制法蘭端泄壓閥19API 527-1991泄壓閥的閥座密封度20API 576-2000泄壓裝置的檢查2動作性能指標(1)用于氣體介質安全閥見表2-2 表2-2 用于氣體介質安全閥動作性能指標 Mpa標準項目GB/T12243ISO4126ASME標準第卷壓力容器

5、 JIS B8210排放壓力pd1.10ps1.10ps1.10ps1.10ps啟閉壓差pb1pspb1（不可調）pb1 (可調)pb1（不可調）pspb10.20.03（2.5%7%）ps(d015mm時pb115% psps0.3時pb10.03)15% ps0.20.030.215% ps0.215% ps整定壓力的允許偏差pspspspspspspspsps0.5±0.0150.5±0.01570%ps±2%ps0.10.020.20.0250.5±3%ps0.5±3%ps70%ps±3%ps0.30.030.315%ps注：

6、ps-整定壓力；p-工作壓力；do-流道直徑 (2) 用于蒸汽介質安全閥見表2-3 表2-3 用于蒸汽介質安全閥動作性能指標 Mpa標準項目GB/T12243ASME標準第卷動力鍋爐JIS B8210排放壓力pd1.03ps1.03psps0.1時： pd ps+0.02ps 0.1時： pd1.03ps啟閉壓差pb1pspb14%ps且2po(直流蒸汽發(fā)生器及高溫熱水鍋爐安全閥pb110% ps)ps0.1時：pb10.020.1ps0.2時：pb10.0250.2ps0.4時：pb10.030.4ps0.7時：pb1 0.040.1ps1.1時：pb10.05ps1.1時：pb14% ps

7、蒸汽動力鍋爐用安全閥直流鍋爐、再熱器等用安全閥0.40.030.04直流鍋爐、再熱器等用安全閥 ps0.1時：pb10.020. 1ps0.2時：pb10.0250.2ps0.3時：pb10.03 ps0.3時：pb110% ps0.47% ps(4% ps) 10% ps整定壓力的允許偏差psps0.5時： ±0.0150.5ps2.3時：±3% ps2.3ps7.0時：±0.07ps7.0時： 1% psps70psi時：±2psi70ps300psi時：±3% ps300ps1000psi時：±10 psips1000psi時：

8、±1% psps0.7時：±2psi0.7ps2.3時：±3% ps2.3ps7.0時：±0.07ps7.0時：±1% ps注：ps-整定壓力；p-工作壓力；do-流道直徑；供需雙方可協(xié)商采用本表中括號內的數(shù)值(3)用于液體介質安全閥見表2-4 表2-4用于液體介質安全閥動作性能指標 Mpa 標 準項 目 GB/T12243ISO4126API RP 520排放壓力pd1.20 ps1.25 ps啟閉壓差pb1ps0.3時：pb10.06ps0.3時：pb120% psps0.3時：pb10.06 ps ps0.3時：pb120% ps10%

9、ps整定壓力允許偏差psps0.5時：±0.015ps0.5時：±3% psps0.5時：±0.015ps0.5時：±3% ps3密封性能指標 (1)用于氣體介質安全閥見表2-5 表2-5用于氣體介質安全閥動作性能指標 Mpa 標 準項 目 GB/T12243API 527JIS B8210密封試驗壓力ptps0.3時：ptps 0.03ps0.3時：pt0.9psps0.345時：ptps 0.035ps0.345 時：pt0.9ps取0.9 ps或回座壓力二者中較小值最大允許泄漏率氣泡數(shù)/mindo7.8mm Ps6.9時：40do7.8mm Ps6

10、.9時：20do7.8mm Ps6.910.3時：60do7.8mm Ps6.910.3時：30d07.8mm Ps 10.313.0時：80do7.8mm Ps10.313.0時：40d07.8mm Ps13.017.2時：100do7.8mm Ps13.017.2時：50d07.8mm Ps17.220.7時：100do7.8mm Ps17.220.7時：60d07.8mm Ps20.727.6時：100do7.8mm Ps20.727.6時：80d07.8mm Ps27.638.5時：100do7.8mm Ps27.638.5時：100d07.8mm Ps38.541.4時：100do7

11、.8mm Ps38.541.4時：100Ao0.307in2 Ps6.9時：40Ao0.307in2 Ps6.9時：20Ao0.307in2 Ps6.910.3時：60Ao0.307in2 Ps6.910.3時：30Ao0.307in2Ps 10.313.0時：80Ao0.307in2 Ps10.313.0時：40Ao0.307in2 Ps13.017.2時：100Ao0.307in2 Ps13.017.2時：50Ao0.307in2 Ps17.220.7時：100Ao0.307in2 Ps17.220.7時：60Ao0.307in2 Ps20.727.6時：100Ao0.307in2 Ps2

12、0.727.6時：80Ao0.307in2 Ps27.638.5時：100Ao0.307in2 Ps27.638.5時：100Ao0.307in2 Ps38.541.4時：100Ao0.307in2 Ps38.541.4時：10020 (2)用于蒸汽介質安全閥GB/T12243標準中規(guī)定蒸汽用安全閥的密封試驗壓力，當整定壓力小于等于0.3Mpa時，比整定壓力低0.03；當整定壓力大于0.3Mpa時，為90%整定壓力或回座壓力（取較小值）。試驗介質為飽和蒸汽，如未發(fā)現(xiàn)泄漏現(xiàn)象，則認為合格。（3）用于水或其他液體介質安全閥GB/T12243標準中規(guī)定水或其他液體用安全閥的密封試驗壓力，當整定壓力小

