高灵敏度高压安全阀的设计

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中图分类号： TH138；TK037 文献标识码： A doi：10.3969/j.issn.1005-0329.2013.07.009Design of a M ore Sensitive High-Pressure Safety ValveLIU Guo.qing。，CHENG Hong-jie ，LI Qi(1.4812 PLA factory，Anqing 246001，China；2.The State Key Laboratory for Compressor Technology，Hefei General Machinery Reserch Institute，Hefei 230031，China)Abstract： To ensure the high-pressure system safe running，giving a design example of the more sensitivity and 42MPa air com-pressor valve.The technical parameters and structure design method are introduced，discusses the high sensitivity and 42MPa aircompressor with the relief valve design should be paid attention to，and puts forward corresponding countermeasures.The experi-mental results surface this relief valve sensitive，and reliable。

Key words： high-pressure safety valve；technical parameter；structural and performance design ；more sensitivel 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： 2012-08-02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-个系统性问题，-方面要考虑安全阀本身的各种因素，另-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-种高灵敏度42MPa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。

2013年第4l卷第 7期 流 体 机 械 412 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≤100℃，空压机容积流量 Q480m /h，空压机工作压力 P40MPa。

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-般的和高灵敏度2种等级，不同等级的压力有较大差异，40MPa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 (MPa)项目 密封压力 整定压力 排放压力 回座压力- 般的 40.0 44.0 48.0 36.0高灵敏度 40.0 42.0 44.O 38.0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，-般等级安全阀的排放压力为48MPa，高灵敏度等级安全阀的排放压力仅为44MPa。也就是说，若安全阀设计按-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 48MPa；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 44MPa，比较两种高压压力系统的设计压力，相差达到 10%(以工作压力 40MPa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 40.0MPa(表压)，整定压力为42.0MPa(表压)，排放压力为 44.0MPa(表压)，回座压力为38.0 MPa(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 DN3，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 GB/T 12241-2005《安全阀 -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：P6/Pd≤ [2/(k1)] 式中 --安全阀出口侧压力(绝)， 0.1MPa- - 安全阀排放压力(绝)，Pd44.1MPa- - 在排放时进口状况下的绝热系数，经查 k1.40代人数据得：Pb-o-02、≤( ) -o.528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 GB/T 12241-2005(安全阀-般要求》，I临界流动下的理论排量为(假设兰金定律有效)： IOAPdC[M/(ZT)]式中 --理论排量，kg/hA--流道面积，mm ，A7.07mmC--绝热指数 k的函数肛- 气体的分子量，kg/kmolz--压缩指数 实际排放温度，K代人数据计算得： 2202.9kg/h空气压缩机实际排量为：Wc 620.6kg/h则： 0.28 ≤ 0.7tg故安全阀公称通径 DN3临界流动下的理论排量满足要求。

42 FLUID MACHINERY Vo1.41，No.7，20133 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-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42MPa，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诚，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-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〖虑聚四氟乙烯、橡胶等非金属材料许用比压很低，- 般为 5MPa，远远不能满足密封面许用比压要求，所以阀瓣-阀座密封副的材料均采用金属。

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 qMF≤g≤[g] 。

其中1.4(35 PN)qMF - QMZsina(DM DMN)'rrbM式中 qMr--密封面必需比压，MPaq--密封面计算比压，MPa[q]--密封面许用比压，MPaPⅣ--公称压力，MPa6村--密封面宽度，mmQ --密封面总作用力，N，QMZQMJQMFQ --密封面上介质作用力，NQ ，--密封面上密封力，ND删--密封面内径，mmD --密封面外径，mm阀瓣和阀体材料均选用不锈钢 2Cr13，其许用比压为 250MPa4j。权衡密封效果和密封面许用比压，选定密封面尺寸 b 1.5mm。

则：qMF 86MPag139MPa即86MPa≤104MPa<250MPa，满足 qMr≤q≤[q]，密封副设计达到密封面密封比压要求。

3.3 阀瓣设计2013年第 41卷第 7期 流 体 机 械 43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3mm，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80%，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 HRC50～55。

3.4 安全阀弹簧的设计安全阀的正常运行撒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.1P 。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，MPaA.--流道增加面积，mm ，Al： (D -D2 )D --反冲盘直径，mm，D 8mmD --密封面中径，mm，D 5mm- - 安全阀设定开启高度，mm，该安全阀取 h4mm代人数据计算得：F 53.8N/mm故选炔全阀弹簧刚度 F55 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(MPa)次数 密封压力 整定压力 排放压力 回座压力第 1次 40.5 42.3 42.9 39.6第 2次 40.2 42.1 42.8 39.3第 3次 40.3 42.2 42.8 39.5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10%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40MPa、排量 480 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-步，对于工作压力25-40MPa、容积流量 300-600 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27页)2013年第4l卷第 7期 流 体 机 械 27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 Simple Bezier曲线参数化中弧线，方式2采用高阶 Bezier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。Simple Bezier曲线局部性能劣于高阶 Bezier曲线，微调性上高阶 Bezier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 Bezier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3.50kg/s和5。

00kg/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。