安全閥密封比壓計(jì)算問題的探討與安全閥設(shè)計(jì)計(jì)算項(xiàng)目建議

丁二喜 陳 偉 吳繼權(quán)

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院 深圳 518029）

安全閥密封比壓計(jì)算問題的探討與安全閥設(shè)計(jì)計(jì)算項(xiàng)目建議

丁二喜 陳 偉 吳繼權(quán)

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院 深圳 518029）

安全閥密封比壓是安全閥設(shè)計(jì)計(jì)算中一個(gè)重要計(jì)算項(xiàng)目，目前國(guó)內(nèi)安全閥生產(chǎn)廠家進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)主要參考《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》，經(jīng)計(jì)算與驗(yàn)證試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》推薦的安全閥密封比壓計(jì)算方法有誤，本文最后對(duì)安全閥設(shè)計(jì)計(jì)算項(xiàng)目提出建議。

安全閥 密封比壓 必須比壓

作為承壓類特種設(shè)備最重要的安全附件，安全閥的制造需要取得《特種設(shè)備制造許可證》。安全閥制造許可程序一般包括申請(qǐng)、受理、產(chǎn)品試制、型式試驗(yàn)、鑒定評(píng)審、審批、發(fā)證等。其中，型式試驗(yàn)作為產(chǎn)品的定型試驗(yàn)，在安全閥制造許可程序中起到?jīng)Q定性作用。

安全閥型式試驗(yàn)的具體項(xiàng)目包括設(shè)計(jì)文件審查、動(dòng)作性能試驗(yàn)、排量試驗(yàn)等，一般設(shè)計(jì)文件審查應(yīng)在動(dòng)作性能試驗(yàn)、排量試驗(yàn)前進(jìn)行，在設(shè)計(jì)審查合格的基礎(chǔ)上，安全閥型式試驗(yàn)機(jī)構(gòu)方可安排后續(xù)的抽樣、檢驗(yàn)與試驗(yàn)、出具型式試驗(yàn)報(bào)告和型式試驗(yàn)證書等工作。TSG ZF001—2006《安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定了設(shè)計(jì)文件審查項(xiàng)目及內(nèi)容，具體包括：1）設(shè)計(jì)圖紙、計(jì)算書；2）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的選用和采用的計(jì)算方法；3）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；4）采用的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)；5）主要零件材料的選用；6）堆焊等焊接技術(shù)要求；7）有關(guān)技術(shù)要求、熱處理規(guī)定；8）無(wú)損檢測(cè)方法、檢測(cè)部位。

TSG ZF001—2006《安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》僅規(guī)定了設(shè)計(jì)審查項(xiàng)目及其內(nèi)容，并未給出計(jì)算書中的具體計(jì)算項(xiàng)目和計(jì)算方法等規(guī)定。目前，各安全閥制造廠普遍根據(jù)國(guó)內(nèi)閥門從業(yè)專家編寫的《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》進(jìn)行安全閥設(shè)計(jì)計(jì)算書的編制和計(jì)算。《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》中推薦的安全閥設(shè)計(jì)計(jì)算項(xiàng)目一般包括閥體與閥蓋壁厚核算、閥座密封面比壓、彈簧理論計(jì)算、額定排量計(jì)算、流道直徑、安全閥排氣反作用力的計(jì)算。

密封比壓是安全閥設(shè)計(jì)計(jì)算中的一個(gè)重要項(xiàng)目。筆者在進(jìn)行安全閥型式試驗(yàn)的設(shè)計(jì)審查工作中，經(jīng)對(duì)多家國(guó)內(nèi)安全閥制造廠編制的計(jì)算書審查，發(fā)現(xiàn)《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》中推薦的閥座密封面比壓計(jì)算方法不適用于安全閥的設(shè)計(jì)計(jì)算。

1 閥門密封比壓的概念及要求

流體的密封通常都是靠密封面間相互緊密接觸，以阻止流體通過來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一般分靜密封與動(dòng)密封：靜密封也稱固體密封，它是指被密封的組件間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況，通常靜密封是靠密封墊片來(lái)實(shí)現(xiàn)的，安全閥的密封即是靜密封；動(dòng)密封也稱運(yùn)動(dòng)密封，它是指工作狀態(tài)下被密封組件間存在著相對(duì)運(yùn)行的情況，密封填料是實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封的主要手段之一。

閥門的密封比壓是指作用于單位面積密封面上的平均正壓力。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，有密封的必須比壓qMF、密封材料的許用比壓［q］、密封面計(jì)算比壓q三種。

1.1 密封的必須比壓

必須比壓qMF指保證閥門密封時(shí)密封面單位面積上的壓力最小值。必須比壓與密封面材料、密封面結(jié)構(gòu)尺寸、工作壓力有關(guān)，可通過經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。

