安全閥的彈簧組件設計

劉覓

摘 要：介紹了安全閥彈簧的工作原理及其設計。采用符合ASME VIII的方法進行設計，滿足ASME標準所要求的設計參數，達到相應的設計要求和產品表現能力以及使用效果。

關鍵詞：安全閥；彈簧；起跳壓力

安全閥用于保護壓力容器或者高壓管道，以防超壓發生爆炸等危害，廣泛應用于電力與石油化工行業。

彈簧是安全閥的重要零部件之一，影響著安全閥的動作和性能。它與安全閥的靜態特性和動態特性密切相關。在安全閥設計時，要保證開啟靈活，在規定的壓力下，排出額定流量；當排至關閉壓力時，及時關閉，保證密封。彈簧質量和性能的好壞直接影響到安全閥的整體性能，因此彈簧的設計在安全閥的整體研發中占有非常中要的地位。本文主要介紹圓柱螺旋壓縮彈簧的設計和相關計算方法，同時在彈簧的設計過程中也要給予彈簧剛度/預壓縮量/工作行程這三個重要參數的保證。

1 彈簧的設計

在安全閥除彈簧外的其他零件設計完成后，需要根據閥體、噴嘴、閥蓋等組成的特有流道，設計相應的彈簧來滿足閥門的啟閉要求。這其中涉及到機械、流體等各個方面的實時動態的影響，因此單純計算和仿真無法滿足設計要求，需要通過實驗的方法確定兩個及以上的樣本彈簧的工作范圍，然后再通過實驗數據，推導出其他所有整定壓力范圍內的彈簧的數據。

1.1 樣本彈簧A和B的工作范圍

1.1.1 測試得出整定壓力范圍

將彈簧A和B分別裝入安全閥中，將閥門安裝在測試管道中，通過測試得到閥門的最小整定壓力和最大整定壓力，以及相關的流量和流量效率等數值。為了保證測試環節的準確，測試管道以及測試溫度和流量傳感器的采用都盡可能的按照美國NB實驗室的要求來設計。管道的流量也要足夠大，可以讓閥門能夠持續的全開，以便能夠采集到相關的數據。

最小整定壓力是保證實際閥門流量效率不小于目標設計流量效率的壓力。

最大整定壓力是由調節螺釘擰到最底端所能達到的壓力。

1.1.2 計算彈簧系數SF

彈簧系數是表征同一系列安全閥整定壓力和彈簧剛度關系的一個重要指標，如果是同一系列閥門或者同一張ASME證書下的閥門，應盡可能的使各個彈簧的SF數值在不超過5%，保證有類同的閥門性能。

1.1.3 整合彈簧系數

彈簧系數最小值為A和B兩個彈簧的最小彈簧系數的最大值：

F min = 最大值（FMIN_A，FMIN_B）

彈簧系數最大值為A和B兩個彈簧的最大彈簧系數的最小值：

F max = 最小值（FMAX_A，FMAX_B）

1.2 ASME 標準對于彈簧的要求

1.2.1 15%-80%原則

彈簧在閥門全開時的壓縮量應不大于彈簧靜態壓縮量的80%，閥門關閉時的壓縮量不小于彈簧靜態壓縮量的15%（如下圖所示）。

當彈簧壓縮量超過80%，則處于壓縮量-彈簧彈力的非線性區間內。如果使用在此區域的彈簧，就無法保證在使用上述彈簧系數時，閥門有穩定和一致的開啟和關閉性能。

同理，當彈簧壓縮量小于15%，仍然是在非線性區間內，因此在閥門關閉時，壓縮量不應小于靜態壓縮量的15%。

如果壓縮量比值不大于80%并且不小于15%，即為滿足安全閥彈簧的線性區 間工作的要求，也滿足ASME標準的彈簧設計要求。

1.3 應力驗算

彈簧在壓縮時受到剪應力，因此需要驗算彈簧所受到的應力是否超過許用剪應力。為了達到穩定的自由高度，在彈簧加工完成后，需要將彈簧在室溫情況下至少預壓并三次。預壓并完成后，在室溫下測量彈簧的自由高度，這被稱為彈簧的初始自由高度。測量完成后，再做三次壓并。放松彈簧后，等待十分鐘，再次測量彈簧高度，這被稱為最終自由高度。如果彈簧能夠恢復原高度的99.5%以內，則合格；如果彈簧恢復后，總高與壓并之前的高度差距在0.5%以上，則不合格。因此，在計算彈簧剪應力的時候，應該以彈簧壓并做為設計條件。

