关于弹簧直接载荷式安全阀密封特性的研究

摘要： 本文对弹簧直接作用式安全阀的密封特性进行了研究，通过对弹簧直接作用式安全阀实现密封的工作原理及各个密封件的密封力的分析，找到了影响弹簧直接作用式安全阀密封性的关键因素，提出了改善弹簧直接作用式安全阀密封性的方案。

Abstract： The paper studies the spring direct acting safety valve sealing properties. Based on analyzing the working principle of spring direct acting safety valve and the seal force， it finds out the key factors influencing the spring direct acting safety valve sealing， and puts forward the improved spring direct acting safety valve sealing solutions.

关键词： 弹簧直接作用式安全阀；密封特性；前泄

Abstract： spring direct acting safety valve；sealing characteristics；start-to-discharge

中图分类号：U261.154 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）23-0054-02

0 引言

弹簧直接作用式安全阀是安全阀众多种类中的一种，其是将弹簧的载荷直接加载到阀瓣上以提供阀门关闭或密封所需的力，其密封是依靠密封副接触面变形来实现的，因此，这种安全阀的前泄（非正常泄漏）成为了影响该阀在压力系统的应用中最棘手的问题。

1 弹簧直接作用式安全阀密封特性分析

1.1 平衡状态下的密封力 由于密封副的两接合面不可能完全吻合，所以必须对密封副施加外力，使密封副产生弹塑性变形，消除介质得以泄漏的间隙。该外力是压缩弹簧产生的，因此，从理论上讲整个安全阀受力部件都会产生弹塑性变形，但由于关闭件很窄，其受力后的变形量比其它部件大得多，所以我们可以假设除关闭件为弹性体外，阀体、阀瓣、阀座都为刚体。

图1表示了弹簧直接作用式安全阀关闭状态下作用力的示意图。

1.2 力平衡方程 当介质工作压力为P，弹簧作用于阀瓣上的力为F时，关闭状态下的密封力Qm与P有如下关系：

Qm=F-PA（1）

其中：A：关闭状态下，阀瓣与工作介质接触的面积。

1.3 物理方程 在工作过程中，弹簧的变形和关闭件的变形都处在材料的弹性变形范围内，所以有：

F=F0+KF？啄F（2）

Qm=Qm0-Km？啄m（3）

其中：F0为P=0时弹簧加于阀瓣上的力；Qm0为P=0时关闭件的密封力；KF弹簧刚度；Km阀瓣部位关闭件刚度。

P=0时：F0=Qm0。

当P≠0时，弹簧相对于P=0时的变形量为δF；关闭件相对于P=0时的变形量为δm（这里取阀瓣部分为研究对象）。

1.4 变形协调条件 在关闭状态下，由于P的变化引起弹簧产生的变形量δF应该等于关闭件总的变形量，设关闭件阀瓣部分的变形量为δm，阀座部分变形量为δ′m，则有：δF=δm+δ′m（4）

当阀的结构确定之后，在弹性变形范围里，δm和δ′m应该有确定的比例关系，取比例常数为C′，则有δ′m=C′*δm，将此关系代入上式得：

δF=（1+C）δm（5）

取C=1+C′得δF=Cδm（6）

由式（1）、（2）、（3）、（4）、（6）可得方程组

Qm=F-PAF=F0+KF？啄FQm=Qm0-Km？啄mF0=Qm0？啄F=C？啄m（7）

解方程组（7）可得：

Qm=F10-■PA（8）

由式（8）可以看出关闭件密封力Qm与介质工作压力P如图2所示，呈现线性关系：

■是直线Qm=Q（P）的斜率，A的大小是被安全阀的设计排量决定的，Km、KF和C被关闭件的材料和几何尺寸所决定，当关闭件都由金属构成时，一般都有Km>>KFC，于是■=1，就有：

Qm=F0-PA（9）

当我们把Qm=0作为安全阀开启的条件时，弹簧的初始预紧力F0应该满足：

F0=F0A（10）

2 影响安全阀密封的因素

由式（9）和（10）我们可以知道，“金属—金属”密封副的安全阀在关闭状态时，密封力满足：Qm=（P0-P）A（11）

当P达到P1时，开启压力P0和工作压力P1的差值（P0-P1）按有关标准规定不得大于（0.03～0.1）P1[1]。由此可见，在安全阀中，弹簧的作用力超过介质作用力并不多，由于没有很大的作用力施加在密封面上，所以金属密封副的安全阀要保持密封性是十分困难的，因此在安全阀即将开启前，往往会出现“前泄”现象。

3 改善弹簧直接作用式安全阀密封特性的方案

3.1 “金属—非金属”密封机构的安全阀 由于金属密封面的硬度很高不易产生塑性变形，因此在同样密封力的情况下，如果密封面采用非金属的较软材料就可以获得较好的密封性。如图3，是一种具有实际应用价值的“金属—非金属”密封机构的安全阀[2]。在这种结构中，利用了金属可承担较大负载的优点，也利用了软性材料在较小的密封力下，可以有较大的变形量，从而提高了密封性能。

3.2 具有外置平衡机构的安全阀 如前分析，在安全阀即将开启前，弹簧的作用力超过介质作用力并不多，所以金属密封副的安全阀往往会出现“前泄”现象。因此如果能够在安全阀即将开启前给安全阀提供一个密封力的补偿力，来提高此时的安全阀密封力，就可以解决安全阀的前泄问题了。在这种思想的指导下，文献[3]提出了具有外置平衡机构的安全阀。所设计的安全阀应能靠本身结构产生平衡力，该力能在工作介质的压力P

参考文献：

[1]中国国家标准化管理委员会.GB/T12243弹簧直接载荷式安全阀[S].2005：4.

[2]韩伟实，张滨.对改善弹簧直接作用式安全阀密封特性的探讨[J].核动力工程，1994（2）：56.

[3]韩伟实，沈明启.具有外置平衡机构的弹簧直接作用式安全阀[J].船舶工程，1998（1）：45-46.

[4]国金莲，于海波.安全阀阀瓣密封结构的研究[J].电站辅机，2011（1）：46.