高靈敏度高壓安全閥的設計

楊亞青+張啟明

摘 要：為保證安全閥在高壓系統下的工作可靠性，以其在高靈敏度42 MPa空氣壓縮機中的設計為例。主要闡述了安全閥的結構和性能參數的設計方法，分析設計安全閥時容易出現的問題和解決辦法。通過實驗證明了安全閥工作的可靠性。

關鍵詞：安全閥 參數設計 工作可靠性

中圖分類號：TH134 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0092-01

為避免系統的壓力高于預先設定的安全壓力值，安全閥可以通過介質自身的作用排放一定量的流體，從而作為自動閥門來保護系統中承受過大壓力的設備，保證系統的正常工作。因此，安全閥應滿足高靈敏度的特性。特別是在空壓機中所用的高壓安全閥，由于不能進行定期有規律的校驗、設計過程易出現問題而導致的常見問題有：靈敏度不足，不能正常回座。解決這類問題的困難在于安全閥的設計，除了考慮自身的原因，還要把系統的相關情況考慮在內。為保證高壓系統的經濟性和安全運行，高靈敏度的安全閥設計是高壓安全閥設計的重點和難點。

該文以在42MPa空壓機中使用的安全閥為例，在分析其結構性能參數的設計方法的同時，提出了設計過程中易出現的問題和解決方法。

1 技術性能參數

1.1 已知參數

空壓機工作壓力：P=40 MPa

空壓機容積流量：Q=480 m3/h

工作環境溫度：≤100 ℃

適用介質：空氣

1.2 確定壓力值

空壓機與壓力容器的相通是經管道實現的，末級空壓機安全閥的壓力調定對壓力容器的設計壓力有直接作用，一般靈敏度和高靈敏度的安全閥的壓力差別比較大，對于40 MPa的壓縮機所使用的安全閥的末級壓力設定如表1。

可見，安全閥的設計需按高靈敏度等級進行，壓力容器、空壓機和管路的高壓系統的設計壓力才能達到44 MPa，也就能在運行過程中確保系統的安全性。

1.3 臨界流動條件

根據國家標準《安全閥一般要求》進行計算，判斷是否滿足下述條件：

其中 Pb為安全閥出口絕對側壓力，一般取為0.1 MPa

Pd為安全閥絕對排放壓力，一般為44.1 MPa

K為絕熱參數，一般為1.4

代入上式經計算后滿足臨界的流動條件。

1.4 校核計算理論排量

假如蘭金定律成立，臨界狀態下的理論排量為

2 結構性能參數設計

2.1 結構設計

空壓機中使用的高靈敏度安全閥在結構上要有保證，由于空壓機在工況時產生振動，故可利用彈簧緩解振動的優勢而采用彈簧式安全閥，從而排放多余的流體。

突跳動作式安全閥的開啟過程有兩個階段，在開始的階段，閥瓣的開啟隨著壓力成比例變化，當壓力達到一較小的值后，閥瓣急速開啟到一定程度。由分析知這種兩段作用式的安全閥能夠滿足高靈敏度的要求。因為空壓機的排放氣體是沒有污染作用的空氣，排氣口可以設計為開放式而排放到工作環境中。

2.2 密封設計

因為安全閥在較高的工作壓力下又要保證高靈敏度，故可采用錐形密封。在材料上，考慮用金屬來制造閥瓣—閥座密封結構。

在結構確定后，還需通過密封面比壓計算來驗證工作可靠性。在計算過程中閥瓣和閥體材料用不銹鋼2Cr13，經校核密封面能夠達到密封的比壓要求。

2.3 閥瓣設計

為保證安全閥的高靈敏度，在閥瓣結構設計為中心的同時，還要把密封面的情況考慮進去。增大工作介質沖擊時的有效作用面積并采用錐面和圓柱體的閥瓣結構可以提高安全閥的動作靈敏度。另外導向部分也要保證其長度大于直徑的4/5，這樣才能保證安全閥能夠順利關閉而不發生卡滯現象。閥瓣的表面熱處理采用淬火至硬度達到HRC50～55以滿足安全閥耐沖擊性的要求。

