安全阀的设计

1第一章设计依据、原则和安全要求第一节设计依据一设计标准安全阀相关标准是安全阀设计的基本依据。国标中安全阀的设计要求如下：1安全阀适用于清洁、不含固体颗粒、粘度低的介质。2安全阀不能单独用于压力快速增长的场合。3安全阀不宜单独用于阀座与阀瓣密封面可能被介质粘连或介质可能生成晶体的场合，但可以将爆破片安全装置串联在安全阀入口侧组合使用。4安全阀的型式通常采用弹簧直接载荷式安全阀，阀型有全启式和微启式。全启式安全阀适用于泄放体、蒸汽及液化气介质，微启式安全阀一般适用于泄放液体介质。5用于液体的安全阀公称通径至少为15mm。6安全阀整定压力偏差不应超过±3%整定压力±0.015MPa的较大值。7装有安全阀时，容器的设计压力按以下步骤确定：(a)根据容器的工作压力pw，确定安全阀的整定压力pz，一般取pz=（1.05~1.1）pw；当pz＜0.18MPa时，可适当提高pz相对于pw的比值；(b)取容器的设计压力p等于或稍大于整定压力pz，即p≥pz。8安全阀相关技术要求应符合GB/T12241（GB150.1—2010）。在表2-1中列出了国内和国外相关的安全阀标准。表1-1安全阀的相关标准序号代号名称21GB/T12241阀门设计一般要求2GB/T12242压力释放装置性能试验规范3GB/T12243弹簧直接载荷式安全阀4JB/T9624电站安全阀技术条件5JB/T6441压缩机用安全阀6ISO4213-1安全阀第一部分一般要求7ISO4216-2安全阀第二部分可控制的压力泄放系统8ASME锅炉及压力容器规范Ⅰ动力锅炉9ASME锅炉及压力容器规范Ⅱ核动力设备10ASME锅炉及压力容器规范压力容器11DIN3320安全阀安全关闭阀12TRD421压力泄放装置-用于Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组蒸汽锅炉的安全阀13BS6759蒸汽及热水用安全阀技术规范14BS6759第四部分安全阀及安全阀弹簧15JISB8210第四部分安全阀及安全阀弹簧16APIRP520I炼厂中压力泄放装置的设计计算、选用和安装设计计算和选用17PAIRP50II炼厂中压力泄放装置的设计计算、选用和安装-安装18APIRP526钢制法兰连接安全泄压阀19APIRP527泄压阀的阀座密封二动作性能指标(1)用于气体介质安全阀见表2-2注：下表中:ps-整定压力；p-工作压力；do-流道直径表2-2用于气体介质安全阀动作性能指标：标准项目GB/T12243ISO04126ASME标准第Ⅷ卷压力容器JISB8210排放压力≤1.10ps≤1.10ps≤1.10ps3Pd启闭压差△Pb1Ps△Pb1△Pb1△Pb1Ps△Pb10.2≤0.03Ps≤0.3时，△Pb1≤0.03≤15%Ps≤0.2≤0.03≥0.2≤15%ps≥0.2≤15%ps整定压力的允许偏差ΔpsPsδpsPsδpsPsδpsPsδps≤0.5±0.015≤0.5±0.015≤70%ps±2%ps≤0.1≤0.02≤0.2≤0.025≥0.5±3%ps≥0.5±0.5≥70%ps±3%ps≤0.3≤0.03≥0.3≤15%ps第二节设计原则1．基本原则（1）设计的产品必须满足用户实际使用的所有要求。（2）保证实际使用的前提下，所设计的产品应是最经济的（如选型、用材等方面）。（3）如何使安全阀的综合性能达到标准是设计人员的首先原则。（4）尽可能多地对设计产品作型式试验，以获取性能参数作为设计依据。（5）正确设计弹簧的刚度，以便内部零件结构的匹配更合理，设计的产品便于装拆和维修。（6）有较长的使用寿命（包括维修后的寿命）。由于安全阀使用的介质繁多，总体可归纳为三种状态，即蒸汽、气态和液体。（临界状态是一种特例）有时，设计人员借助于冷态试验的手段，对安全阀所得出合格的性能数据，但用于重油（沥清）等介质性能又不一定理想，设计人员又不可能在各种介质的工况条件下作性能试验，这就使得安全阀的设计不能照搬哪种成熟产品模式，而是要根据不同介质的实际使用状况，设计出弹簧刚度适当，内件结构合理的产品，当然，安全阀设计原则最终是要让用户得到满意的产品。