安全阀的设计和制造

第二章安全阀的设计自从法国工程师1707年发明第一台重锤式安全阀以来，现在安全阀结构已有了很大的发展，主要有弹簧直接载荷式、重锤式、静重式、电磁辅助加载或卸载式、导阀控制式等几大类。安全阀是一种自动阀门，不借助任何外力而是利用介质本身的压力，当压力超过预定值时，自动排出一定数量的介质，以防止系统内压力超过额定的安全值，当恢复正常压力后，阀门再自行关闭，阻止介质继续流出。所以，安全阀的设计是一个系统性问题，既要考虑安全阀本身的有关因素，又要考虑被保护系统的各种情况对最终的产品的影响。因此，在设计时需要对引起超压的各种因素进行综合分析、判断，只有这样才能确保安全阀设计的合理、安全和可靠。系统对安全阀的基本要求是准确开启、适时全开、稳定排放、及时回座和可靠密封。安全阀的设计主要考虑结构、材料和性能等方面内容。结构设计包括阀体结构、密封结构、阀座结构、阀瓣结构、背压平衡结构、紧急提升机构；材料方面主要考虑介质的可燃性、易爆性、有毒性和腐蚀性以及低温、高温、高压对材料的影响；性能设计包括阀座（喷嘴）、阀瓣、导向套、调节圈、弹簧的优化组合，以及被保护系统的各种情况。（一）设计依据和原则一、设计依据1．设计标准安全阀相关标准是安全阀设计的基本依据。在表2-1中列出了国内和国外相关的安全阀标准。表2-1安全阀的相关标准序号标准代号标准名称1GB/T12241-2005安全阀一般要求2GB/T12242-2005压力释放装置性能试验规范3GB/T12243-2005弹簧直接载荷式安全阀4JB/T9624-1999电站安全阀技术条件5JB/T6441-1992压缩机用安全阀6ISO4216-1：1991安全阀第一部分一般要求7ISO4216-2：1991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Ⅷ压力容器11DIN3320安全阀安全关闭阀12APITRD421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15JISB8210-1994蒸汽及气体用弹簧安全阀16API520.1-2000精炼厂泄放装置尺寸、选用和安装-设计计算和选用第一篇定尺寸和选型17API520.2-2003精炼厂泄放装置尺寸、选用和安装-设计计算和选用第二篇安装18API521-1997泄压和降压系统指南18API526-2002钢制法兰端泄压阀19API527-1991泄压阀的阀座密封度20API576-2000泄压装置的检查2．动作性能指标(1)用于气体介质安全阀见表2-2表2-2用于气体介质安全阀动作性能指标Mpa标准项目GB/T12243ISO4126ASME标准第Ⅷ卷压力容器JISB8210排放压力pd≤1.10ps≤1.10ps≤1.10ps≤1.10ps启闭压差Δpb1ps△pb1（不可调）△pb1(可调)△pb1（不可调）ps△pb10.2≤0.03（2.5%～7%）ps(d0≤15mm时△pb1≤15%psps﹤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±3%ps﹥70%ps±3%ps≤0.3≤0.03﹥0.3≤15%ps注：ps-整定压力；p-工作压力；do-流道直径(2)用于蒸汽介质安全阀见表2-3表2-3用于蒸汽介质安全阀动作性能指标Mpa注：ps-整定压力；p-工作压力；do-流道直径；﹡供需双方可协商采用本表中括号内的数值(3)用于液体介质安全阀见表2-4表2-4用于液体介质安全阀动作性能指标Mpa标准项目GB/T12243ISO4126APIRP520排放压力pd≤1.20ps≤1.25ps启闭压差Δpb1ps≤0.3时：Δpb1≤0.06ps﹥0.3时：Δpb1≤20%psps＜0.3时：Δpb1≤0.06psps≥0.3时：Δpb1≤20%ps≤10%ps整定压力允许偏差δpsps＜0.5时：±0.015ps≥0.5时：±3%psps＜0.5时：±0.015ps≥0.5时：±3%ps3．密封性能指标标准项目GB/T12243ASME标准第Ⅰ卷动力锅炉JISB8210排放压力pd≤1.03ps≤1.03psps≤0.1时：pd≤ps+0.02ps﹥0.1时：pd≤1.03ps启闭压差Δpb1ps△pb14%ps且≥2po(直流蒸汽发生器及高温热水锅炉安全阀△pb1≤10%ps)ps≤0.1时：Δpb1≤0.020.1＜ps≤0.2时：Δpb1≤0.0250.2＜ps≤0.4时：Δpb1≤0.030.4＜ps≤0.7时：Δpb1≤0.040.1＜ps≤1.1时：Δpb1≤0.05ps﹥1.1时：Δpb1≤4%ps蒸汽动力锅炉用安全阀直流锅炉、再热器等用安全阀≤0.4≤0.03≤0.04直流锅炉、再热器等用安