1.2 密封材料的許用比壓

許用比壓［q］指閥門密封材料允許的最大比壓力。許用比壓與密封面材料有關(guān)，可通過查表得到閥門的密封面許用比壓值。

1.3 密封面計(jì)算比壓

計(jì)算比壓q1是根據(jù)閥門設(shè)計(jì)的密封面結(jié)構(gòu)與實(shí)際使用工況計(jì)算的單位面積密封面上正壓力，一般為密封壓力與密封面面積的比值。

1.4 閥門密封比壓的要求

密封的必須比壓qMF、密封材料的許用比壓［q］、密封面計(jì)算比壓q1之間應(yīng)滿足如下關(guān)系:

2 《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》中推薦的安全閥密封比壓設(shè)計(jì)計(jì)算方法及存在的問題

2.1 密封的必須比壓

閥門密封的必須比壓一般按下式計(jì)算：

式中：

C——與密封面材料有關(guān)的系數(shù)；

k——在給定密封面材料條件下，考慮截至壓力

對(duì)比壓值的影響系數(shù)；

PN——公稱壓力，MPa；

bM——密封面寬度，mm。

《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》中根據(jù)不同密封面材質(zhì)，推薦的密封的必須比壓計(jì)算式如下：

1）鑄鐵、青銅、黃銅：

2）鋁和鋁合金、聚乙烯、聚氯乙烯膠版：

3）鋼、硬質(zhì)合金：

4）中等硬度橡膠：

《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》中敘述該公式適用于正常溫度下的一切液體（汽油、煤油除外），氣體介質(zhì)、正常溫度下的汽油和煤油、溫度超過100℃時(shí)的液體，計(jì)算的密封必須比壓值增加0.4倍。

對(duì)于給定規(guī)格型號(hào)的安全閥，公稱壓力和密封面寬度為定值，因此密封的必須比壓對(duì)于給定規(guī)格型號(hào)的安全閥應(yīng)為定值。

2.2 密封面許用比壓

閥門密封材料的許用比壓［q］與密封面的材料牌號(hào)、性質(zhì)、硬度有關(guān)，不同的材料其許用壓力不同。《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》中列出了閥門不同密封材料的許用比壓，摘錄見表1：

表1 密封材料的許用比壓（摘錄）

（續(xù)表）

2.3 密封面計(jì)算比壓

安全閥密封面密封比壓的設(shè)計(jì)原理如圖1所示，《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》中推薦的密封面計(jì)算比壓計(jì)算方法如下：

1）當(dāng)被保護(hù)設(shè)備處于正常運(yùn)行壓力p時(shí)密封面上的比壓q1按下式計(jì)算：

式中：

Dm——關(guān)閉件密封面平均直徑，mm；

ps——安全閥整定壓力，MPa；

p——設(shè)備正常運(yùn)行壓力，MPa；

b——關(guān)閉件密封面寬度，mm。

此時(shí)，安全閥密封面上的比壓應(yīng)大于或者等于密封必須比壓。

圖1 平面密封安全閥在關(guān)閉狀態(tài)下作用力示意圖

2）當(dāng)安全閥進(jìn)口無(wú)介質(zhì)壓力時(shí)，密封面上的比壓q2按下式計(jì)算：

式中：

Dm——關(guān)閉件密封面平均直徑，mm；

ps——安全閥整定壓力，MPa；

b——關(guān)閉件密封面寬度，mm。

此時(shí)，安全閥密封面上的比壓應(yīng)小于或等于密封材料的許用比壓。

2.4 《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》中推薦的安全閥密封比壓計(jì)算方法存在的問題解析

以國(guó)內(nèi)某廠家設(shè)計(jì)的型號(hào)A28H-16、DN50彈簧直接載荷全啟式安全閥為例，密封面材質(zhì)為黃銅ZCuZn38，閥座流道直徑D為30.6mm，查閱其設(shè)計(jì)總圖及零部件圖紙，密封面外徑D1為35.8mm，設(shè)備正常運(yùn)行壓力取p=1.20MPa，安全閥整定壓力取ps=1.55MPa。根據(jù)《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》，該型號(hào)安全閥密封的必須比壓、密封材料的許用比壓、密封面計(jì)算比壓如下：

1）密封的必須比壓：

關(guān)閉間密封面寬度為:

公稱壓力:

因此，密封的必須比壓為：

2）密封材料的許用比壓：

查閱《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》中密封材料的許用比壓表，安全閥密封面間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)摩擦，密封面材料為黃銅ZCuZn38，因此，密封材料的許用比壓為：［q］=80.0MPa。

3）密封面計(jì)算比壓：

關(guān)閉間密封面平均直徑為:

安全閥整定壓力取:

