高灵敏度高压安全阀的设计

摘 要：为保证安全阀在高压系统下的工作可靠性，以其在高灵敏度42 MPa空气压缩机中的设计为例。主要阐述了安全阀的结构和性能参数的设计方法，分析设计安全阀时容易出现的问题和解决办法。通过实验证明了安全阀工作的可靠性。

关键词：安全阀 参数设计 工作可靠性

中图分类号：TH134 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（b）-0092-01

为避免系统的压力高于预先设定的安全压力值，安全阀可以通过介质自身的作用排放一定量的流体，从而作为自动阀门来保护系统中承受过大压力的设备，保证系统的正常工作。因此，安全阀应满足高灵敏度的特性。特别是在空压机中所用的高压安全阀，由于不能进行定期有规律的校验、设计过程易出现问题而导致的常见问题有：灵敏度不足，不能正常回座。解决这类问题的困难在于安全阀的设计，除了考虑自身的原因，还要把系统的相关情况考虑在内。为保证高压系统的经济性和安全运行，高灵敏度的安全阀设计是高压安全阀设计的重点和难点。

该文以在42MPa空压机中使用的安全阀为例，在分析其结构性能参数的设计方法的同时，提出了设计过程中易出现的问题和解决方法。

1 技术性能参数

1.1 已知参数

空压机工作压力：P=40 MPa

空压机容积流量：Q=480 m3/h

工作环境温度：≤100 ℃

适用介质：空气

1.2 确定压力值

空压机与压力容器的相通是经管道实现的，末级空压机安全阀的压力调定对压力容器的设计压力有直接作用，一般灵敏度和高灵敏度的安全阀的压力差别比较大，对于40 MPa的压缩机所使用的安全阀的末级压力设定如表1。

可见，安全阀的设计需按高灵敏度等级进行，压力容器、空压机和管路的高压系统的设计压力才能达到44 MPa，也就能在运行过程中确保系统的安全性。

1.3 临界流动条件

根据国家标准《安全阀一般要求》进行计算，判断是否满足下述条件：

其中 Pb为安全阀出口绝对侧压力，一般取为0.1 MPa

Pd为安全阀绝对排放压力，一般为44.1 MPa

K为绝热参数，一般为1.4

代入上式经计算后满足临界的流动条件。

1.4 校核计算理论排量

假如兰金定律成立，临界状态下的理论排量为

2 结构性能参数设计

2.1 结构设计

空压机中使用的高灵敏度安全阀在结构上要有保证，由于空压机在工况时产生振动，故可利用弹簧缓解振动的优势而采用弹簧式安全阀，从而排放多余的流体。

突跳动作式安全阀的开启过程有两个阶段，在开始的阶段，阀瓣的开启随着压力成比例变化，当压力达到一较小的值后，阀瓣急速开启到一定程度。由分析知这种两段作用式的安全阀能够满足高灵敏度的要求。因为空压机的排放气体是没有污染作用的空气，排气口可以设计为开放式而排放到工作环境中。

2.2 密封设计

因为安全阀在较高的工作压力下又要保证高灵敏度，故可采用锥形密封。在材料上，考虑用金属来制造阀瓣―阀座密封结构。

在结构确定后，还需通过密封面比压计算来验证工作可靠性。在计算过程中阀瓣和阀体材料用不锈钢2Cr13，经校核密封面能够达到密封的比压要求。

2.3 阀瓣设计

为保证安全阀的高灵敏度，在阀瓣结构设计为中心的同时，还要把密封面的情况考虑进去。增大工作介质冲击时的有效作用面积并采用锥面和圆柱体的阀瓣结构可以提高安全阀的动作灵敏度。另外导向部分也要保证其长度大于直径的4/5，这样才能保证安全阀能够顺利关闭而不发生卡滞现象。阀瓣的表面热处理采用淬火至硬度达到HRC50～55以满足安全阀耐冲击性的要求。

2.4 弹簧设计

弹簧的合理设计是确保安全阀具有高度灵敏性的关键部分，它决定了阀的开启压力、阀瓣行程和阀在关闭情况下密封的可靠性，因此弹簧的设计要求正确合理。

由于阀瓣的开启速度相当快并为全启式安全阀，阀瓣的运动位移与压力的升高并不形成一定比例。在计算弹簧刚度时，应把开启阀瓣后受工作介质作用而改变的有效作用面积考虑在内，而此刻的介质压力远远小于排放压力Pd，通常带反冲机构的安全阀取为0.1 Pd。

3 结果分析

设计制造完成的安全阀在试验装置上进行试验，测得结果如表2所示。

可知，实测值与设计中的偏差在标准规定的范围内。同时安全阀反应动作迅速，各参数均合理，无不良现象发生。

4 结语

综上，密封部分和弹簧的相关设计是高灵敏度高压安全阀的设计关键。此安全阀对其它阶段工作压力和流量条件下的工作情况能否广泛使用，仍需要进一步试验证明。

参考文献

[1] 郭崇志，朱寿林.安全阀超压泄放瞬态动力学数值模拟研究[J].流体机械，2012（2）.

[2] 杨源泉.阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，1992.

[3] 成大先.机械设计手册[M].北京：化工工业出版社，2007.