安全安全安全閥的設(shè)計(jì)

1、設(shè)計(jì)依據(jù)、原則和安全要求第一節(jié) 設(shè)計(jì)依據(jù) 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 安全閥相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是安全閥設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。國(guó)標(biāo)中安全閥的設(shè)計(jì)要求如下： 1 安全閥適用于清潔、不含固體顆粒、粘度低的介質(zhì)。 2 安全閥不能單獨(dú)用于壓力快速增長(zhǎng)的場(chǎng)合。 3 安全閥不宜單獨(dú)用于閥座與閥瓣密封面可能被介質(zhì)粘連或介質(zhì)可能生成晶 體的場(chǎng)合，但可以將爆破片安全裝置串聯(lián)在安全閥入口側(cè)組合使用。 4 安全閥的型式通常采用彈簧直接載荷式安全閥，閥型有全啟式和微啟式。 全啟式安全閥適用于泄放體、蒸汽及液化氣介質(zhì)，微啟式安全閥一般適用于泄放液體介質(zhì)。 5 用于液體的安全閥公稱通徑至少為15mm。 6 安全閥整定壓力偏差不應(yīng)超過3%整定壓力的較大值。裝

2、有安全閥時(shí)，容器的設(shè)計(jì)壓力按以下步驟確定：(a)根據(jù)容器的工作壓力pw，確定安全閥的整定壓力pz ，一般取pz=（） pw；當(dāng)pz 時(shí)，可適當(dāng)提高pz 相對(duì)于pw 的比值； (b)取容器的設(shè)計(jì)壓力p 等于或稍大于整定壓力pz，即 ppz。安全閥相關(guān)技術(shù)要求應(yīng)符合GB/T 12241（GB 2010）。在表2-1 中列出了國(guó)內(nèi)和國(guó)外相關(guān)的安全閥標(biāo)準(zhǔn)。表1-1 安全閥的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)序號(hào)代號(hào)名稱1GB/T12241 閥門設(shè)計(jì)一般要求 2GB/T12242壓力釋放裝置 性能試驗(yàn)規(guī)范3GB/T12243彈簧直接載荷式安全閥4JB/T9624電站安全閥 技術(shù)條件5JB/T6441壓縮機(jī)用安全閥6ISO4213

3、-1安全閥 第一部分 一般要求7ISO4216-2安全閥 第二部分 可控制的壓力泄放系統(tǒng)8ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范 動(dòng)力鍋爐9ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范 核動(dòng)力設(shè)備10ASME鍋爐及壓力容器規(guī)范 壓力容器11DIN3320安全閥 安全關(guān)閉閥12TRD421壓力泄放裝置-用于、組蒸汽鍋爐的安全閥13BS6759蒸汽及熱水用安全閥技術(shù)規(guī)范14BS6759第四部分 安全閥及安全閥彈簧15JIS B8210第四部分 安全閥及安全閥彈簧16API RP520 I煉廠中壓力泄放裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算、選用和安裝設(shè)計(jì)計(jì)算和選用17PAI RP50 II煉廠中壓力泄放裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算、選用和安裝-安裝18API RP

4、526鋼制法蘭連接安全泄壓閥19API RP527泄壓閥的閥座密封 二 動(dòng)作性能指標(biāo)(1)用于氣體介質(zhì)安全閥見表2-2注：下表中: ps-整定壓力；p-工作壓力；do-流道直徑表2-2 用于氣體介質(zhì)安全閥動(dòng)作性能指標(biāo) ： 標(biāo)準(zhǔn) 項(xiàng)目 GB/T12243ISO04126ASME標(biāo)準(zhǔn)第卷壓力容器JIS B8210 排放壓力Pd啟閉壓差Pb1PsPb1Pb1Pb1 PsPb1Ps時(shí)，Pb115%Ps15%ps15%ps整定壓力的允許偏差psPs psPspsPspsPsps70%ps2%ps3%ps 70%ps3%ps15%ps 第二節(jié) 設(shè)計(jì)原則 1 基本原則（1）設(shè)計(jì)的產(chǎn)品必須滿足用戶實(shí)際使用的所

5、有要求。（2）保證實(shí)際使用的前提下，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品應(yīng)是最經(jīng)濟(jì)的（如選型、用材等方面）。（3）如何使安全閥的綜合性能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)是設(shè)計(jì)人員的首先原則。（4）盡可能多地對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)品作型式試驗(yàn)，以獲取性能參數(shù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。（5）正確設(shè)計(jì)彈簧的剛度，以便內(nèi)部零件結(jié)構(gòu)的匹配更合理，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品便于裝拆和維修。（6）有較長(zhǎng)的使用壽命（包括維修后的壽命）。 由于安全閥使用的介質(zhì)繁多，總體可歸納為三種狀態(tài)，即蒸汽、氣態(tài)和液體。（臨界狀態(tài)是一種特例）有時(shí)，設(shè)計(jì)人員借助于冷態(tài)試驗(yàn)的手段，對(duì)安全閥所得出合格的性能數(shù)據(jù)，但用于重油（瀝清）等介質(zhì)性能又不一定理想，設(shè)計(jì)人員又不可能在各種介質(zhì)的工況條件下作性能試驗(yàn)，這就使得安全閥的