2.4 彈簧設計

彈簧的合理設計是確保安全閥具有高度靈敏性的關鍵部分，它決定了閥的開啟壓力、閥瓣行程和閥在關閉情況下密封的可靠性，因此彈簧的設計要求正確合理。

由于閥瓣的開啟速度相當快并為全啟式安全閥，閥瓣的運動位移與壓力的升高并不形成一定比例。在計算彈簧剛度時，應把開啟閥瓣后受工作介質作用而改變的有效作用面積考慮在內，而此刻的介質壓力遠遠小于排放壓力Pd，通常帶反沖機構的安全閥取為0.1 Pd。

3 結果分析

設計制造完成的安全閥在試驗裝置上進行試驗，測得結果如表2所示。

可知，實測值與設計中的偏差在標準規定的范圍內。同時安全閥反應動作迅速，各參數均合理，無不良現象發生。

4 結語

綜上，密封部分和彈簧的相關設計是高靈敏度高壓安全閥的設計關鍵。此安全閥對其它階段工作壓力和流量條件下的工作情況能否廣泛使用，仍需要進一步試驗證明。

參考文獻

[1] 郭崇志，朱壽林.安全閥超壓泄放瞬態動力學數值模擬研究[J].流體機械，2012（2）.

[2] 楊源泉.閥門設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1992.

[3] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化工工業出版社，2007.endprint

摘 要：為保證安全閥在高壓系統下的工作可靠性，以其在高靈敏度42 MPa空氣壓縮機中的設計為例。主要闡述了安全閥的結構和性能參數的設計方法，分析設計安全閥時容易出現的問題和解決辦法。通過實驗證明了安全閥工作的可靠性。

關鍵詞：安全閥 參數設計 工作可靠性

中圖分類號：TH134 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0092-01

為避免系統的壓力高于預先設定的安全壓力值，安全閥可以通過介質自身的作用排放一定量的流體，從而作為自動閥門來保護系統中承受過大壓力的設備，保證系統的正常工作。因此，安全閥應滿足高靈敏度的特性。特別是在空壓機中所用的高壓安全閥，由于不能進行定期有規律的校驗、設計過程易出現問題而導致的常見問題有：靈敏度不足，不能正常回座。解決這類問題的困難在于安全閥的設計，除了考慮自身的原因，還要把系統的相關情況考慮在內。為保證高壓系統的經濟性和安全運行，高靈敏度的安全閥設計是高壓安全閥設計的重點和難點。

該文以在42MPa空壓機中使用的安全閥為例，在分析其結構性能參數的設計方法的同時，提出了設計過程中易出現的問題和解決方法。

1 技術性能參數

1.1 已知參數

空壓機工作壓力：P=40 MPa

空壓機容積流量：Q=480 m3/h

工作環境溫度：≤100 ℃

適用介質：空氣

1.2 確定壓力值

空壓機與壓力容器的相通是經管道實現的，末級空壓機安全閥的壓力調定對壓力容器的設計壓力有直接作用，一般靈敏度和高靈敏度的安全閥的壓力差別比較大，對于40 MPa的壓縮機所使用的安全閥的末級壓力設定如表1。

可見，安全閥的設計需按高靈敏度等級進行，壓力容器、空壓機和管路的高壓系統的設計壓力才能達到44 MPa，也就能在運行過程中確保系統的安全性。

1.3 臨界流動條件

根據國家標準《安全閥一般要求》進行計算，判斷是否滿足下述條件：

其中 Pb為安全閥出口絕對側壓力，一般取為0.1 MPa

Pd為安全閥絕對排放壓力，一般為44.1 MPa

K為絕熱參數，一般為1.4

代入上式經計算后滿足臨界的流動條件。

1.4 校核計算理論排量

假如蘭金定律成立，臨界狀態下的理論排量為

2 結構性能參數設計

2.1 結構設計

空壓機中使用的高靈敏度安全閥在結構上要有保證，由于空壓機在工況時產生振動，故可利用彈簧緩解振動的優勢而采用彈簧式安全閥，從而排放多余的流體。

突跳動作式安全閥的開啟過程有兩個階段，在開始的階段，閥瓣的開啟隨著壓力成比例變化，當壓力達到一較小的值后，閥瓣急速開啟到一定程度。由分析知這種兩段作用式的安全閥能夠滿足高靈敏度的要求。因為空壓機的排放氣體是沒有污染作用的空氣，排氣口可以設計為開放式而排放到工作環境中。