1.4 新彈簧設計

在已有彈簧A和B的基礎上，設計新彈簧C 時，首先調節彈簧的剛度，根據下列公式計算得出最小和最大整定壓力，并且使得最小整定壓力與A或者B彈簧的最大整定壓力一致；其次，調整彈簧的線徑和彈簧直徑，使得彈簧C滿足15%-80%的原則；并且，同時要滿足應力驗算的要求。以此類推，可以設計出D、E、F等彈簧，直到達到最大的整定壓力要求。同理，比A和B壓力小的彈簧也是類似的設計原則，保證新彈簧的最大整定壓力與A或者B彈簧的最小整定壓力一致。但是請注意，整定壓力無法無限小，因為到一定程度后，這幾個彈簧技術指標就會產生矛盾，那么就達到了該安全閥的最小整定壓力。整定壓力也無法無限大，因為整定壓力越大，所需要的彈簧就會越粗越高，需要驗證閥蓋是否有足夠的內徑裝下彈簧和彈簧墊片，閥蓋是否有足夠的高度裝下彈簧和彈簧墊片。

最小整定壓力=彈簧剛度SpringRateFmax*閥門直徑SeatDiameter

最大整定壓力=彈簧剛度SpringRateFmin*閥門直徑SeatDiameter

2 其他彈簧設計要點

除了以上的設計要求外，彈簧本身的設計要點也需要考慮在內，包括可制造性、制造成本和材料等因素。

2.1 彈簧參數

2.1.1 彈簧系數

彈簧系數決定了彈簧的強度，彈簧所引起的應力和可制造性以及制造成本。

彈簧系數低于4，彈簧無法制造；彈簧系數在4和5之間的時候，制造難度大，成本高；當彈簧系數高于12時，數值越高，越難制造；當數值超過25時，則是會有非常昂貴的制造成本。

彈簧系數Spring index=彈簧中徑/線徑，此值最好在6到12之間。

當現有彈簧的彈簧系數不在6到12之間時，如果需要降低彈簧系數，那么彈簧的強度就會增加，需要增加線徑或者降低外徑；如果需要增加彈簧系數，那么彈簧的強度就會降低，需要減少線徑或者增加外徑。

2.1.2 彈簧穩定性比值

彈簧穩定性比值決定了彈簧在壓縮時是否會彎曲或者扭曲變形。

彈簧穩定性比值=彈簧高度/彈簧中徑

當彈簧穩定性比值大于4的時候，在閥門起跳時就有彈簧彎曲的風險，因此在設計彈簧的過程中，要保證此值小于4。

2.2 彈簧材料

彈簧的材料也是彈簧設計過程中需要重點考慮的因素。如果不考慮防腐性能的情況下，17/7PH是一個很好的選擇，材料的機械性能很好；如果考慮防腐性能要求，則考慮304、316、Alloy750等具有防腐蝕性能的材料。如果有NACE要求，則可以考慮Alloy750。

當彈簧設計完成后，如果根據客戶的要求要更換其他材料時，是需要額外的驗證。彈簧供應商有可能無法使用新材料來制造出合格的彈簧，這個時候需要將彈簧的線徑或者圈徑進行微調。

2.3 彈簧一致性

彈簧設計過程中，一些尺寸最好能夠共用，這樣可以減少零件數量，來降低庫存金額和庫存管理難度。

例如，在彈簧線徑和材料的選擇上，盡可能的事先征詢彈簧廠的意見，使用常用的線徑和材料，這樣可以明顯降低彈簧成本。另外，由于彈簧大小不同所造成的彈簧墊片和閥蓋的尺寸的變化，也應該盡可能的控制，使得零件數量不會太過于零散。

3 結語

綜上所述，安全閥彈簧的設計的考慮因素眾多，既需要在閥門全開時達到規定流量，還要求在回落狀態時，得到合理的啟閉壓差；不僅滿足ASME標準，還同時滿足應力驗算等要求。希望此文能夠拋磚引玉，供閥門設計工程人員參考，在日積月累的設計工作中，慢慢總結出自己的心得與經驗。

參考文獻：

[1]ASME BPVC-VIII-1-2017 鍋爐及壓力容器規范.第八卷：壓力容器 第一冊：壓力容器建造規則，UG-136（a）（2），101.

[2]張德友.安全閥的選用與計算[J].中國石油和化工標準與質量，2012，（06）：228+204.