剪切式安全閥設(shè)計(jì)說明書

1、摘 要 安全閥是保障石油化工設(shè)備正常運(yùn)行的重要組成部分，它的啟閉件受外力作用下處于常閉的狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備或管道內(nèi)的介質(zhì)壓力升高，超過規(guī)定值時(shí)，它會(huì)自動(dòng)開啟，通過向系統(tǒng)外排放介質(zhì)來防止管道或設(shè)備內(nèi)介質(zhì)壓力超過規(guī)定數(shù)值。安全閥屬于自動(dòng)閥類，主要用于鍋爐、壓力容器和管道上，控制壓力不超過規(guī)定值，由此對(duì)人身安全和設(shè)備運(yùn)行起重要的保護(hù)作用。安全閥在系統(tǒng)中起安全保護(hù)作用。當(dāng)系統(tǒng)壓力超過規(guī)定值時(shí)，安全閥打開，將系統(tǒng)中的一部分氣體/流體排入大氣/管道外，使系統(tǒng)壓力不超過允許值，從而保證系統(tǒng)不因壓力過高而發(fā)生事故。安全閥結(jié)構(gòu)主要有三大類：剪銷式、彈簧式和杠桿式。彈簧式是指閥瓣與閥座的密封靠彈簧的作用力。杠桿式是靠杠

2、桿和重錘的作用力。隨著大容量的需要，又有一種脈沖式安全閥，也稱為先導(dǎo)式安全閥，由主安全閥和輔助閥組成。此外，隨著使用要求的不同，有封閉式和不封閉式。關(guān)鍵詞 ： 安全閥,剪銷,密封,限壓,石油鉆井 目錄1. 引言-11.1 簡介-21.2 剪切式安全閥的工作原理-21.3剪切式安全閥的優(yōu)點(diǎn)-21.4剪切式安全閥安裝前應(yīng)注意事項(xiàng)-22 .剪切式安全閥設(shè)計(jì)計(jì)算-22.1安全閥的受力計(jì)算 -22.2安全閥的零件強(qiáng)度計(jì)算 -22.3安全閥的使用規(guī)格-23 剪切式安全閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-33.1安全銷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- - -33.2法蘭盤設(shè)計(jì)-53.3閥桿設(shè)計(jì)-73.4組合密封圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-83.5閥體設(shè)計(jì)-93.6

3、接頭設(shè)計(jì)-93.7壓緊螺母設(shè)計(jì)-93.8緩沖墊圈設(shè)計(jì)-93.9保護(hù)蓋設(shè)計(jì)-93.10鋼套設(shè)計(jì)-94.安全閥開啟壓力的調(diào)整-105.安全閥常見故障及消除方法-116.補(bǔ)充說明-12參考文獻(xiàn)- -13 1.引言隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,整個(gè)世界對(duì)于能源的要求與日俱增,供需矛盾也日益突出。我國地大物博,石油資源原本非常豐富,但隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,我國的能源形勢已變得越來越嚴(yán)峻,目前對(duì)石油的勘探和開發(fā)已經(jīng)達(dá)到相當(dāng)廣泛的程度,因此正日益向海洋區(qū)域開采。海洋采油法規(guī)規(guī)定;在油氣開采過程中,凡具有自噴或自溢能力的井都必須安裝井下安全閥。油氣井安裝井下安全閥系統(tǒng)后,一旦采油氣平臺(tái)出現(xiàn)火災(zāi)或遭受其他重大災(zāi)害,油氣