6、設(shè)計(jì)不能照搬哪種成熟產(chǎn)品模式，而是要根據(jù)不同介質(zhì)的實(shí)際使用狀況，設(shè)計(jì)出彈簧剛度適當(dāng)，內(nèi)件結(jié)構(gòu)合理的產(chǎn)品，當(dāng)然，安全閥設(shè)計(jì)原則最終是要讓用戶得到滿意的產(chǎn)品。但設(shè)計(jì)好產(chǎn)品的捷徑，主要還是來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累。2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則（1）閥體 安全閥是通過閥體使零件相互連接成為一個(gè)完整的產(chǎn)品。安全閥通過閥體的法蘭或螺紋管接頭或焊接連接在系統(tǒng)上的。閥體承受著被保護(hù)系統(tǒng)的壓力作用，所以閥體應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和密封性，不允許出現(xiàn)變形或泄漏。 1) 閥體材料的選擇通常按溫度、壓力和介質(zhì)的腐蝕性來(lái)定。具體情況將在下一節(jié)做專門介紹，此處不再?gòu)?fù)述。 2) 安全閥排放時(shí)，介質(zhì)通過閥體泄放至安全的地方，所以要求通道部分的尺寸和

7、形狀應(yīng)保證其流體阻力最小。 3) 閥體的進(jìn)口和出口支管承受著安全閥和排放管道的重量以及安全閥排放時(shí)的反作用力，閥體應(yīng)有足夠的強(qiáng)度和剛度。 4) 為了提高排放能力，閥座通道截面積不因有導(dǎo)向筋的存在而縮小介質(zhì)流動(dòng)暢通，不僅在閥座通道中，在閥瓣打開的環(huán)狀間隙處沒有渦流現(xiàn)象。閥體和出口支管的通道截面積為。由于排放能力高，安全閥的閥座通道截面積較小，使安全閥易于密封。（2）閥座閥座設(shè)計(jì)成可拆卸的結(jié)構(gòu)形式，閥座通道設(shè)計(jì)成拉法爾噴嘴的光滑低阻力形狀。噴嘴式安全閥能在長(zhǎng)期使用中保持高度密封，減少閥座和閥瓣密封面的機(jī)械變形、熱變形和侵蝕。閥座的熱變形是介質(zhì)對(duì)于非對(duì)稱閥體的作用引起的，而閥座的機(jī)械變形則可能在把閥

8、體緊固在容器上發(fā)生。采用可拆卸結(jié)構(gòu)，則閥體的變形一般不易造成閥座的變形，而閥座的變形是導(dǎo)致安全閥泄漏的主要原因。安全閥的主要受壓元件是閥座，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度校核，在結(jié)構(gòu)上應(yīng)設(shè)計(jì)成圓滑過渡，閥座一般不宜采用鑄件，應(yīng)采用棒料和鍛件加工，并需進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)。(3)閥瓣閥瓣是和閥座一起組成密封面，其密封面一側(cè)要直接承受介質(zhì)的壓力、溫度等，它的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理與否，直接影響到安全閥的密封性能。閥瓣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是根據(jù)安全閥要達(dá)到的密封性能指標(biāo)、密封面寬度和密封比壓、受彈簧預(yù)緊力的大小、所使用的介質(zhì)特性等諸多因素來(lái)考慮的。閥瓣的材料選用和閥座相比，應(yīng)相同或更好一點(diǎn)，對(duì)美標(biāo)安全閥來(lái)說(shuō)，采用較多的是420、304

9、 和316L，當(dāng)然，在所有腐蝕性強(qiáng)的地方，還應(yīng)選用更好的，如蒙乃爾、哈氏合金、鈦合金等其它材料。（4）閥桿 安全閥彈簧的作用力是通過閥桿傳遞給閥瓣，形成初始密封。當(dāng)安全閥動(dòng)作時(shí)，閥桿沿著彈簧上下面的彈簧座移動(dòng)，因此閥桿的作用很重要。 1) 閥桿力不是通過鋼球傳遞給閥瓣時(shí)，閥桿的端部應(yīng)做成求面，球面半徑按施加于閥桿的作用力來(lái)選取。當(dāng)作用力小于6000N 時(shí)，r= 就夠了；作用力達(dá)1800N 時(shí)，r=4mm。球面半徑也可按安全閥口徑來(lái)選取，即r=（）d0。 2)加于閥桿的載荷超過1000N 時(shí)，閥桿端部用2Cr13 鋼制造，其硬度經(jīng)熱處理4043HRC?；蛟诙瞬慷押赣操|(zhì)合金，硬度不低于4548HR

10、C。（5） 彈簧 彈簧是重要的零件之一，彈簧式安全閥的性能受彈簧的控制，彈簧的設(shè)計(jì)成功與否決定了安全閥的最終性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求和使用要求。彈簧在安全閥里的工作原理比較簡(jiǎn)單，它通過彈簧座把作用力傳遞給閥桿，閥桿再把彈簧力傳遞到閥瓣上。 1)為了保證彈簧力能平穩(wěn)地傳遞到閥瓣上，在設(shè)計(jì)制造安全閥彈簧時(shí)，應(yīng)將彈簧的端部磨平，支撐面至少大于3/4 圈。并且應(yīng)滿足平行度和垂直度的要求。 3)為了防止彈簧松馳，在計(jì)算時(shí)取較低的許用應(yīng)力值，制造時(shí)進(jìn)行強(qiáng)化處理。 4)石油化學(xué)工業(yè)中應(yīng)十分注意彈簧的抗腐蝕保護(hù)，在同某些介質(zhì)接觸時(shí)會(huì)使彈簧圓鋼變細(xì)和出現(xiàn)內(nèi)部裂紋、應(yīng)力腐蝕等現(xiàn)象。為了防腐蝕，彈簧應(yīng)采用合金鋼制造，并