全阀ps≤0.1时：Δpb1≤0.020.1＜ps≤0.2时：Δpb1≤0.0250.2＜ps≤0.3时：Δpb1≤0.03ps﹥0.3时：Δpb1≤10%ps＞0.4≤7%ps(≤4%ps)﹡≤10%ps整定压力的允许偏差δpsps≤0.5时：±0.0150.5≤ps≤2.3时：≤±3%ps2.3＜ps≤7.0时：≤±0.07ps﹥7.0时：≤1%psps≤70psi时：±2psi70＜ps≤300psi时：≤±3%ps300≤ps≤1000psi时：≤±10psips﹥1000psi时：≤±1%psps≤0.7时：±2psi0.7≤ps＜2.3时：≤±3%ps2.3≤ps＜7.0时：≤±0.07ps≥7.0时：≤±1%ps(1)用于气体介质安全阀见表2-5表2-5用于气体介质安全阀动作性能指标Mpa标准项目GB/T12243API527JISB8210密封试验压力ptps≤0.3时：pt＝ps－0.03ps﹥0.3时：pt＝0.9psps≤0.345时：pt＝ps－0.035ps﹥0.345时：pt＝0.9ps取0.9ps或回座压力二者中较小值最大允许泄漏率气泡数/mindo≤7.8mmPs≤6.9时：40do﹥7.8mmPs≤6.9时：20do≤7.8mmPs＞6.9～10.3时：60do﹥7.8mmPs＞6.9～10.3时：30d0≤7.8mmPs＞10.3～13.0时：80do﹥7.8mmPs＞10.3～13.0时：40d0≤7.8mmPs＞13.0～17.2时：100do﹥7.8mmPs＞13.0～17.2时：50d0≤7.8mmPs＞17.2～20.7时：100do﹥7.8mmPs＞17.2～20.7时：60d0≤7.8mmPs＞20.7～27.6时：100do﹥7.8mmPs＞20.7～27.6时：80d0≤7.8mmPs＞27.6～38.5时：100do﹥7.8mmPs＞27.6～38.5时：100d0≤7.8mmPs＞38.5～41.4时：100do﹥7.8mmPs＞38.5～41.4时：100Ao≤0.307in2Ps≤6.9时：40Ao﹥0.307in2Ps≤6.9时：20Ao≤0.307in2Ps＞6.9～10.3时：60Ao﹥0.307in2Ps＞6.9～10.3时：30Ao≤0.307in2Ps＞10.3～13.0时：80Ao﹥0.307in2Ps＞10.3～13.0时：40Ao≤0.307in2Ps＞13.0～17.2时：100Ao﹥0.307in2Ps＞13.0～17.2时：50Ao≤0.307in2Ps＞17.2～20.7时：100Ao﹥0.307in2Ps＞17.2～20.7时：60Ao≤0.307in2Ps＞20.7～27.6时：100Ao﹥0.307in2Ps＞20.7～27.6时：80Ao≤0.307in2Ps＞27.6～38.5时：100Ao﹥0.307in2Ps＞27.6～38.5时：100Ao≤0.307in2Ps＞38.5～41.4时：100Ao﹥0.307in2Ps＞38.5～41.4时：10020(2)用于蒸汽介质安全阀GB/T12243标准中规定蒸汽用安全阀的密封试验压力，当整定压力小于等于0.3Mpa时，比整定压力低0.03；当整定压力大于0.3Mpa时，为90%整定压力或回座压力（取较小值）。试验介质为饱和蒸汽，如未发现泄漏现象，则认为合格。（3）用于水或其他液体介质安全阀GB/T12243标准中规定水或其他液体用安全阀的密封试验压力，当整定压力小于等于0.3Mpa时，比整定压力低0.03；当整定压力大于0.3Mpa时，为90%整定压力。试验介质为水，最大允许泄漏率,当DN小于25mm时，最大允许泄漏率小于等于10cm3/h；当DN大于等于25mm时，最大允许泄漏率小于等于10×（DN/25）cm3/h二、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。阀体应按有关标准进行强度试验。1)阀体材料的选择通常按温度、压力和介质的腐蚀性来定。低温选用奥氏体不锈钢、低温合金；工作温度小于等于200℃且公称压力小于等于1.0MPa选用灰铸铁，工作温度小于等于300℃且公称压力小于等于2.5MPa选用可锻铸铁，工作温度小于等于350℃且公称压力小于等于4.0MPa选用球墨铸铁，工作温度小于等于250℃、公称压力小于等于2.5Mpa的水、海水、氧气、空气、油类等介质选用铜合金；工作温度小于等于425℃选用碳钢，工作温度大于425℃选用CrMo、CrMoV钢；腐蚀性强的选用奥氏体不锈钢、镍基合金、低合金钢等；由于阀体形腔复杂通常采用铸件，小口径安全阀采用锻件，大口径安全阀采用焊接结构。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