13、于等于0.3Mpa時，比整定壓力低0.03；當整定壓力大于0.3Mpa時，為90%整定壓力。試驗介質為水，最大允許泄漏率, 當DN小于25mm時，最大允許泄漏率小于等于10cm3/h；當DN大于等于25mm時，最大允許泄漏率小于等于10×（DN/25）cm3/h二、設計原則1 基本原則（1） 設計的產品必須滿足用戶實際使用的所有要求。（2） 保證實際使用的前提下，所設計的產品應是最經濟的（如選型、用材等方面）。（3） 如何使安全閥的綜合性能達到標準是設計人員的首先原則。（4） 盡可能多地對設計產品作型式試驗，以獲取性能參數(shù)作為設計依據(jù)。（5） 正確設計彈簧的剛度，以便內部零件結構的匹

14、配更合理，設計的產品便于裝拆和維修。（6） 有較長的使用壽命（包括維修后的壽命）。由于安全閥使用的介質繁多，總體可歸納為三種狀態(tài)，即蒸汽、氣態(tài)和液體。（臨界狀態(tài)是一種特例）有時，設計人員借助于冷態(tài)試驗的手段，對安全閥所得出合格的性能數(shù)據(jù)，但用于重油（瀝清）等介質性能又不一定理想，設計人員又不可能在各種介質的工況條件下作性能試驗，這就使得安全閥的設計不能照搬哪種成熟產品模式，而是要根據(jù)不同介質的實際使用狀況，設計出彈簧剛度適當，內件結構合理的產品，當然，安全閥設計原則最終是要讓用戶得到滿意的產品。但設計好產品的捷徑，主要還是來自現(xiàn)場實踐經驗的積累。2結構設計原則（1）閥體安全閥是通過閥體使零件相

15、互連接成為一個完整的產品。安全閥通過閥體的法蘭或螺紋管接頭或焊接連接在系統(tǒng)上的。閥體承受著被保護系統(tǒng)的壓力作用，所以閥體應有足夠的強度和密封性，不允許出現(xiàn)變形或泄漏。閥體應按有關標準進行強度試驗。1) 閥體材料的選擇通常按溫度、壓力和介質的腐蝕性來定。低溫選用奧氏體不銹鋼、低溫合金；工作溫度小于等于200且公稱壓力小于等于1.0MPa選用灰鑄鐵，工作溫度小于等于300且公稱壓力小于等于2.5MPa選用可鍛鑄鐵，工作溫度小于等于350且公稱壓力小于等于4.0MPa選用球墨鑄鐵，工作溫度小于等于250、公稱壓力小于等于2.5Mpa的水、海水、氧氣、空氣、油類等介質選用銅合金；工作溫度小于等于425

16、選用碳鋼，工作溫度大于425選用CrMo、CrMoV鋼；腐蝕性強的選用奧氏體不銹鋼、鎳基合金、低合金鋼等；由于閥體形腔復雜通常采用鑄件，小口徑安全閥采用鍛件，大口徑安全閥采用焊接結構。2) 安全閥排放時，介質通過閥體泄放至安全的地方，所以要求通道部分的尺寸和形狀應保證其流體阻力最小。3) 閥體的進口和出口支管承受著安全閥和排放管道的重量以及安全閥排放時的反作用力，閥體應有足夠的強度和剛度。4) 為了提高排放能力，閥座通道截面積不因有導向筋的存在而縮小介質流動暢通，不僅在閥座通道中，在閥瓣打開的環(huán)狀間隙處沒有渦流現(xiàn)象。閥體和出口支管的通道截面積為2.5d0。由于排放能力高，安全閥的閥座通道截面積

17、較小，使安全閥易于密封。（2）閥座閥座設計成可拆卸的結構形式，閥座通道設計成拉法爾噴嘴的光滑低阻力形狀。噴嘴式安全閥能在長期使用中保持高度密封，減少閥座和閥瓣密封面的機械變形、熱變形和侵蝕。閥座的熱變形是介質對于非對稱閥體的作用引起的，而閥座的機械變形則可能在把閥體緊固在容器上發(fā)生。采用可拆卸結構，則閥體的變形一般不易造成閥座的變形，而閥座的變形是導致安全閥泄漏的主要原因。安全閥的主要受壓元件是閥座，所以在設計時應進行強度校核，在結構上應設計成圓滑過渡，閥座一般不宜采用鑄件，應采用棒料和鍛件加工，并需進行強度試驗。(3)閥瓣閥瓣是和閥座一起組成密封面，其密封面一側要直接承受介質的壓力、溫度等，

18、它的結構設計合理與否，直接影響到安全閥的密封性能。閥瓣的結構設計是根據(jù)安全閥要達到的密封性能指標、密封面寬度和密封比壓、受彈簧預緊力的大小、所使用的介質特性等諸多因素來考慮的。閥瓣的材料選用和閥座相比，應相同或更好一點，對美標安全閥來說，采用較多的是420、304和316L，當然，在所有腐蝕性強的地方，還應選用更好的，如蒙乃爾、哈氏合金、鈦合金等其它材料。（4） 閥桿安全閥彈簧的作用力是通過閥桿傳遞給閥瓣，形成初始密封。當安全閥動作時，閥桿沿著彈簧上下面的彈簧座移動，因此閥桿的作用很重要。1) 閥桿力不是通過鋼球傳遞給閥瓣時，閥桿的端部應做成求面，球面半徑按施加于閥桿的作用力來選取。當作用力小