11、采用包保護(hù)層、鍍鎳、滲鋁等方法，在結(jié)構(gòu)上利用橡膠彈性隔膜或金屬波紋管使彈簧同腐蝕性介質(zhì)隔離，或在彈簧表面噴涂聚四氟乙烯的方法保護(hù)彈簧。（6）調(diào)節(jié)圈調(diào)節(jié)圈是全啟式安全閥的重要部件之一，調(diào)節(jié)圈分上調(diào)節(jié)圈和下調(diào)節(jié)圈。利用調(diào)節(jié)圈對(duì)排放壓力、回座壓力進(jìn)行調(diào)整，這個(gè)調(diào)整由制造廠商根據(jù)需要來(lái)確定，用戶在使用過程中不得隨意調(diào)整調(diào)節(jié)圈的位置，它決定著安全閥的動(dòng)作性能。調(diào)節(jié)圈的位置較高時(shí)，安全閥開啟壓力就降低，同時(shí)關(guān)閉壓力也降低。通常下調(diào)節(jié)圈安裝在閥座的上部，上調(diào)節(jié)圈安裝在反沖盤的導(dǎo)向套上。用來(lái)調(diào)節(jié)安全閥開啟壓力的上調(diào)節(jié)圈，擰在閥瓣于其中滑動(dòng)的導(dǎo)向套的下部。當(dāng)調(diào)節(jié)圈往下調(diào)時(shí)，為使閥瓣達(dá)到全開啟高度的壓力即可低些。

12、上調(diào)節(jié)圈的位置通過閥體上部的螺孔來(lái)調(diào)節(jié)，螺孔用螺栓封住，螺塞具有伸出的端頭，使調(diào)節(jié)圈固定以防轉(zhuǎn)動(dòng)。（7）活塞 背壓力對(duì)安全閥的排放能力、開啟壓力有相當(dāng)大影響，為了保證安全閥能安全可靠地運(yùn)行于背壓力超過開啟壓力10%的工況在安全閥設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該考慮背壓的影響，在安全閥上加設(shè)一個(gè)能平衡背壓影響的裝置。平衡背壓的機(jī)構(gòu)常用的有波紋管式和滑塞式兩種，另外還有通過導(dǎo)向閥來(lái)平衡背壓。 第三節(jié) 安全閥的基本特征和要求安全閥的各種壓力規(guī)定:最高容許壓力:介質(zhì)通過安全閥排放時(shí),被保護(hù)容器內(nèi)最高壓力。運(yùn)行壓力:容器在工作中經(jīng)常承受的表壓力。容器的計(jì)算工作壓力:進(jìn)行容器壁厚度/強(qiáng)度計(jì)算的壓力。全開壓力:安全閥在全開行程

13、下的閥前壓力,它又叫排放壓力。整定壓力:調(diào)整的使安全閥開啟的入口壓力。關(guān)閉壓力:又叫回座壓力,是安全閥開啟后,當(dāng)容器壓力下降到該壓力時(shí)安全閥關(guān)閉的壓力?；夭?指容器的工作壓力與安全閥的關(guān)閉壓力之差。背壓:指在安全閥排出側(cè)建立起來(lái)的壓力,背壓可能是固定的,也可能是變動(dòng)的,影響著安全裝置的工作,向大氣排放時(shí),背壓為零。.對(duì)安全閥的工作要求（1）當(dāng)達(dá)到最高永續(xù)壓力時(shí),安全閥要盡可能的開起到應(yīng)達(dá)到的高度,并排放出會(huì)定量的介質(zhì)。（2）當(dāng)達(dá)到開啟壓力時(shí),要迅速開啟。（3）安全閥在開啟狀態(tài)下排放時(shí)應(yīng)穩(wěn)定無(wú)震蕩。（4）當(dāng)壓力降低到會(huì)作壓力時(shí)應(yīng)能及時(shí)有效的關(guān)閉。（5）安全閥處于關(guān)閉狀態(tài)下,應(yīng)保持良好的密封性能。

14、安全閥的排放能力 是指在單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)安全法的介質(zhì)流量。安全閥的排放能力要保證能放掉系統(tǒng)中可能產(chǎn)生的最大過剩介質(zhì)量,給予系統(tǒng)設(shè)備有效的保護(hù)。第二章 設(shè)計(jì)參數(shù)和工作原理 設(shè)計(jì)參數(shù)本設(shè)計(jì)中低溫工況下的溫度為T=-164；最高壓力為P臨界=；額定工作壓力P額=；排放量為Q=1507m2/每天（標(biāo)況）；工作介質(zhì)：液化天然氣；液化天然氣的流速取 m/s。查得的相關(guān)參數(shù)有臨界壓力PC=；臨界溫度Tc=；氣=m3;液=450kg/m3；氣體特性參數(shù)349。第二節(jié) 工作原理 安全閥是是一種自動(dòng)閥門,他不借助于任何外力而是利用介質(zhì)本身的力來(lái)排除一定數(shù)量的流體,以防止系統(tǒng)內(nèi)壓力超過預(yù)定的安全值.檔壓力恢復(fù)正常后,

15、閥門再次關(guān)閉并阻止介質(zhì)繼續(xù)流出.安全法廣泛應(yīng)用于各種承壓容器和管道上,防止壓力超過規(guī)定值,他是一種自動(dòng)機(jī)構(gòu),檔壓力超過規(guī)定值后自動(dòng)打開瀉壓,而壓力降到工作壓力或稍低于工作壓力時(shí)又能自動(dòng)關(guān)閉,它的可靠性直接關(guān)系到設(shè)備及人身的安全.本設(shè)計(jì)為先導(dǎo)式安全閥，其構(gòu)造和原理如下：結(jié)構(gòu)圖 2 工作原理 本安全閥利用介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，通過毛細(xì)管將氣體引入主閥背部，借助背壓對(duì)主閥進(jìn)行密封。在正常情況下，主閥處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)介質(zhì)工作壓力比設(shè)定的計(jì)算壓力低時(shí)，介質(zhì)的壓力經(jīng)毛細(xì)管進(jìn)入導(dǎo)閥，然后再將氣體引入主閥壓力室，作用在主閥閥瓣上，從而產(chǎn)生一個(gè)向下的力，使主閥關(guān)閉密封。隨著工作時(shí)間的加長(zhǎng)，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)壓力增加接近設(shè)計(jì)的臨界