4、井就能夠自動(dòng)關(guān)閉,從而避免嚴(yán)重的人員傷亡、井噴和海洋污染等惡性事故的發(fā)生。而我國井下安全閥大多依賴于進(jìn)口,現(xiàn)有的技術(shù)還處于初始研究階段。1.1簡介 剪切式安全閥在石油鉆井機(jī)械中有非常重要的作用。剪銷被剪斷時(shí)的應(yīng)力, 隨控制泥漿壓力的升高而上升,。當(dāng)由泥漿所產(chǎn)生的的壓力推壓閥桿，穿過閥桿的剪切銷所受到的剪切里越來越大，最終達(dá)到剪切銷的最大剪切應(yīng)力，剪切銷被剪斷。閥桿向上運(yùn)動(dòng)，最終打開泄壓閥泄流。在閥桿剪切剪切銷的時(shí)候，閥桿對(duì)剪切銷的剪切力可近似處理為等于泥漿對(duì)閥桿底部的推力，忽略摩擦和自身閥桿重力進(jìn)行計(jì)算。1.2 剪切式安全閥的工作原理安全閥由閥桿, 閥體、箱體、剪銷及護(hù)罩等組成。泥漿壓力作用在

5、閥體下端面, 閥體就受到一個(gè)向上的推力, 該推力由閥桿傳剪切銷, 使剪銷受到剪切。當(dāng)推力達(dá)到使剪銷受到的剪切應(yīng)力大于剪銷材料的剪切強(qiáng)度極限時(shí), 剪銷便被剪斷。當(dāng)活塞的直徑的直徑確定之后，通過剪切銷的不同直徑，可以控制不同的泥漿壓力。 因此在施工中,只要根據(jù)施工技術(shù)要求, 確定泥漿壓力后, 把不用直徑的剪銷插入相應(yīng)的孔中即可。1.3安全閥的優(yōu)點(diǎn)（1）開閉靈活（2）承壓活塞面積小（3）復(fù)位簡單（4）通用性好，可與多種泵聯(lián)接。1.4安全閥安裝前應(yīng)注意事項(xiàng)（1）各種安全閥都應(yīng)垂直安裝。（2）安全閥出口處應(yīng)無阻力，避免產(chǎn)生受壓現(xiàn)象。（3）安全閥在安裝前應(yīng)專門測試，并檢查其管密封性。（4）對(duì)使用中的安全閥

6、應(yīng)作定期檢查。 2安全閥設(shè)計(jì)計(jì)算 2.1安全閥的受力計(jì)算 通過剪切式安全閥的整體設(shè)計(jì)，安全閥局部受力分析如下：1. 活塞承受壓力 F=P*A=1/4DPP-泥漿泵壓力 mpaD-活塞直徑 mm不同缸套直徑下活塞承受壓力如下表：缸套直徑, mm180170160150140130泵壓（mpa）23.125.929.233.234.534.5活塞壓力（N）29013.632530.436675.241699.243332433322. 閥體受力計(jì)算閥體承受水平拉應(yīng)力： =9.8閥體承受垂直方向應(yīng)力： =2則 滿足=9.8 取=10mm,即取閥體壁厚為10mm。 2.2安全閥的零件強(qiáng)度計(jì)算 2.2.

7、2剪切銷的強(qiáng)度采用Q215，正火處理，b=400mpa，活塞直徑D=40mm則：閥桿產(chǎn)生的推力 （公式1） 剪切銷剪切應(yīng)力 （公式2） 剪切銷直徑 （公式3） 表1 缸套直徑, mm180170160150140130泵壓（mpa）23.125.929.233.234.534.5剪切應(yīng)力（N）14506.816265.218337.620849.62166621666剪切銷直徑（mm）7.688.59.19.29.22.2.2閥桿強(qiáng)度計(jì)算 采用40Cr，表面調(diào)質(zhì)處理，其強(qiáng)度30-35HRC，S=345mpa，安全系數(shù)s=1.5 ，【】=S/s=345/1.5=230mpa其中直徑設(shè)為20mm則