2.2 密封設計

因為安全閥在較高的工作壓力下又要保證高靈敏度，故可采用錐形密封。在材料上，考慮用金屬來制造閥瓣—閥座密封結構。

在結構確定后，還需通過密封面比壓計算來驗證工作可靠性。在計算過程中閥瓣和閥體材料用不銹鋼2Cr13，經校核密封面能夠達到密封的比壓要求。

2.3 閥瓣設計

為保證安全閥的高靈敏度，在閥瓣結構設計為中心的同時，還要把密封面的情況考慮進去。增大工作介質沖擊時的有效作用面積并采用錐面和圓柱體的閥瓣結構可以提高安全閥的動作靈敏度。另外導向部分也要保證其長度大于直徑的4/5，這樣才能保證安全閥能夠順利關閉而不發生卡滯現象。閥瓣的表面熱處理采用淬火至硬度達到HRC50～55以滿足安全閥耐沖擊性的要求。

2.4 彈簧設計

彈簧的合理設計是確保安全閥具有高度靈敏性的關鍵部分，它決定了閥的開啟壓力、閥瓣行程和閥在關閉情況下密封的可靠性，因此彈簧的設計要求正確合理。

由于閥瓣的開啟速度相當快并為全啟式安全閥，閥瓣的運動位移與壓力的升高并不形成一定比例。在計算彈簧剛度時，應把開啟閥瓣后受工作介質作用而改變的有效作用面積考慮在內，而此刻的介質壓力遠遠小于排放壓力Pd，通常帶反沖機構的安全閥取為0.1 Pd。

3 結果分析

設計制造完成的安全閥在試驗裝置上進行試驗，測得結果如表2所示。

可知，實測值與設計中的偏差在標準規定的范圍內。同時安全閥反應動作迅速，各參數均合理，無不良現象發生。

4 結語

綜上，密封部分和彈簧的相關設計是高靈敏度高壓安全閥的設計關鍵。此安全閥對其它階段工作壓力和流量條件下的工作情況能否廣泛使用，仍需要進一步試驗證明。

參考文獻

[1] 郭崇志，朱壽林.安全閥超壓泄放瞬態動力學數值模擬研究[J].流體機械，2012（2）.

[2] 楊源泉.閥門設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1992.

[3] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化工工業出版社，2007.endprint

摘 要：為保證安全閥在高壓系統下的工作可靠性，以其在高靈敏度42 MPa空氣壓縮機中的設計為例。主要闡述了安全閥的結構和性能參數的設計方法，分析設計安全閥時容易出現的問題和解決辦法。通過實驗證明了安全閥工作的可靠性。

關鍵詞：安全閥 參數設計 工作可靠性

中圖分類號：TH134 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）03（b）-0092-01

為避免系統的壓力高于預先設定的安全壓力值，安全閥可以通過介質自身的作用排放一定量的流體，從而作為自動閥門來保護系統中承受過大壓力的設備，保證系統的正常工作。因此，安全閥應滿足高靈敏度的特性。特別是在空壓機中所用的高壓安全閥，由于不能進行定期有規律的校驗、設計過程易出現問題而導致的常見問題有：靈敏度不足，不能正常回座。解決這類問題的困難在于安全閥的設計，除了考慮自身的原因，還要把系統的相關情況考慮在內。為保證高壓系統的經濟性和安全運行，高靈敏度的安全閥設計是高壓安全閥設計的重點和難點。