16、壓力時(shí)，系統(tǒng)為了正常運(yùn)行，導(dǎo)閥開始動(dòng)作，其活塞開始向上提升，當(dāng)壓力繼續(xù)增加時(shí)，活塞進(jìn)一步向上提升直至導(dǎo)閥上密封面處于關(guān)閉狀態(tài)，而此時(shí)下密封面仍舊處于關(guān)閉狀態(tài)，隨著壓力的再一步增加，下密封面開始微啟，此時(shí)主閥壓力室的壓力從導(dǎo)閥下面排氣孔排出，使主閥壓力室壓力逐漸減小，直至降到正常工作壓力條件下。當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定壓力或稍高于設(shè)定壓力時(shí)，導(dǎo)閥的下密封面達(dá)到全升狀態(tài)，主閥壓力室氣體從導(dǎo)閥排氣孔迅速排出從而使主閥壓力室壓力達(dá)到最小狀態(tài)，此時(shí)，主閥的閥瓣被系統(tǒng)的壓力推升，排放超壓氣體。當(dāng)系統(tǒng)壓力超壓時(shí)，主閥閥瓣達(dá)到全升狀態(tài)，排放完成后，導(dǎo)閥活塞又趨于下降，這時(shí)通過毛細(xì)管引入的氣體又作用于主閥壓力室，此時(shí)導(dǎo)閥

17、活塞又恢復(fù)到正常工況下的位置，即導(dǎo)閥下密封面關(guān)閉，同時(shí)主閥也隨之關(guān)閉，系統(tǒng)又開始在正常工況下運(yùn)行。3 適用場(chǎng)合 該閥門主要用于使用高壓液化天然氣的系統(tǒng)中，能起到保護(hù)系統(tǒng)安全、使系統(tǒng)正常運(yùn)行的作用，同時(shí)也可用于高壓低溫系統(tǒng)中的泄壓裝置中。 第三章 安全閥的材料選擇 材料選擇是提高閥門性能的重要途徑之一,設(shè)計(jì)和制造任何一臺(tái)閥門產(chǎn)品的最終目的都是應(yīng)用,而應(yīng)用的效果則是對(duì)閥門產(chǎn)品性能的最權(quán)威評(píng)價(jià).因此,服務(wù)對(duì)象不同對(duì)閥門提出的要求也不盡相同,但是各種要求都以密封性和耐腐蝕性能作為基本評(píng)價(jià)指標(biāo)的.材料選擇的基本依據(jù)1 選擇不銹鋼閥門材料的基本依據(jù): (1) 工作介質(zhì)的性質(zhì); (2) 零件在閥門中所起的主

18、要作用; (3) 閥門的綜合經(jīng)濟(jì)性能.2 過流件材料選擇的基本要求 每一臺(tái)閥門的所有零件,從來(lái)都不是采用相同材料制成的,通常根據(jù)個(gè)零件在閥門中所起的不同作用,把零件大致分成過流件和內(nèi)件.過流件又稱為承壓件,這是閥門工作中條件最為苛刻的部位,尤其閥體與閥蓋,它不僅承受來(lái)自工作介質(zhì)的侵蝕、溫度與壓力的作用,而且還要承受管道的膨脹、震動(dòng)等附加載荷的作用.因此,過流件的材料必須滿足以下要求:(1)足夠的強(qiáng)度與韌度;(2)耐工作介質(zhì)的腐蝕,耐腐蝕性能級(jí)別不應(yīng)低于五級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中的1-2級(jí);(3)閥門用于低溫時(shí)應(yīng)具有一定的低溫性能;(4)良好的鑄、煅、焊等制造工藝性能。對(duì)于傳動(dòng)件材料應(yīng)具備以下條件：（1）一定的

19、強(qiáng)度與韌性；（2）良好的抗察傷、抗咬死性能；（3）較低的摩擦系數(shù)；（4）處于介質(zhì)中時(shí)，同時(shí)具有耐腐蝕和抗壓性能。 閥門材料的確定低溫鋼質(zhì)閥門的選擇 對(duì)于公稱壓力PN，溫度高于或等于-196的乙烯、丙烯、液態(tài)天然氣及液氮等介質(zhì)的低溫鋼制閥門，主要零件材料安下表選用。 低溫鋼制閥門主要零件材料（JB/5300-91）零件名稱 材料名稱編號(hào)標(biāo)準(zhǔn)號(hào)閥體、閥蓋閥座、啟閉件、搖桿奧氏體不銹鑄鋼ZG0Cr18NI9、ZGICr18Ni9GB 2100ZG0Cr18NI9Ti、ZGICr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼0Cr18Ni9、1Cr18Ni9GB 12200Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti閥桿諾鎳

20、鋼1Cr17Ni2、0、1Cr18Ni9烙鎳鈦鋼1Cr18Ni9Ti銷軸不銹鋼1Cr13、2Cr13、3Cr13閥座、啟閉件的密封面鈷洛鎢合金TDCoCr1-x、TDCoCr2-x、TDCoCr3-xGB 984粉201、粉202 -閥桿螺母鑄造鋁青銅ZCuA19Mn2、ZCuA19Fe4Ni4Mn2GB 1176鑄造鋁黃銅ZCuZn25A16Fe3Mn3雙頭螺栓諾鎳鋼1Cr17Ni2、1Cr18Ni9GB 1220烙鎳鈦鋼1Cr18Ni9Ti螺母不銹鋼0Cr13、1Cr13、2Cr13烙鎳鈦鋼1Cr18Ni9Ti黃銅HPb59-1GB/T5232墊片純銅T2、T3GB 5231純鋁L2、L3