19、于6000N時，r=1.5mm就夠了；作用力達18000N時，r=4mm。球面半徑也可按安全閥口徑來選取，即r=（0.050.08）d0。2)加于閥桿的載荷超過1000N時，閥桿端部用2Cr13鋼制造，其硬度經熱處理后達4043HRC?；蛟诙瞬慷押赣操|合金，硬度不低于4548HRC。（5） 彈簧彈簧是重要的零件之一，彈簧式安全閥的性能受彈簧的控制，彈簧的設計成功與否決定了安全閥的最終性能是否達到設計要求和使用要求。彈簧在安全閥里的工作原理比較簡單，它通過彈簧座把作用力傳遞給閥桿，閥桿再把彈簧力傳遞到閥瓣上。1) 為了保證彈簧力能平穩(wěn)地傳遞到閥瓣上，在設計制造安全閥彈簧時，應將彈簧的端部磨平，支

20、撐面至少大于3/4圈。并且應滿足平行度和垂直度的要求。2) 制造安全閥的彈簧材料主要采用60Si2Mn、50CrVA。在低溫26910情況下，應選用含鎳、鉻、鉬的不銹鋼（ANSI304、316、321、1Cr18Ni9Ti等）；溫度達到538時應采用含鎢的低合金鋼(W18Cr4V、30W4CrVA等)。系統(tǒng)的高溫作用使彈簧的機械性能降低，彈簧力減小，導致安全閥提前起跳。為了避免這種后果，在設計安全閥時，設計一個隔熱裝置，采用隔熱器或冷卻裝置把彈簧同排放的介質隔離開或導入冷卻介質降低安裝彈簧部位的溫度。3) 為了防止彈簧松馳，在計算時取較低的許用應力值，制造時進行強化處理。4) 石油化學工業(yè)中應

21、十分注意彈簧的抗腐蝕保護，在同某些介質接觸時會使彈簧圓鋼變細和出現(xiàn)內部裂紋、應力腐蝕等現(xiàn)象。為了防腐蝕，彈簧應采用合金鋼制造，并采用包保護層、鍍鎳、滲鋁等方法，在結構上利用橡膠彈性隔膜或金屬波紋管使彈簧同腐蝕性介質隔離，或在彈簧表面噴涂聚四氟乙烯的方法保護彈簧。（6） 調節(jié)圈調節(jié)圈是全啟式安全閥的重要部件之一，調節(jié)圈分上調節(jié)圈和下調節(jié)圈，有的廠商生產的安全閥甚至有二個以上的調節(jié)圈。利用調節(jié)圈對排放壓力、回座壓力進行調整，這個調整由制造廠商根據(jù)需要來確定，用戶在使用過程中不得隨意調整調節(jié)圈的位置，它決定著安全閥的動作性能。通常下調節(jié)圈安裝在閥座的上部，上調節(jié)圈安裝在閥瓣的導向套上。閥座調節(jié)圈（下

22、調節(jié)圈，也稱助跳環(huán)）用來改變閥瓣與調節(jié)圈之間通道的大小，從而改變當閥門初始開啟時壓力在閥瓣與調節(jié)圈之間腔室內積聚程度的大小。當升高閥座調節(jié)圈時，壓力積聚的程度增大，從而使閥門比例開啟的階段減小而較快地達到突然地急速開啟。因此，升高閥座調節(jié)圈位置能使安全閥全開啟壓力（排放壓力）降低，同時關閉壓力（回座壓力）也降低。反之，當降低調節(jié)圈位置時，排放壓力升高，同時回座壓力也增高。上調節(jié)圈用來改變流動介質在閥瓣下側反射后折轉的角度，從而改變流體作用力的大小，以此來調節(jié)回座壓力。升高上調節(jié)圈時，折轉角減小，流體作用力隨之減小，從而使回座壓力增高。反之，當降低上調節(jié)圈時，回座壓力降低。當然，上調節(jié)圈在改變回

23、座壓力的同時，也影響排放壓力，即升高上調節(jié)圈時使排放壓力有所增高，降低上調節(jié)圈使排放壓力有所降低。但其影響程度不象對回座壓力那樣明顯。上調節(jié)圈的位置通過閥體上部的螺孔來調節(jié)，螺孔用螺栓封住，螺塞具有伸出的端頭，使調節(jié)圈固定以防轉動。（7） 波紋管和活塞背壓力對安全閥的排放能力、開啟壓力有相當大影響，為了保證安全閥能安全可靠地運行于背壓力超過開啟壓力10%的工況，在設計安全閥時，應該考慮背壓的影響，在安全閥上加設一個能平衡背壓影響的裝置。平衡背壓的機構常用的有波紋管式和活塞式兩種，另外還有通過導向閥來平衡背壓。（8） 提升裝置利用扳手強制開啟裝置，可以使閥桿連同閥瓣一起稍微提起，使安全閥開啟。按