該文以在42MPa空壓機中使用的安全閥為例，在分析其結構性能參數的設計方法的同時，提出了設計過程中易出現的問題和解決方法。

1 技術性能參數

1.1 已知參數

空壓機工作壓力：P=40 MPa

空壓機容積流量：Q=480 m3/h

工作環境溫度：≤100 ℃

適用介質：空氣

1.2 確定壓力值

空壓機與壓力容器的相通是經管道實現的，末級空壓機安全閥的壓力調定對壓力容器的設計壓力有直接作用，一般靈敏度和高靈敏度的安全閥的壓力差別比較大，對于40 MPa的壓縮機所使用的安全閥的末級壓力設定如表1。

可見，安全閥的設計需按高靈敏度等級進行，壓力容器、空壓機和管路的高壓系統的設計壓力才能達到44 MPa，也就能在運行過程中確保系統的安全性。

1.3 臨界流動條件

根據國家標準《安全閥一般要求》進行計算，判斷是否滿足下述條件：

其中 Pb為安全閥出口絕對側壓力，一般取為0.1 MPa

Pd為安全閥絕對排放壓力，一般為44.1 MPa

K為絕熱參數，一般為1.4

代入上式經計算后滿足臨界的流動條件。

1.4 校核計算理論排量

假如蘭金定律成立，臨界狀態下的理論排量為

2 結構性能參數設計

2.1 結構設計

空壓機中使用的高靈敏度安全閥在結構上要有保證，由于空壓機在工況時產生振動，故可利用彈簧緩解振動的優勢而采用彈簧式安全閥，從而排放多余的流體。

突跳動作式安全閥的開啟過程有兩個階段，在開始的階段，閥瓣的開啟隨著壓力成比例變化，當壓力達到一較小的值后，閥瓣急速開啟到一定程度。由分析知這種兩段作用式的安全閥能夠滿足高靈敏度的要求。因為空壓機的排放氣體是沒有污染作用的空氣，排氣口可以設計為開放式而排放到工作環境中。

2.2 密封設計

因為安全閥在較高的工作壓力下又要保證高靈敏度，故可采用錐形密封。在材料上，考慮用金屬來制造閥瓣—閥座密封結構。

在結構確定后，還需通過密封面比壓計算來驗證工作可靠性。在計算過程中閥瓣和閥體材料用不銹鋼2Cr13，經校核密封面能夠達到密封的比壓要求。

2.3 閥瓣設計

為保證安全閥的高靈敏度，在閥瓣結構設計為中心的同時，還要把密封面的情況考慮進去。增大工作介質沖擊時的有效作用面積并采用錐面和圓柱體的閥瓣結構可以提高安全閥的動作靈敏度。另外導向部分也要保證其長度大于直徑的4/5，這樣才能保證安全閥能夠順利關閉而不發生卡滯現象。閥瓣的表面熱處理采用淬火至硬度達到HRC50～55以滿足安全閥耐沖擊性的要求。

2.4 彈簧設計

彈簧的合理設計是確保安全閥具有高度靈敏性的關鍵部分，它決定了閥的開啟壓力、閥瓣行程和閥在關閉情況下密封的可靠性，因此彈簧的設計要求正確合理。

由于閥瓣的開啟速度相當快并為全啟式安全閥，閥瓣的運動位移與壓力的升高并不形成一定比例。在計算彈簧剛度時，應把開啟閥瓣后受工作介質作用而改變的有效作用面積考慮在內，而此刻的介質壓力遠遠小于排放壓力Pd，通常帶反沖機構的安全閥取為0.1 Pd。

3 結果分析

設計制造完成的安全閥在試驗裝置上進行試驗，測得結果如表2所示。

可知，實測值與設計中的偏差在標準規定的范圍內。同時安全閥反應動作迅速，各參數均合理，無不良現象發生。

4 結語

綜上，密封部分和彈簧的相關設計是高靈敏度高壓安全閥的設計關鍵。此安全閥對其它階段工作壓力和流量條件下的工作情況能否廣泛使用，仍需要進一步試驗證明。

參考文獻

[1] 郭崇志，朱壽林.安全閥超壓泄放瞬態動力學數值模擬研究[J].流體機械，2012（2）.

[2] 楊源泉.閥門設計手冊[M].北京：機械工業出版社，1992.

[3] 成大先.機械設計手冊[M].北京：化工工業出版社，2007.endprint