21、GB 3190蠟浸石棉橡膠板- -填料聚四氟乙烯SFT-1、SFT-2、SFT-3、SHT-4HG 2-538浸四氟乙烯石棉繩 - -柔性石墨 - -手輪可煅鑄鐵KTH330-08KTH350-10GB 9440球墨鑄鐵QT400-15QT450-10GB 1227碳素鑄鋼WCCGB 12292 閥體用鋼材的使用溫度范圍 正確了解閥體用鋼材的使用溫度范圍，對(duì)閥門的設(shè)計(jì)者和使用者來(lái)說(shuō)，具有極其重要的意義，閥門在規(guī)定的使用溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，才能確保安全，否則就會(huì)產(chǎn)生事故。一般而言，低溫選用奧氏體不銹鋼、低溫合金；工作溫度小于等于200且公稱壓力小于等于 選用灰鑄鐵，工作溫度小于等于300且公稱壓力小

22、于等于 選用可鍛鑄鐵，工作溫度小于等于350且公稱壓力小于等于 選用球墨鑄鐵，工作溫度小于等于250、公稱壓力小于等于 的水、海水、氧氣、空氣、油類等介質(zhì)選用銅合金；工作溫度小于等于425選用碳鋼，工作溫度大于425選用CrMo、CrMoV 鋼；腐蝕性強(qiáng)的選用奧氏體不銹鋼、鎳基合金、低合金鋼等；由于閥體形腔復(fù)雜通常采用鑄件，小口徑安全閥采用鍛件，大口徑安全閥采用焊接結(jié)構(gòu)。而對(duì)于彈簧，制造安全閥的彈簧材料主要采用60Si2Mn、50CrVA。在低溫26910情況下，應(yīng)選用含鎳、鉻、鉬的不銹鋼（ANSI304、316、321、1Cr18Ni9Ti 等）；溫度達(dá)到538時(shí)應(yīng)采用含鎢的低合金鋼(W18

23、Cr4V、30W4CrVA 等)。系統(tǒng)的高溫作用使彈簧的機(jī)械性能降低，彈簧力減小，導(dǎo)致安全閥提前起跳。為了避免這種后果，在設(shè)計(jì)安全閥時(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)隔熱裝置，采用隔熱器或冷卻裝置把彈簧同排放的介質(zhì)隔離開或?qū)肜鋮s介質(zhì)降低安裝彈簧部位的溫度。以下是根據(jù)國(guó)內(nèi)外鋼材標(biāo)準(zhǔn)，編制的閥體用國(guó)產(chǎn)鋼材的使用溫度范圍表和閥體用美國(guó)ASTM鋼材的使用溫度范圍表：名稱 鑄件 鍛件說(shuō)明 牌號(hào)使用溫度/牌號(hào)使用溫度/灰鑄鐵HT200、HT250HT300、HT350-15-+250- -用于PN的低壓閥門黑心可鍛鑄鐵KHT300-06KHT330-08KHT350-10KHT370-12-15-用于PN的中低壓閥門球墨鑄鐵

24、QT400-18QT400-15QT450-10QT500-7QT600-3QT700-2 -30350-用于PN4MPa的中低壓閥門碳素鑄鋼WCA、WCB、-2942520、25、30、35、40-25+425用于中高壓閥門16Mn、30Mn-40+450低溫碳素鋼(LCB)-46345-用于低溫閥合金鋼（WC6）（WC9）-29595-2959515CrMO25Cr2MoV-29595-29595用于非腐蝕性介質(zhì)的高溫高壓閥（C5）（C12）-296501Cr5Mo-29650 用于腐蝕性介質(zhì)的高溫高壓閥奧氏體不銹鋼ZG00Cr18Ni10ZG0Cr18Ni9ZG1Cr18Ni9ZG0Cr

25、18Ni9TiZG1Cr18Ni9TiZG1Cr18Ni12Mo2TiZG0Cr18Ni12Mo2TiZG1Cr18Mn13Mo2-19660000Cr18Ni100Cr18Ni91Cr18Ni9 0Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti00Cr17Ni14Mo2o2Ti-196600用于腐蝕性介質(zhì)CF8CF8MCF3CF3MCF8CCN7M（304）（316） (304L)（316L）(321)B462蒙乃爾合金450主要用于含氫質(zhì)鑄銅合金ZCuSn3Zn11Pb4ZCuSn5Pb5Zn5ZCuSn10P1ZCuSn10P2ZCuAl9Mn2ZCuAl10Fe3ZCuZn24Al16Fe3M

26、n3ZCuZn38Mn2Pb2ZCuZn33Pb2ZCuZn16Si4-273200 主要用于氧氣管路3 閥體材料的確定 有以上表格及文獻(xiàn)可知，國(guó)內(nèi)用于低溫工況下的鋼材主要有奧氏體不銹鋼和鑄銅合金，但從經(jīng)濟(jì)效益考慮，本設(shè)計(jì)主要鋼材初步確定為奧氏體不銹鋼，現(xiàn)對(duì)奧氏體不銹鋼的力學(xué)性能做一驗(yàn)證，看能否滿足本設(shè)計(jì)要求，奧氏體不銹鋼的主要力學(xué)性能見下表（摘自金屬設(shè)計(jì)手冊(cè)第三版11-1-2部分）： 類別牌號(hào)彈簧許用切應(yīng)力pMPa 彈簧彎曲應(yīng)力BP MPa剪切彈性模量 G GPa彈性模量E ,GPa推薦硬度范圍HRC推薦使用溫度類類類類類不銹鋼絲1Cr18Ni9Ti324432540540677193-25