8、： （公式4） 滿足要求。2.3安全閥的使用規(guī)格經(jīng)過安全閥的受力計(jì)算以及整體的強(qiáng)度理論計(jì)算，通過以上公式1-4，算的安全閥的使用規(guī)格如下：3NB-1600泥漿泵安全閥使用規(guī)格 缸套直徑, mm180170160150140130泵壓（mpa）23.125.929.233.234.534.5剪切應(yīng)力（N）14506.816265.218337.620849.62166621666剪切銷直徑（mm）7.688.59.19.29.23 剪切式安全閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1安全銷的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剪切銷是剪切銷式安全閥最關(guān)鍵的部件。通過剪切銷的理論強(qiáng)度計(jì)算，現(xiàn)在剪切銷采用Q215，正火處理，結(jié)構(gòu)圖如下：3.2法蘭盤設(shè)

9、計(jì)由于法蘭盤承受高壓載荷，為滿足設(shè)計(jì)需要，法蘭盤選用環(huán)聯(lián)接面對(duì)焊鋼制管法蘭(PN42.0MPa)，結(jié)構(gòu)圖如下：公稱通徑|DN: 150法蘭焊端外徑(管子外徑)|A: 168.3聯(lián)接尺寸|法蘭外徑|D: 485聯(lián)接尺寸|中心圓直徑|K: 368.5聯(lián)接尺寸|螺栓孔徑|L: 55聯(lián)接尺寸|螺栓|數(shù)量 n: 8聯(lián)接尺寸|螺栓|螺紋 Th.: M52密封面|槽號(hào): R47密封面|dmin: 279.0密封面|P: 228.60密封面|E: 12.70密封面|F: 19.84密封面|Rmax: 1.5法蘭厚度|C: 108.0法蘭高度|H: 273法蘭頸|N: 235法蘭內(nèi)徑|B: 108.2兩法蘭間距

10、離(近似值): 43.3閥桿設(shè)計(jì)通過閥桿的理論強(qiáng)度計(jì)算， 現(xiàn)采用40Cr，表面調(diào)質(zhì)處理，閥桿經(jīng)過精加工光潔度較高。結(jié)構(gòu)圖如下：3.4密封圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于要求密封性能非常高，所以使用O型密封圈，使其密封性得到加強(qiáng)。圖中材料采用聚氨酯，更使其密封性和其耐酸堿腐蝕性得到很大提高。 3.5閥體設(shè)計(jì)材料采用合金工具鋼2Cr13，閥體與法蘭盤連接部分采用管螺紋連接，采用調(diào)質(zhì)處理，硬度28-32HRC。閥體內(nèi)腔經(jīng)過精加工光潔度較高，維修保養(yǎng)方便。1.閥體中部2. 下閥體3. 右端管道4. 3.6接頭設(shè)計(jì)材料采用合金工具鋼2Cr13，閥體與接頭連接部分采用管螺紋連接，采用調(diào)質(zhì)處理，硬度28-32HRC。接頭內(nèi)

11、腔經(jīng)過精加工光潔度較高，維修保養(yǎng)方便。3.7壓緊螺母設(shè)計(jì)螺紋規(guī)格D=M10，性能等級(jí)為8級(jí)，不經(jīng)表面處理，A級(jí)的I型六角螺母。 2.8緩沖墊圈設(shè)計(jì)由于要求密封性能不高，主要起緩沖作用。圖中材料采用聚氨酯。 2.9保護(hù)蓋設(shè)計(jì)由于保護(hù)蓋受力不大，對(duì)材料的強(qiáng)度要求不高，因此材料選用Q195。保護(hù)蓋外表面涂漆。 2.10襯套設(shè)計(jì) 材料采用20Mn2，滲碳淬火后硬度56-62HRC。鋼套與閥體采用過盈連接，鋼套內(nèi)表面經(jīng)過精加工光潔度較高。4安全閥的安全使用及調(diào)整（1）安全閥出廠前，應(yīng)逐臺(tái)調(diào)整其開啟壓力到用戶要求的整定值。若用戶提出安全銷工作壓力級(jí)，則按一般應(yīng)按壓力級(jí)的下限值調(diào)整出廠。（2）使用者在將安全