但设计好产品的捷径，主要还是来自现场实4践经验的积累。2．结构设计原则（1）阀体安全阀是通过阀体使零件相互连接成为一个完整的产品。安全阀通过阀体的法兰或螺纹管接头或焊接连接在系统上的。阀体承受着被保护系统的压力作用，所以阀体应有足够的强度和密封性，不允许出现变形或泄漏。1)阀体材料的选择通常按温度、压力和介质的腐蚀性来定。具体情况将在下一节做专门介绍，此处不再复述。2)安全阀排放时，介质通过阀体泄放至安全的地方，所以要求通道部分的尺寸和形状应保证其流体阻力最小。3)阀体的进口和出口支管承受着安全阀和排放管道的重量以及安全阀排放时的反作用力，阀体应有足够的强度和刚度。4)为了提高排放能力，阀座通道截面积不因有导向筋的存在而缩小介质流动畅通，不仅在阀座通道中，在阀瓣打开的环状间隙处没有涡流现象。阀体和出口支管的通道截面积为2.5d0。由于排放能力高，安全阀的阀座通道截面积较小，使安全阀易于密封。（2）阀座阀座设计成可拆卸的结构形式，阀座通道设计成拉法尔喷嘴的光滑低阻力形状。喷嘴式安全阀能在长期使用中保持高度密封，减少阀座和阀瓣密封面的机械变形、热变形和侵蚀。阀座的热变形是介质对于非对称阀体的作用引起的，而阀座的机械变形则可能在把阀体紧固在容器上发生。采用可拆卸结构，则阀体的变形一般不易造成阀座的变形，而阀座的变形是导致安全阀泄漏的主要原因。安全阀的主要受压元件是阀座，所以在设计时应进行强度校核，在结构上应设计成圆滑过渡，阀座一般不宜采用铸件，应采用棒料和锻件加工，并需进行强度试验。(3)阀瓣阀瓣是和阀座一起组成密封面，其密封面一侧要直接承受介质的压力、温度等，它的结构设计合理与否，直接影响到安全阀的密封性能。阀瓣的结构设计是根据安全阀要达到的密封性能指标、密封面宽度和密封比压、受弹5簧预紧力的大小、所使用的介质特性等诸多因素来考虑的。阀瓣的材料选用和阀座相比，应相同或更好一点，对美标安全阀来说，采用较多的是420、304和316L，当然，在所有腐蚀性强的地方，还应选用更好的，如蒙乃尔、哈氏合金、钛合金等其它材料。（4）阀杆安全阀弹簧的作用力是通过阀杆传递给阀瓣，形成初始密封。当安全阀动作时，阀杆沿着弹簧上下面的弹簧座移动，因此阀杆的作用很重要。1)阀杆力不是通过钢球传递给阀瓣时，阀杆的端部应做成求面，球面半径按施加于阀杆的作用力来选取。当作用力小于6000N时，r=1.5mm就够了；作用力达1800N时，r=4mm。球面半径也可按安全阀口径来选取，即r=（0.05~0.08）d0。2)加于阀杆的载荷超过1000N时，阀杆端部用2Cr13钢制造，其硬度经热处理40~43HRC。或在端部堆焊硬质合金，硬度不低于45~48HRC。（5）弹簧弹簧是重要的零件之一，弹簧式安全阀的性能受弹簧的控制，弹簧的设计成功与否决定了安全阀的最终性能是否达到设计要求和使用要求。弹簧在安全阀里的工作原理比较简单，它通过弹簧座把作用力传递给阀杆，阀杆再把弹簧力传递到阀瓣上。1)为了保证弹簧力能平稳地传递到阀瓣上，在设计制造安全阀弹簧时，应将弹簧的端部磨平，支撑面至少大于3/4圈。并且应满足平行度和垂直度的要求。3)为了防止弹簧松驰，在计算时取较低的许用应力值，制造时进行强化处理。4)石油化学工业中应十分注意弹簧的抗腐蚀保护，在同某些介质接触时会使弹簧圆钢变细和出现内部裂纹、应力腐蚀等现象。为了防腐蚀，弹簧应采用合金钢制造，并采用包保护层、镀镍、渗铝等方法，在结构上利用橡胶弹性隔膜或金属波纹管使弹簧同腐蚀性介质隔离，或在弹簧表面喷涂聚四氟乙烯的方法保护弹簧。（6）调节圈6调节圈是全启式安全阀的重要部件之一，调节圈分上调节圈和下调节圈。利用调节圈对排放压力、回座压力进行调整，这个调整由制造厂商根据需要来确定，用户在使用过程中不得随意调整调节圈的位置，它决定着安全阀的动作性能。调节圈的位置较高时，安全阀开启压力就降低，同时关闭压力也降低。