27、0300綜合以上各表可知，材料確定為 1Cr18Ni9Ti 能滿足設(shè)計(jì)要求，因此，最終材料確定為 1Cr18Ni9T第四章 閥門的設(shè)計(jì)計(jì)算第一節(jié) 安全泄放量和流道面積的確定液化天然氣主要成分為GH4，因此本設(shè)計(jì)的計(jì)算參數(shù)基本以甲烷的物性為查閱依據(jù)進(jìn)行計(jì)算。CH4為多原子分子，從工程熱力學(xué)課本（P24）查得Mcv=，Mcp=,特性系數(shù)K=Cp/Cv=.有由設(shè)計(jì)手冊(cè)查得氣體特性系數(shù)c=349.因此安全排放量如下;Ws=10-3Vd02=Q =44800 kg/h d0= Ws/（2.83 查有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)取標(biāo)準(zhǔn)值d0=150 mm，公稱直徑DN=200 mm。所以流道面積為： A=d02= mm2閥

28、體厚度的計(jì)算閥體厚度的計(jì)算有以下公式計(jì)算所得： SB=DN2(k上式中：DN閥體中腔最大內(nèi)徑； K0閥體外徑與內(nèi)徑之比； K0= 閥體材料應(yīng)力；取b/nb與s/n兩者中的較小值，別為材料的強(qiáng)度極限和屈服極限，nb、n全系數(shù)，本設(shè)計(jì)中取nb=, P公稱壓力取 材料力學(xué)性能：抗拉強(qiáng)度b=520Mp,屈服強(qiáng)度s=205Mpa b nb=122.353 所以=,代入值計(jì)算得: k0（1）主閥閥體厚度計(jì)算： 代入以上公式得： DN = 175 mm Sb =+C，C取 Sb =為提高安全系數(shù)，調(diào)整后取值為: Sb= 30 （2）先導(dǎo)閥閥蓋厚度計(jì)算 D n=50 Sb =+C ，C取 Sb =7mm為了提

29、高安全系數(shù),取Sb =20 （3） 先導(dǎo)閥下部外壁壁厚計(jì)算： D n =20 Sb=+C , C取 Sb=,取整后為: Sb = 7（4）先導(dǎo)閥的下部?jī)?nèi)腔體浮動(dòng)筒壁厚計(jì)算： D 外=20 mm由內(nèi)部彈簧確定內(nèi)徑： D 內(nèi)得壁厚為 Sb = 對(duì)筒體強(qiáng)度校核：根據(jù)上式計(jì)算得：Sb=，同上取Sb = （5）閥套的計(jì)算 DN =165 mm 代入上式公式計(jì)算得：Sb= 調(diào)整取整后確定 Sb = 10 （6） 圓形平板閥蓋厚度 p 、= pc0.25p = 500.25 = 去整 p= 上式中： p p c閥蓋計(jì)算直徑 （ p設(shè)計(jì)壓力 （ MPa） t C 附加富裕量 （c =3 mm） 取c =1 ；

30、Dc p = 20 = mm（7） 閥桿重為 20 N，由金屬材料設(shè)計(jì)手冊(cè)查得1Cr18Ni9Ti 的材料密度= 10-6 kg/mm3 , 則閥桿的體積： V = m = 27.910-6 = 又 V = L 其中 ：L 閥桿長(zhǎng)度 d 閥桿直徑，取閥桿直徑 d= 20 mm則計(jì)算出的閥桿長(zhǎng)度 L = mm取整 L = 806 mm（8） 閥瓣重均為400 N閥瓣體積 V= m = 407.910-6 =又因?yàn)?V =H 其中： D 閥瓣直徑， D = 165 mm H閥瓣高度由以上式子計(jì)算得出理論閥瓣高度 H= mm取整后 H = 240 mm第三節(jié) 彈簧計(jì)算 彈簧計(jì)算的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，如表41：

31、 本設(shè)計(jì)中，彈簧類型選用類（參考設(shè)計(jì)手冊(cè)第三版第二卷11-6）。類當(dāng)受到變載荷作用時(shí)，作用次數(shù)在103次以下的，其載荷相當(dāng)于受到靜載荷的作用，就和一般的安全閥門彈簧受力一樣。其材料性能如下：1Cr18Ni9Ti；類需用切應(yīng)力p=540；使用彎曲應(yīng)力T=677；切變模量G=7150MPa。 先導(dǎo)閥上的彈簧的計(jì)算（1）調(diào)節(jié)彈簧計(jì)算：取c= 8，k1 = 4c-14c-4 取d、= 20 mm， d0、= 17 mm(2) 作用面積的計(jì)算：A=（d2-d02）= （202-172）= mm(3) 最大工作載荷的計(jì)算：Fn=PA= = N(4) 彈簧絲的直徑計(jì)算：dKF= 1.188557.664/5

32、40 = 查國(guó)標(biāo)GB/T1358，取標(biāo)準(zhǔn)值 d = 5 mm(5) 彈簧絲中徑：D2 = c d = 58 = 40 取標(biāo)準(zhǔn)值 D2(6) 彈簧絲外徑：D =D2 + d = 45+2 = 47(7) 最大工作載荷量下的變形量： = Fnp n= Fn P彈簧剛度 P F1 (8) 工作極限載荷的計(jì)算：PJ = J = P = PJ = 53(840) = (9) 確定最小載荷：F1=(13 - 12)PJ = F1 = P(10) 確定彈簧工作行程： 取 h = 2d =25=10 mm（11） 彈簧剛度計(jì)算： P= Fn-F(12) 彈簧單圈剛度Pd、： Pd = G（13） 有效圈數(shù)計(jì)算