當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行壓力取p=1.20MPa時(shí)：

當(dāng)安全閥進(jìn)口無(wú)介質(zhì)壓力時(shí)：

按照《實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)》的要求，當(dāng)被保護(hù)設(shè)備處于正常運(yùn)行壓力時(shí)，安全閥密封面上的比壓應(yīng)大于或者等于密封必須比壓；當(dāng)安全閥進(jìn)口無(wú)介質(zhì)壓力時(shí)，安全閥密封面上的比壓應(yīng)小于或等于密封材料的許用比壓。計(jì)算結(jié)果q2＜［q］，但q1＜qMF，計(jì)算結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求。

將A28H-16、DN50彈簧直接載荷全啟式安全閥放置于SFA-QT安全閥校驗(yàn)臺(tái)上，校驗(yàn)介質(zhì)為常溫空氣，將整定壓力調(diào)整為1.55MPa，完全泄壓后，緩慢升壓至工作壓力1.20MPa時(shí)保壓，用肥皂水檢查安全閥的密封連接處，此時(shí)安全閥能夠良好的密封；繼續(xù)緩慢升高安全閥進(jìn)口壓力至密封試驗(yàn)壓力（90%整定壓力）1.4MPa時(shí)保壓，用肥皂水檢查安全閥的密封連接處，此時(shí)安全閥亦能夠良好的密封。試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)：設(shè)計(jì)的型號(hào)A28H-16、DN50彈簧直接載荷全啟式安全閥在規(guī)定的密封試驗(yàn)壓力下能夠良好的密封，設(shè)計(jì)計(jì)算中的密封比壓計(jì)算結(jié)果有誤。

3 安全閥設(shè)計(jì)計(jì)算項(xiàng)目建議

TSG ZF001—2006《安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定安全閥的型式試驗(yàn)包括設(shè)計(jì)文件審查和安全閥樣品的檢驗(yàn)與試驗(yàn)。設(shè)計(jì)文件的審查除了要求安全閥設(shè)計(jì)的無(wú)損檢測(cè)、熱處理、焊接、材料、結(jié)構(gòu)等方面符合技術(shù)需要外，還要求設(shè)計(jì)圖紙、設(shè)計(jì)計(jì)算書等設(shè)計(jì)文件齊全；設(shè)計(jì)參數(shù)等數(shù)據(jù)的選用及其來(lái)源符合要求，設(shè)計(jì)采用的計(jì)算方法正確，必要時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行驗(yàn)證計(jì)算。

對(duì)于安全閥設(shè)計(jì)計(jì)算具體計(jì)算項(xiàng)目，TSG ZF001—2006《安全閥安全技術(shù)監(jiān)察》、TSG D7002—2006《壓力管道元件型式試驗(yàn)規(guī)則》、GB/T 12241—2005《安全閥一般要求》、GB/T 12242—2005《壓力釋放裝置性能試驗(yàn)規(guī)范》、GB/T 12243—2005《彈簧直接載荷式安全閥》等國(guó)內(nèi)安全閥相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)中均未做詳細(xì)規(guī)定。

安全閥按照結(jié)構(gòu)型式的不同，其性能影響因素與安全運(yùn)行影響因素亦不同，建議安全閥設(shè)計(jì)計(jì)算項(xiàng)目見表2：

表2 建議的安全閥設(shè)計(jì)計(jì)算項(xiàng)目

［1］ TSG ZF001—2006 《安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》［S］.

［2］周震.安全閥［M］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003：99-104.

［3］胡斌.安全閥安裝施工中的常見問題［J］.壓力容器與管道安裝，2010，（5）：30-31.

［4］梁蘭芳.安全閥設(shè)計(jì)和選用中需注意的幾個(gè)問題［J］.中國(guó)特種設(shè)備安全，2009，25（12）：13-15.

［5］丁二喜，等.《安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的修訂建議［J］.中國(guó)特種設(shè)備安全，2014，30（6）：34-37.

Discussion on Sealed Specifi c Pressure Calculation of Safety Valves and Revision Suggestions on Its Design Calculation Item

Ding Erxi Chen Wei Wu Jiquan
（Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test Shenzhen 518029）

The sealed specifi c pressure is one of the important design calculation items for safety valves. Now most domestic manufacture's standards are according to the “Utility valves design manual”. It is found with calculate and verification test that the calculation manner of the sealed specific pressure in the “Utility valves design manual” is wrong. At last some suggestions about the design calculation items are given.

Safety valve Sealed specifi c pressure Mandatory specifi c pressure

X933.4

B

1673-257X（2015）04-14-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.04.004

丁二喜（1982～），男，碩士，高級(jí)工程師，從事承壓部件試驗(yàn)與金屬材料檢測(cè)工作。

2014-07-16）