24、照有關標準的規(guī)定，安全閥必須作定期的開啟檢查，因工藝流程的原因而不允許的例外。對于后面這些場合，安全閥不帶強制開啟裝置。強制開啟裝置用來防止可能發(fā)生的閥瓣同閥座的焦結、凍結和粘著。強制開啟裝置不應在安全閥動作時對閥瓣的運動造成阻力。第二節(jié)安全閥關閉件的結構安全閥是鍋爐、壓力容器和壓力管道等承壓設備必備的安全裝置，早期的安全閥是杠桿式或靜重式安全閥，曾在低壓和小容量鍋爐上廣泛應用。其缺點是笨重、占地面積大、性能差，后來出現(xiàn)了彈簧式安全閥，其結構簡單、適用范圍廣、性能可靠。圖2-1是最常用的彈簧式安全閥典型結構圖。一、關閉件結構在彈簧式安全閥中影響動作性能、排放能力的部件主要是彈簧、閥座和閥瓣。在

25、安全閥發(fā)展過程中，改進的主要部件就是閥座和閥瓣的結構，彈簧的制造工藝和材料的改進以保證彈簧在超低溫或高溫的工況下的穩(wěn)定性。早期的安全閥主要是利用氣體的沖擊作用原理，關閉件結構簡圖，它主要用于液體和氣體工作介質，作為排量不大的泄放閥。圖2-2安全閥關閉件的結構為了提升安全閥的排放能力，全啟式安全閥結構的發(fā)展是按兩條途徑進行的。（1）增加受介質沖擊作用的閥瓣的有效面積，使之迅速開啟。通過加大閥瓣直徑或在閥桿上裝設獨立的反沖盤作用，使安全閥開啟時受介質流束沖擊作用的面積增加了，達到閥門全開啟。圖2-2表示為了增大開啟高度而顯著加大了閥瓣的安全閥結構；圖2-2所示的反沖盤結構是活動的，可以調節(jié)它在閥桿

26、上的位置。結構改變使得流束能充分發(fā)揮作用，缺點是為使安全閥關閉，需要大大降低系統(tǒng)中的壓力，使彈簧力能夠克服作用在閥瓣反沖盤面積上增大了的介質作用力，也意味著被保護系統(tǒng)中介質的大量損失。（2）提高安全閥開啟高度的第二種方法是利用流束對于閥瓣或反沖盤的反沖作用。圖2-2d表示利用力原理的關閉結構，從閥座中噴出的流束借助于閥瓣導向襯套或調節(jié)閥轉向與閥瓣開啟相反的方向，同時沿開啟方向產生反沖力。角度不同則反沖力不同，而利用調節(jié)圈可以改變氣體轉向的角度。在用于氣體和蒸汽的兩段作用全啟式安全閥中就利用了這個原理。兩段作用的彈簧全啟式安全閥，在結構設計時，充分地利用了膨脹氣流的反沖作用力，從圖2-1中可以看

27、出其結構的變化。這種安全閥帶有噴嘴型的閥座、閥座和瓣上都設置了調節(jié)圈、同閥座分開的閥體和比進口尺寸大的出口支管。為了達到高的開啟高度，既利用了增加介質沖擊作用面積的原理，又利用了噴出流束的反沖作用原理。在開啟高度下，所通過的介質排量是由閥座通道截面積改變決定，而不是由閥瓣打開的環(huán)狀間隙截面積決定的。為達到理想的效果，全啟式安全閥的閥座和閥瓣組合件的設計采用了各種結構型式，下面分別說明各種結構的應用組合。 圖2-3常用的閥座和閥瓣關閉的各種結構式示意圖。閥座上有調節(jié)圈和閥瓣上都有調節(jié)圈；c 閥座上有調節(jié)圈，閥瓣外有固定的襯套，襯套具有在閥瓣開啟一段后形成轉向槽的凸邊d-閥座上有一個調節(jié)圈，閥瓣上

28、有兩個調節(jié)圈；e閥瓣四周錐形罩；f閥座和閥瓣上都有調節(jié)圈，閥瓣上開有小孔。這些小孔在閥瓣行程上是敞開的圖2-3全啟式安全閥的閥座、閥瓣結構型式示意圖圖2-3是常用的一種結構，閥瓣設計成反沖盤，而閥座則設計成拉法爾噴管的流道形狀，為調整開啟壓力和排放壓力，在閥座上設置了一個調節(jié)圈。采用這種結構可以大致調整回座壓力和排放壓力。其結構簡單，制造成本低。圖2-3是雙調節(jié)圈結構，上調節(jié)圈用來調節(jié)全開啟壓力（排放壓力），下調節(jié)圈用來調節(jié)回座壓力。可以比較精確調整回座壓力和排放壓力，適用于對超過壓力較小的工況，這種安全閥調試過程比較復雜，制造成本也相對提高。圖2-3所示的結構是閥座上設置有調節(jié)圈，閥瓣沒有調

29、節(jié)圈和反沖盤，是利用導向套和開啟的閥瓣形成一個反沖盤，這種結構也可獲得較小的啟閉壓差。圖2-3所示的帶有三個調節(jié)圈的兩段作用全啟式安全閥的關閉件結構，可以更精確地調節(jié)安全閥的動作，以使安全閥在開啟過程中的壓力升高更小。下調節(jié)圈在安全閥開始開啟時把流速反射到閥瓣上，幫助閥瓣開啟；在安全閥進一步升高時，上調節(jié)圈的凸邊形成轉向槽，從而提供保證迅速升高所必需的反沖力。在一個上調節(jié)圈上，沿圓周方向開了一系列的小孔。另一個上調節(jié)圈就包圍在這些孔上。當閥瓣在一定開啟高度時，經由這些小孔泄放介質，從而保證更精確地調節(jié)安全閥的動作。在另一種結構設計中，類似的泄放孔在閥瓣行程的某一段內是敞開著的，如圖2-3所示。