33、： n = Fn 查GB/T1358，取n = 圈（14） 總?cè)?shù)n1的計(jì)算： d= 5 mm 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第三版第三卷1115表所得。 N1 = n + 2 = （15） 工作極限下的變形量 極：極 = PJP = （16） 彈簧節(jié)距 t 的計(jì)算： t =d + nd一般取(D213),本設(shè)計(jì)取t = 21 mm（17） 彈簧間距的計(jì)算： = t d = 21 5 = 16 mm（18） 自由高度 H0 的計(jì)算： H0 = nt + = 20 + 5 = （19） 壓并高度 Hb 的計(jì)算： Hb =（n + ）d = （20） 最下工作載荷的變形：MIN =F1P1 = (21) 工作極限

34、下單圈變形：J = 8D3PJGd4 = 8(22) 最大負(fù)荷下的單圈變形：min =F（23） 工作極限負(fù)荷下的高度 HJ : HJ=H0 J = (24) 最大工作負(fù)荷下的高度 Hn ： Hn = H0 極(25) 最小工作負(fù)荷下的高度 H1 : H1 = H0min =(26) 螺旋角的計(jì)算：= arctant/(d) = arctan20/42) = 9 （27） 彈簧單圈展開長(zhǎng)度： = L1n1 = = mm（29） 強(qiáng)度校核： = 8KFC = 852) =536p 綜上所述，該強(qiáng)度滿足要求?；钊袕椈傻挠?jì)算經(jīng)過受力分析可知，該彈簧只承受閥芯重力取： F = mg = 5 N由國(guó)標(biāo)

35、確定 K = C = 8d KFn取標(biāo)準(zhǔn)值d = mmD = cd =8 = 4 mm工作極限載荷： PJ = = 3.140.531.12540= mm最小載荷： F 1= F n= 彈簧工作行程： 取 h = 5 mm彈簧剛度： P =Fn-F1h單圈剛度: Pd= Gd48D3工作圈數(shù)： n =Gd = 9 圈 n =FP = n1工作在極限載荷下的變形： 極 =PJP =節(jié)距t： t = D2=42間距： = 2- = mm自由高度H0 : H0=ht+ =92+= 壓并高度Hb： Hb =（n+）d=（9+） = 最小工作載荷下的變形： min= =F1P工作極限下的單圈變形： J=

36、8D = mm最大載荷下的單圈變形： max =Fn = mm工作極限載荷下高度： Hj= H0j= - 最大工作負(fù)荷下的高度Hn： Hn= H0- n = 最小工作狀態(tài)下的高度： H1= H0 -MIN =螺旋角： = arctant/(d) = arctan20/42) = 9 彈簧單圈展開長(zhǎng)度： L1= D2 =4 =展開長(zhǎng)度： L = L1n1= 強(qiáng)度校核： = 8KFCd = p 經(jīng)過計(jì)算。強(qiáng)度滿足要求。3 主閥彈簧計(jì)算（1）彈簧絲的直徑 閥桿重均為2kg，即20N;閥瓣重均為400 N.則最大工作負(fù)荷為420 N。取c= ，則:k=4C-14C-4+ 0.615所以彈簧絲直徑 d=

37、P = 4201.226.8/540 =根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)取 d = 4 mm（2）彈簧中徑 由c=Dd D=cd =4 =30 mm（3）工作極限負(fù)荷由GB/T1315表11-1-2可查得剪切彈性模量G為104MPa,所以： PJ = d3IJ8KD = 43540/(830) = N(4) 最小工作負(fù)荷 P1 = (13 - 12) PJ = 取 P1(5) 彈簧剛度的計(jì)算 p =Fn-F(6) 單圈剛度 Pd= Gd48(7) 彈簧有效圈數(shù) n= PdP（8） 最大工作載荷下的變形 Fn=PnP1 =(9) 節(jié)距t t =d+Fnn=4+ t =D2 - D 取 t = 10 mm（10） 間距

38、=t d= 10 4 =6 mm（11） 自由高度 由GB/T1315表11-1-2可查得所用彈簧端部形式為 d 8 mm 的端部并緊磨平，支撐圈為1圈的壓縮彈簧，則自由高度為： H0 =nt + =18*10+*4 = 78 （12） 最小工作負(fù)荷的變形 F = P1P = (13) 工作行程 h=Fn-F1= = 符合要求。（14）彈簧螺旋角 = arctant/(d) = arctan10/30) = 一般情況下，取值在 5-9 之間，因此計(jì)算結(jié)果符合要求。（15） 彈簧單圈展開長(zhǎng)度 L1 =(D)=30= mm 展開長(zhǎng)度 L = NL1 =1884 mm第四節(jié) 密封原理及密封方法選擇密

39、封原理當(dāng)閥門啟閉件的密封面與閥座的密封面緊密的結(jié)合在一起，并形成使管道內(nèi)的介質(zhì)不能通過的密封面時(shí)，閉路閥才能保證管道的進(jìn)口與出口隔斷。閉路閥內(nèi)最常用的是由剛性金屬密封面所組成的平面密封結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)屬于定期密封式的活動(dòng)連接結(jié)構(gòu)。2 密封方法的確定對(duì)于一般壓力容器而言，容器中帶有一定壓力的液體和氣體，用蓋板封住，于是，容器內(nèi)有介質(zhì)靜壓力的作用，其值為： FJ式中 FJ A 介質(zhì)作用在蓋板上的靜壓力 （mm2） P 容器內(nèi)介質(zhì)靜壓力 （MPa）密封比壓值的確定為確定常溫閉路閥密封面上的密封比壓值（MPa），可應(yīng)用一般公式： qMF = C+式中： c與密封面材料有關(guān)的系數(shù)，鑄鐵、青銅、黃銅 c =