通常下调节圈安装在阀座的上部，上调节圈安装在反冲盘的导向套上。用来调节安全阀开启压力的上调节圈，拧在阀瓣于其中滑动的导向套的下部。当调节圈往下调时，为使阀瓣达到全开启高度的压力即可低些。上调节圈的位置通过阀体上部的螺孔来调节，螺孔用螺栓封住，螺塞具有伸出的端头，使调节圈固定以防转动。（7）活塞背压力对安全阀的排放能力、开启压力有相当大影响，为了保证安全阀能安全可靠地运行于背压力超过开启压力10%的工况在安全阀设计时，应该考虑背压的影响，在安全阀上加设一个能平衡背压影响的装置。平衡背压的机构常用的有波纹管式和滑塞式两种，另外还有通过导向阀来平衡背压。第三节安全阀的基本特征和要求1安全阀的各种压力规定:最高容许压力:介质通过安全阀排放时,被保护容器内最高压力。运行压力:容器在工作中经常承受的表压力。容器的计算工作压力:进行容器壁厚度/强度计算的压力。全开压力:安全阀在全开行程下的阀前压力,它又叫排放压力。整定压力:调整的使安全阀开启的入口压力。关闭压力:又叫回座压力,是安全阀开启后,当容器压力下降到该压力时安全阀关闭的压力。回差:指容器的工作压力与安全阀的关闭压力之差。背压:指在安全阀排出侧建立起来的压力,背压可能是固定的,也可能是变动的,影响着安全装置的工作,向大气排放时,背压为零。.2对安全阀的工作要求7（1）当达到最高永续压力时,安全阀要尽可能的开起到应达到的高度,并排放出会定量的介质。（2）当达到开启压力时,要迅速开启。（3）安全阀在开启状态下排放时应稳定无震荡。（4）当压力降低到会作压力时应能及时有效的关闭。（5）安全阀处于关闭状态下,应保持良好的密封性能。3安全阀的排放能力是指在单位时间内流经安全法的介质流量。安全阀的排放能力要保证能放掉系统中可能产生的最大过剩介质量,给予系统设备有效的保护。第二章设计参数和工作原理第一节设计参数本设计中低温工况下的温度为T=-164℃；最高压力为P临界=6.4MPa；额定工作压力P额=1.4MP；排放量为Q=1507m2/每天（标况）；工作介质：液化天然气；液化天然气的流速取1.5m/s。查得的相关参数有临界压力PC=4.629MP；临界温度Tc=190.7K；ρ气=0.7168kg/m3;ρ液=450kg/m3；气体特性参数349。第二节工作原理安全阀是是一种自动阀门,他不借助于任何外力而是利用介质本身的力来排除一定数量的流体,以防止系统内压力超过预定的安全值.档压力恢复正常后,阀门再次关闭并阻止介质继续流出.安全法广泛应用于各种承压容器和管道上,防止压力超过规定值,他是一种自动机构,档压力超过规定值后自动打开泻压,而压力降到工作压力或稍低于工作压力时又能自动关闭,它的可靠性直接关系到设备及人身的安全.本设计为先导式安全阀，其构造和原理如下：1结构图82工作原理本安全阀利用介质流动时，通过毛细管将气体引入主阀背部，借助背压对主阀进行密封。在正常情况下，主阀处于关闭状态，当介质工作压力比设定的计算压力低时，介质的压力经毛细管进入导阀，然后再将气体引入主阀压力室，作用在主阀阀瓣上，从而产生一个向下的力，使主阀关闭密封。随着工作时间的加长，当整个系统压力增加接近设计的临界压力时，系统为了正常运行，导阀开始动作，其活塞开始向上提升，当压力继续增加时，活塞进一步向上提升直至导阀上密封面处于关闭状态，而此时下密封面仍旧处于关闭状态，随着压力的再一步增加，下密封面开始微启，此时主阀压力室的压力从导阀下面排气孔排出，使主阀压力室压力逐渐减小，直至降到正常工作压力条件下。当系统达到设定压力或稍高于设定压力时，导阀的下密封面达到全升状态，主阀压力室气体从导阀排气孔迅速排出从而使主阀压力室压力达到最小状态，此时，主阀的阀瓣被系统的压力推升，排放超压气体。当系统压力超压时，主阀阀瓣达到全升状态，排放完成后，导阀活塞又趋于下降，这时通过毛细管引入的气体又作用于主阀压力室，此时导阀活塞又恢复到正常工况下的位置，即导阀下密封面关闭，同时主阀也随之关闭，系统又开始在