12、閥安裝到被保護(hù)設(shè)備上之前或者在安裝之前，必須在安裝現(xiàn)場重新進(jìn)行調(diào)整，以確保安全閥的整定壓力值符合要求。（3）在銘牌注明的安全銷工作壓力級(jí)范圍內(nèi)，通過剪銷的不同位置，即可對(duì)開啟壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。（4）為保證開啟壓力值準(zhǔn)確，應(yīng)使調(diào)整時(shí)的介質(zhì)條件，如介質(zhì)種類、溫度等盡可能接近實(shí)際運(yùn)行條件。介質(zhì)種類改變，特別是當(dāng)介質(zhì)聚積態(tài)不同時(shí)（例如從液相變?yōu)闅庀啵?，開啟壓力常有所變化。工作溫度升高時(shí)，開啟壓力一般有所降低。故在常溫下調(diào)整而用于高溫時(shí)，常溫下的整定壓力值應(yīng)略高于要求的開啟壓力值。高到什么程度與閥門結(jié)構(gòu)和材質(zhì)選用都有關(guān)系，應(yīng)以制造廠的說明為根據(jù)。（5）常規(guī)安全閥用于固定附加背壓的場合，當(dāng)在檢驗(yàn)后調(diào)整開啟壓力

13、時(shí)（此時(shí)背壓為大氣壓），其整定值應(yīng)為要求的開啟壓力值減去附加背壓值。（6）密封性試驗(yàn)密封性試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力為最大公稱壓力45MPa，持續(xù)時(shí)間5分鐘（GB50243）。4.安全閥常見故障及消除方法（1）排放后閥桿不回座 這主要是閥桿安裝位置不正或被卡住造成的。應(yīng)重新裝配。 （2）泄漏在設(shè)備正常工作壓力下，密封件與閥座密封面之間發(fā)生滲漏。 其原因有：密封件與閥座密封面之間有臟物?？芍匦掳惭b前清洗；如果還泄露，看密封件是否損傷。若密封件損傷，應(yīng)該更換；閥桿彎曲、傾斜或者是杠桿與支點(diǎn)有偏斜而造成，使閥芯與座孔錯(cuò)位。應(yīng)重新裝配或者是更換；看看銷是否有損傷，若有損傷應(yīng)更換。（3）到規(guī)定的壓力時(shí)卻不開啟定壓

14、不準(zhǔn)是造成這種情況的原因?？纯翠N的直徑、材料及其搖臂孔的位置是否正確。 （4）不到規(guī)定的壓力而開啟主要原因的是定壓不準(zhǔn)；銷的疲勞、材料及其搖臂孔的位置是否正確。應(yīng)及時(shí)調(diào)整。5.以上內(nèi)容的幾點(diǎn)補(bǔ)充說明（1）鑄件應(yīng)進(jìn)行時(shí)效處理，清砂，修毛刺。（2）與箱蓋合箱后，分箱面邊緣分析，每邊錯(cuò)位不超過2mm。（3）裝配前所有零件清洗，而搖臂表面鍍鉻處理。（4）各密封處不許漏氣、液體或固液混合物，尤其是法蘭盤與管道，活塞處密封性能會(huì)影響產(chǎn)品的性能以及其他因素。（5）安全銷件數(shù)6個(gè)，裝配時(shí)安裝裝一個(gè)，其他備用放在塑料袋中。參考文獻(xiàn)1 楊前驅(qū).石油礦用泵銷軸式安全閥的計(jì)算方法J.石油鉆采機(jī)械通訊，1980 年第一期.2 王金蒲.安全閥的安裝、校驗(yàn)和試驗(yàn)J.勞動(dòng)保護(hù)， 1981年12期.3 蔡爾輔.安全閥的選用與計(jì)算J.石油化工,1981年11期.4 陳立德.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社,2004.5 陳于萍,高曉康.互換性與測量技術(shù)M.北京：高等教育出版社,2005.6 陳立德.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程