40、；鋼和硬質(zhì)合金 c = ；鋁、鋁合金、聚乙烯、聚氯乙烯、PTFE、MOLON、DEVLON、尼龍 c = ；中等硬質(zhì)橡膠 c = .K在給定密封材料條件下，考慮介質(zhì)壓力對(duì)比壓值的影響；鑄鐵、青銅、黃銅 k=1；鋼和硬質(zhì)合金 k = 1；鋁、鋁合金、聚乙烯、聚氯乙烯、PTFE、MOLON、DEVLON、尼龍 k = ；中等硬質(zhì)橡膠 k =.P介質(zhì)工作壓力，通常取公稱壓力DN(MPa) bm從以上分析再查閱陸培文編著閥門入門與精簡(jiǎn)一書，確定本設(shè)計(jì)中的參數(shù) c =；k = ；p =；bm=5 qMF= C+kpb（2）密封比壓值得要求由于閥門關(guān)閉后介質(zhì)壓力的變化，密封面上經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生比壓值顯著超過qM

41、F的現(xiàn)象，所以，在本設(shè)計(jì)中采用的實(shí)際比壓q值不會(huì)引起過大的塑性變形，并且不改變經(jīng)過研磨的表面幾何形狀，為此： qMF 式中 ： qMF保證密封所用的比壓 （MPa） q 實(shí)際工作比壓 （MPa） q 密封面材料的許用比壓 （MPa）由以上計(jì)算得qMF = MPa，從設(shè)計(jì)手冊(cè)上查的q =20 MPa； q 20 （3） 確定q的值本設(shè)計(jì)中的閥門采用錐形密封，取 = 30的錐面密封。由已知公式 q = QMZ式中：Qmz閥座密封面上的總壓力（N） Qmz = QMF + QMJ式中： QMZ QMJ QMF =（d+bm）bm sin（1+ f = （150+5）512（1+0.053 = N結(jié)構(gòu)

42、圖如下: 平面密封 錐形密封 上式中：為半錐角取 30。 fm錐面密封摩擦系數(shù)，取 QMJ = 4(d+bm)2p =3.144 = N所以：QMZ= QMF = + = N因此： q = QMZ = MPa根據(jù)以上計(jì)算可知： q 20 MPa符合要求。（4） 導(dǎo)閥上密封面比壓的確定 取 d = 7 mm，bm = mm根據(jù)公式： qmf = C+kpbM/10 = 為保證 qMF q q,由閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)差得 q = 20 MPa因此： qMF = 13 MPa 符合要求。介質(zhì)密封 QMF = （d+bm）bmqmf = = N閥座密封面上的介質(zhì)力： QMJ = 4 （d+bm）2 = N閥座

43、密封面上的總壓力：QMZ= QMF = N密封面比壓 ：q =QMZ = MPa 13 20 MPa經(jīng)過校核，符合要求。（5） 導(dǎo)閥下密封面比壓的確定 取 d = 8 mm bm = mm根據(jù)公式 ：qMF = C+kpbM/10 = 13 MPa從閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)查得聚四氯乙烯q =20 MPa介質(zhì)密封力： QMF= （d+bm）bmqmf = 13 = N閥座密封面上的介質(zhì)力： QMJ = 4 （d+bm = 3.144 = N閥座密封面上的總作用力： QMZ= QMF + QMJ 密封面比壓： q =QMZ = MPa 13 20 MPa經(jīng)計(jì)算校核，符合要求。第五節(jié) 法蘭的設(shè)計(jì)1 法蘭螺栓的

44、設(shè)計(jì)，按以下兩種情況設(shè)計(jì)。（1）操作情況由于流體靜壓力所產(chǎn)生的軸向力促使法蘭分開，而法蘭必須克服此種端面載荷，并且在墊片或接觸面上必須維持足夠的密緊力，以保證密封，此外，螺栓還承受球體與閥座密封圈之間的密封力作用。在操作情況下，螺栓承受的載荷為： WP =F+ F = +2DGmp+Q式中 ：WP在操作情況下所需的最小螺栓轉(zhuǎn)矩（N F總的流體靜壓力 （N）F= Dg2P FF連接接觸面上總的壓緊載荷（N FP = 2DGmp DG載荷位置處墊片的直徑（mm）由閥體內(nèi)部尺寸可知。DG m墊片有效密封寬度，查表可知m=0. P設(shè)計(jì)壓力 P = MPa Q球體與閥座密封圈之間的密封力（N） 將各項(xiàng)數(shù)值代入可得： WS = 2032 = KN（2）預(yù)緊螺栓情況在安裝時(shí)將螺栓擰緊而產(chǎn)生初始載荷，是法蘭面壓緊墊片，此外，螺栓還承受球體與密封圈之間的預(yù)緊力。在預(yù)緊螺栓時(shí)螺栓承受的載荷為： wa = 式中：wa 在預(yù)緊螺栓時(shí)所需的最小螺栓轉(zhuǎn)矩（N Y墊片或法蘭接觸面上的單位壓緊載荷（MPa），查表可得Y=0. Q1 Q1 = 代入以上數(shù)值得： Wa =pDm2= N法蘭螺栓應(yīng)力的計(jì)算 l =WA 式中：l WWP和Wa中兩者的較大值 A螺栓承受應(yīng)力下實(shí)際最小總面積 l代入以上數(shù)