30、圖2-3所示的結構比較特殊，沒有采用調節(jié)圈，而把閥瓣設計成一個錐形的反沖罩，其間壓力和排放壓力都是不可調的，這種結構不太常用。圖2-4所示的現(xiàn)代全啟式安全閥具有用以開啟和關閉的兩個調節(jié)圈1和2。噴嘴形閥座3保證在閥座最小通道截面內氣體的高速度高流速。兩個調節(jié)圈彼此形成狹窄的間隙，把從閥瓣下噴出的氣體引向下方；同時，流速的反作用力作用在閥瓣上，從面增大了安全閥的開啟高度。在這種結構中有效地實現(xiàn)了閥座、閥體和容器法蘭的連接，因為在這種情況下既達到了閥座、閥體和容器法蘭的連接，因為在這安全閥還帶有用來強制開啟進行清理吹扣的扳手。圖2-4全啟式安全閥圖2-5是美國某公司生產的全啟式安全閥。主要用在動力

31、設備和石油、化學及其他工業(yè)部門的容器上。由于流速的反作用力，閥門開啟時所需容器壓力的升高是不多的。矩形截面的強力彈簧保證了安全閥能及時而迅速地關閉。在圖2-5中可以看出，其閥瓣由閥瓣座和用耐腐蝕的硬質材料制成的特殊的閥瓣頭組成。閥瓣頭與閥瓣座為非剛性連接，能自行定位。不受閥瓣座同閥痤之間可能發(fā)生的偏斜的影響，從而改善安全閥的密封性。閥桿同閥瓣通過鋼球或者借助于球面相連接，從而保證閥桿的對中，這種結構也便于修理。圖2-6的安全閥結構中，閥座做成與閥體分離的噴嘴形式。因為閥體的變形不傳遞給閥座，所以閥座不受變形的影響。閥體與噴嘴之間的螺紋間隙的選擇應使噴嘴能夠自由膨脹而不受閥體變形的影響。對于在高

32、溫高壓下使用的安全閥，采用“熱閥瓣”并將其嵌入到閥瓣座中。噴嘴和“熱閥瓣”尺寸和材料應選配得當，熱膨脹相同，不發(fā)生相對位移。閥瓣的導向套與閥體的連接是非剛性的，并且不接觸熱的或臟的介質，從而使安全閥容易開啟和回座。閥桿和閥瓣之間通過淬火鋼球來連接。能保證閥桿不受彈簧偏斜的影響而自動對準中心，并且能防止閥瓣被卡住。安全閥的彈簧配置在閥體外面，不與工作介質接觸，避免了彈簧受熱松弛而引起閥門提前排放。為了保護彈簧免受腐蝕，表面予以鍍鉻。為了減少侵蝕作用，閥座和閥瓣的外形也作了改進，保證流速方向平行于閥座面。在安全閥中采取了把閥瓣中央做成凸起，在閥座出口截面的內表面處做成傾角等措施。用于高溫條件時，閥

33、門采取使彈簧不致受熱的隔熱措施，帶有閥桿定心裝置，以保證閥瓣可以無阻礙地沿導向套內孔運動。2關閉件結構設計（1）反沖機構設計閥瓣開啟高度為h.04do的全啟式安全閥被作為基本形式。為了保證全開啟高度，利用了從閥瓣反沖盤噴出的膨脹氣流的反沖作用力。為此，在閥瓣反沖盤上預制了深度為的轉向凸邊。當閥瓣全開啟時，由導向套形成的附加凸邊使得轉向凸邊的總深度增加到。轉向凸邊把流速折轉到與開啟方向相反的方向（見圖2-7）。圖2-5（美國某公司的）全啟式安全閥1熱閥瓣；2閥桿；3套盤；4圓盤；5腔室；6調節(jié)圈圖2-6熱閥瓣的全啟式安全閥a閥門開啟到高度h=0.3do,=0.1 do,=0.2 do,b閥門開啟

34、到高度h=0.4do,=h-1=0.3 do圖2-7全啟式安全閥的流道示意圖圖2-7表示了轉向凸邊的存在是怎樣影響從閥瓣反沖盤下噴出的流速的形狀的。圖2-7表示只有閥瓣反沖盤轉向凸邊對氣流起作用時的流速方向。而從圖2-7中可以看出，在一定的開啟高度下，當固定導向套形成的附加轉向凸邊開始起作用時，流速發(fā)生了更大的偏轉。同時，作用在開啟方向向上的反沖力增大。為了保證安全閥在標準允許的壓力升高和降低范圍內開啟與關閉，上述閥門結構中取閥瓣反沖盤轉向凸邊的深度為0.2 do。設計固定導向套時，應使其下端面離開閥座密封面的高度1=0.1 do。這時=h-1。其他反沖盤的設計也可參考這個進行，在設計完成后還

35、應該通過試驗進行驗證并修改。（2）閥座、閥瓣和導向套的設計閥座最好設計成與閥體分開的噴嘴型結構，由于閥瓣開啟高度較大，介質出口亦較寬敞，這種結構的排量系數(shù)可達0.80-0.95。閥門密封面做成平面的，以便于加工和修理。當壓力為20.0MPa以下時，采用“金屬非金屬”密封的關閉件以便保證密封。壓力更高時則采用“金屬金屬”密封。若溫度超過230，也應采用“金屬金屬”的密封。閥瓣的最重要的部位，是密封面和閥瓣運動導向的側表面。在杠桿重錘式安全閥和微啟式安全閥中，閥瓣通常具有沿閥座內孔滑動的下導向筋。這種結構的缺點：1）閥座流通截面小。2）閥瓣和閥座的導向滑動表面同工作介質接觸，會發(fā)生腐蝕和污染，可能

36、導致閥瓣被卡住。所以，目前對于全啟式安全閥規(guī)定僅采用閥瓣上部導向。當安全閥動作時，閥瓣沿著圓柱形導向套運動。導向套工作表面的高度取為（11.5）d。閥瓣和導向套之間的徑向間隙對安全閥的動作有很大影響。間隙小時，由于閥瓣受熱和氧化皮屑粒將間隙阻塞等原因，會造成閥瓣回座時不密封。為了防止閥瓣在導向套中被卡住，就必須按工作溫度的不同，在閥瓣和導向套之間確保一定的間隙。表2-6中提供了閥瓣與導向套之間配合間隙的推薦值。對于蒸汽鍋爐用安全閥，建議按閥瓣直徑的不同采用更大的徑向間隙。表2-7給出了閥瓣與導向套的徑向間隙。2-6閥瓣與導向套的配合公差介質溫度 零 件材料和硬度公稱尺寸徑DN（mm）50801

37、00150導向部分的間隙（mm）550閥 瓣2Cr13、330-370HB 0.50 0.550.60 0.70導向套2Cr13400-420HB600閥 瓣4Cr14Ni14W2MO1Cr18Ni9T0.65 0.80 1.10 1.40導向套4Cr14Ni14W2MO氮化處理表2-7閥瓣和導向套的徑向間隙閥瓣外徑 (mm)介質溫度 300>300間隙 (mm)<400.350.4540600.500.6060800.550.65801000.700.801001200.901.001201401.101.201401601.301.40 第三節(jié) 安全閥密封一、安全閥密封結構1.

38、密封結構分類為了提高安全閥的密封性能，各制造廠商依據(jù)使用情況設計了很多的密封面結構，其分類如下：（1） 按結構型式分，如圖2-8所示，基本上可分為9種型式：a、 h平面密封；b、d錐形密封；c球形密封；f、g刀形密封；e、i帶彈性密封面的密封圖2-8密封面型式1）平面密封（見圖2-8a、h)目前應用最廣泛的是“金屬對金屬”平面密封。平面密封在制造修理時比較簡便，它不象錐形密封那樣要求閥瓣對閥座具有高度的同軸度。2）錐形密封（見圖2-8b、d）錐形密封用于壓力較高的場合，因為制造精密并堆焊硬質合金情況下，能保證閥門開啟的靈敏度高和動作穩(wěn)定。通常在壓力低于10.0MPa的蒸汽鍋爐上，采用平面密封是

39、可靠的。壓力在10.0-16.0MPa的鍋爐用安全閥，則主要采用錐形密封。3）球形密封（見圖2-8c）球形密封也適用于高壓力的場合，性能類似于錐形密封，是錐形密封的一種。4）刀形密封（見圖2-8f、g)刀形密封結構與平面密封類似，通常是刀形側為金屬，另一側密封面為非金屬的嵌入件，由于材料較軟，易于形成可靠的密封，加工也遠比金屬對金屬的要求低。5）帶彈性密封面的密封（見圖2-8e、i)帶彈性密封面的密封結構用于系統(tǒng)內溫度與排放側溫度相差較大時，溫度的差異，閥座和閥瓣有可能發(fā)生熱變形，導致密封失效。而彈性密封結構則能補償熱變形，達到有效的密封。（2）按閥瓣閥座密封副采用的材料組合分：1）金屬對金屬

40、，其中包括堆焊的硬質合金（見圖2-8a、e）;2)金屬對非金屬（見圖2-8fl）;3） 非金屬對非金屬。2.密封面結構設計原則（1）安全閥的密封性在很大程度上決定于本身結構的密封壓以及制造和裝配的精度。小口徑閥門密封較為困難，要求十分精確地裝配，否則就達不到密封。此外，就靈敏度條件來說同樣也是不利的。安全閥口徑愈大，克服閥瓣開啟時的磨擦所需要的力對壓緊閥瓣的力之比就愈小。由于閥體的出口其結構是不對稱的，在受到閥瓣下方的介質加熱時容易發(fā)生熱變形。閥體緊固在壓力容器上時容易引起機械變形。當閥座同閥體做成一體時，這兩項變形直接傳遞給閥座密封面，引起密封面的變形。為了避免閥體變形，鑄件應進行時效處理。

41、同時還應進行清理屑粒，以防止密封面損壞。（2）具有可拆卸的噴嘴形閥座的安全閥結構能防止閥體的變形傳給閥座，噴嘴的形狀為截頭圓錐體，因此強度很高。噴嘴的結構又是對稱的，它可以膨脹面不致引起密封面的變形。（3）在關閉件上嵌入某種適宜于密封的材料時，為了避免密封面上形成溝槽致?lián)p環(huán)，使用較硬材料密封面的寬度時，應大于較軟材料的密封面寬度。（4）對于平面形式的密封結構，密封面寬度應做得盡可能小，以保證要求的密封程度。實際上密封面不是完全平的。它們不是在整個表面上，只是在一定的接觸帶上互相吻合。同密封力分布在整個密封面寬度上的情形相比較，接觸帶上的比壓要大得多。由于接觸帶的位置不同，同樣的重錘或彈簧外力作

42、用之下，安全閥卻可能在不同的壓力下開啟。寬的密封面比起窄的密封面來，開啟壓力對于計算值的偏差可能更大。盡量不應采用寬密封面，因為這樣的安全閥開啟時壓力可能大大地超過計算值。（5）為了避免閥桿偏心地壓在閥瓣上，閥桿與閥瓣間的連接應當經一個淬火鋼球或將閥桿端部加工成球形并淬火處理來實現(xiàn)，閥瓣與閥桿接觸的端部應具有淬火鋼制的碗形襯墊。這種結構保證了閥桿較好地對準中心而不受彈簧偏斜的影響，同時防止了運動零件之間互相卡阻。（6）設計安全閥時，應盡可能地使閥瓣承受彈簧力的著力點低于密封面，這樣不至于產生影響密封的側向力矩，否則彈簧力在密封面四周的分布可能不均勻。于是在比壓較小的部位密封性可能遭致破壞。（7

43、）閥瓣導向部分的長度應不小于直徑的80%，否則在開啟和關閉時可能發(fā)生偏斜和卡住，致使安全閥關閉時可能不密封。為了避免閥瓣導向套中卡住，可對閥瓣導向套的表面進行振動滾壓，在導向表面上造成微觀起伏，以便儲存潤滑劑。（8）帶有噴嘴形閥座的全啟式安全閥，在閥瓣打開的間隙處的流動是平行于密封面的，其速度低于臨界速度。在這樣的條件下，密封面的侵蝕將小于微啟式安全閥。（9）帶彈性密封面的密封結構用于閥座和閥瓣有可能發(fā)生熱變形的場合。當高溫介質流過閥門溫度降低很多，即介質具有焦耳湯普森應時，就會發(fā)生這種熱變形現(xiàn)象。例如，在氮氣和水蒸汽中進行的試驗表明：同一個閥門對于氮氣能夠滿意地密封，但對于蒸汽即完全不能保證

44、密封，造成大的泄漏。其原因是：被節(jié)流的水蒸汽使密封面冷卻，在密封面材料中造成溫度梯度，從而引起了密封面的翹曲。節(jié)流時的冷卻程度取決于介質的種類及其初始參數(shù)。例如，對于飽和蒸汽，工作壓力為17.0MPa時溫度可能降低230，工作壓力為8.5MPa時溫度可能降低150。這將導致密封面的翹曲和侵蝕。高壓和高溫介質的情況下，達到密封更加困難。為了達到密封的目的，應該選擇堆焊熱膨脹系數(shù)較小的材料。為了克服在蒸汽中工作時密封面的熱變形，采用了如圖2-8e所示的所謂“熱閥瓣”的密封型式。在這種密封型式中彈性密封面結構較薄，受熱均勻，故而熱變形亦較均勻。（10）安全閥的制造工藝必須保證閥座和閥瓣之間嚴格同軸以

45、及密封面之間嚴格平行。3新型密封結構（1）帶金屬支承和彈性密封圈的密封結構為保證開啟壓力準確，應盡可能減小密封面寬度，即密封面寬度越窄越好，但從承受彈簧的擠壓力來看，密封面又應當做得寬一些，即越寬越好。兼顧兩個方面的要求。有了新的結構形式。帶有刀形金屬密封面和彈性密封墊的安全閥只需要很小密封而比壓，只要求被保護系統(tǒng)中的壓力超過工作壓力很小的值。在這種情況下也保證了開啟壓力的高度準確。但是，刀形密封面應是抗侵蝕和耐腐蝕的。如圖2-9這種形式的密封結構，是最近才在安全閥中使用的，閥座1具有刀形密封圈2，閥瓣3帶有嵌入溝槽5并用墊圈6壓緊的非金屬密封圈4，壓緊的墊圈使非金屬圈產生變形。非金屬圈上方的

46、溝槽部分由孔道7同高壓腔連通。1閥座；2刀形密封圈；3閥瓣；4非金屬密封圈；5溝槽；6墊圈；7孔道；8二個金屬平面之間；9墊片圖2-9 帶金屬支承和彈性密封圈的密封結構由于介質壓力作用在圈上，從而建立起可靠的密封。孔道還用來在系統(tǒng)卸壓時從嵌圈空間排除介質。閥瓣和閥座之間具有約0.3mm的間隙，間隙的大小可通過墊片9來調節(jié)。在這種關閉件中，密封建立在閥座凸起的密封圈與彈性圈之間，其次，在彈性圈變形之后，在閥座和閥瓣的金屬平面8之間也建立起密封。這種結構的關閉件可以防止當安全閥中無壓力時由于外力而使彈性密封圈遭致?lián)p壞。帶有彈性圈的密封結構用來提高密封性，消除振動，可用在寒冷和冰凍的條件下,可用在含

47、有堅硬屑粒的介質中,也可用在難于保持關閉件密封的情況下,并根據(jù)彈性圈的材料不同分別可達100230。（2）撓性閥瓣密封結構這種密封結構有一撓性閥瓣（見圖2-10），閥瓣同閥座的接觸面寬度隨著閥前壓力的減小而增大。圖2-10 撓性閥瓣的密封結構在沒有介質壓力時，由于閥瓣的撓性，接觸面積增大，能夠避免過大的接觸應力；而在開啟壓力下，接觸面積減小，從而保證了開啟的穩(wěn)定性，閥座和閥瓣采用含18%鉻的特種鋼或特種銅制造。這種結構的一個最大優(yōu)點是能對溫度造成的閥瓣變形進行有效的補償，可用于高溫或超低溫的工況。二、密封比壓計算1密封比壓的概念為了兩個平面之間可靠密封，需要一定的力來使這些平面的不平整處變形，

48、從而使兩平面相互之間在整圈圓周上連續(xù)接觸。在規(guī)定的工作條件和所采用的閥門關閉件結構下，為建立密封而需要加于密封面的最小比壓，取決于密封面內外的壓差，密封面的材料、質量和寬度以及其他因素。對于容易變形的塑料材料，對密封面施加不太大的壓力就能造成較大的塑性變形。使兩個表面的不平整處相互吻合。金屬密封面由于本身硬度高，產生塑性變形需要很大的力。所以，為了避免對密封面施加過大的壓力，就應采用精密加工，如磨削和研磨的方法，盡可能地磨平密封表面的微觀不平度以及消除不平面度。在工作壓力時，作用在密封面上的比壓大大低于鋼的屈服點。在安全閥中無介質壓力時，全部彈簧力都作用在密封面上，此時的比壓可能超過材料的屈服

49、點，這就相當于對密封面進行了預壓制。應考慮到在設備長期停止運行而安全閥中長期無介質壓力時，由于大的比壓作用的結果，可能使密封面損壞。除此之外，當閥瓣相對于閥座的位置不固定而可能發(fā)生相對轉動時，預先壓到屈服點就失去了意義。因此，在“金屬金屬”密封的安全閥中建立起絕對的密封，實際上是不可能的。只是應當力求使介質的泄漏量盡可能地小。應當指出，對于介質作用在閥瓣周圍的安全閥來說，解決這個總是要容易些。采用比鋼彈性大的材料，可以大大提高關閉件的密封性，因為彈性材料在比較低的比壓下就開始變形并填滿關閉件密封面之間的間隙。關閉件密封面的寬度決定了介質通路的長度。但是，隨著寬度的增加。介質流動的阻力以及由于微

50、觀不平度的變形面使介質通路堵塞的可能性也增加了。介質粘性也影響其泄漏量。粘性大的介質比粘性小的介質泄漏量小。氣體介質和液體介質相比較，其泄漏量的差值就更大。由于毛細管作用，密封面的浸潤性也影響到介質的泄漏量。因為油脂的存在會使表面的浸潤性變差，所以，甚至很薄的油膜也會提高連接的密封性。保證關閉件的密封以及形成力的封閉鏈的各個零件并不是絕對剛性的，而是一定的彈性。因而在與介質壓力有關的力作用下，這些零件的尺寸也會發(fā)生變化，這就引起了密封面上力的相互關系的變化。例如，安全閥中閥桿的拉伸可能引起關閉件的不密封或提前開啟。建立關閉件密封的力的大小，受到裝置中從工作壓力P到閥門初始開啟壓力Ps的壓力升高

51、范圍的限制。在規(guī)定的壓差范圍內，應達到安全閥關閉件的密封并保證閥瓣的全開啟。當不可能在規(guī)定的壓力升高范圍內使閥門密封時，則需重新設計密封面的結構。介質作用在閥瓣下方的安全閥在關閉狀態(tài)下力的示意圖（見圖2-11）表明，作用在密封面上的比壓就是由于圖示的這些力而建立的。從內部作用在閥瓣上的是介質力與介質在密封面的滲透和介質壓力在密封面寬度上的分布有關。對于這個問題的的研究表明，當小的比壓作用在密封面上時（在安全閥中正是這樣情況），介質壓力在密封面上實際上是符合三角形分布規(guī)律的?？梢哉J為，從內部作用的介質壓力P是在直徑為dob（即密封面平均直徑）的面積上作用于閥瓣的。圖2-11 安全閥關閉時的受力示

52、意圖為建立密封所必需的最小密封力為：Fmin(dob)bqmin式中：qmin在安全閥關閉件中建立所要求的密封施加于密封面的最小比壓，MPa。建立關閉件的密封，必須使用F密Fmin 。在工作壓力時加于密封面的比壓q密為： (2-1)在通常情況下，安全閥的介質壓力是分布在密封面產均直徑范圍內的面積上。實際上卻可能有差別，密封表面狀況的不同，密封線的位置也可能不同，從而使壓力分布的面積有可能大于或小于平均直徑的面積。在前一種情況下，安全閥將開啟得比計算得快一些。在后一種情況下，開啟得遲一些，會使壓力超過允許值。在這種情況下，閥門特性曲線QPf(H)同樣會偏向使壓力升高。這時，微啟式安全閥在規(guī)定壓力下的排放能力可能大大降低。密封面愈寬，閥座直徑愈小，工作壓力愈高，由于密封線偏離平均直徑處面帶來危險后果的可能性就愈大，后果也愈嚴重。由于介質在密封面之間滲透的面積的外輪廓線的形狀較復雜，而密封表面本身又不是理想平面，所以作用在密封面上的實際比壓可能與計算值之間有很大偏差。因而，密封面比壓的數(shù)值是一個有條件的值，應當依據(jù)實際情況來確定。2常規(guī)結構密封比壓的計算 金屬對金屬密封比壓計算在圖2-12中給出了僅供參考的金屬對金屬的