中低压安全阀的优化研究.pdf

F LUI D MACHI NERY Vo 1 ． 4 2， No． 1， 2 01 4 文章编 号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 4 0 1一 O O 4 4 0 3 中低压安全阀的优化研究 陈立龙 ， 张明 ， 王汤权 1 ． 杭州华惠阀门有限公司， 浙江 杭州 3 1 1 1 2 2 ； 2 ． 中船重工七一一研究所， 上海 2 0 1 1 0 8 摘要 针对传统安全阀存在的整定压力偏差大、 启闭压差大、 开启高度低和排量系数低等问题， 本文从安全阀产品结 构、 制造工艺、 综合性能和制造成本等方面进行了分析比较， 提出了中低压安全阀的优化设计思路， 并且通过大量试验和 实际使用， 证明了 l A、 2 A型安全阀具有整定准确、 启闭压差小 、 开启高度大、 排量系数高和制造成本低等特点。 关键词 中低压安全阀； 优化设计； 综合性能 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 1 0 Re s e a r c h o n Op t i mi z a t i o n f o r Lo w mi d P r e s s u r e S a f e t y Va l v e C HEN L i l o n g ， Z HAN G Mi n g ， WAN G T a n g ． q u a n 。 1 ． H a n g z h o u Wo r l d w i s e V a l v e C o ． L t d ． ， N i n g b o 3 1 1 1 2 2 ， C h i n a ； 2 ． S h a n g h a i Ma ri n e D i e s e l E n g i n g R e s e a r c h I n s t i t u t e ， S h a n g h m 2 0 1 1 0 8 ， C h i n a Ab s t r a c t Tr a d i t i o n a l s a f e t y v a l v e h a s t h e s h o r t c o mi n g s a s s e t p r e s s u r e d e v i a t i o n，s e t o ff p r e s s u r e d e v i a t i o n ，l o w l i ft a n d l o w d i s c h a r g e C O e ffi c i e n c y ， t h i s a r t i e l e t h e p r o d u c t s t r u c t u r e ， ma n u f a c t u r i n g a rt s ， c o mp r e h e n s i v e p e rf o r ma n c e a n d c o s t b y c o mp a r i s o n we r e a n a l y z e d， t h e o p t i mi z e d d e s i g n a n d p e rf o r ma n c e f o r l o w mi d p r e s s u r e s afe t y v a l v e i e d wa s ， i t i s p r o v e d t h r o u g h t e s t a n d a e t u r - a l u a a g e t h a t t y p e 1 A 2 A s a f e t y v a l v e r e a c h e s t h e a c c u r a t e s e t p r e s s u r e ， l o w s e t off p r e s s u r e， h i g h l i f t ， h i g h d i s c h a r g e C O e ffic i e n c y an d 1 o w c o s t ． ’ Ke y wo r d s l o w - mi d p r e s s u r e s a f e t y v a l v e； o p t i mi z e d d e s i g n； c o mp r e h e n s i v e p e rf o rm a n c e 1 前言 我国安全阀的开发研究起步 比较晚 ， 技术水 平也 比较低。主要体现在 2 0世纪 7 0年代的三化 系列化 、 通用化和标准化 联合设计 ， 在这三化 设计过程 中， 诞生了不少的系列安全阀结构 、 计算 参数和图样等宝贵的技术文件。至今， 不少的专 业制造商还在享用三化设计的成果。但是， 通过这 些年的应用， 发现按三化的设计文件制作的产品已 不能完全适应 目前的标准规范 、 市场用户和制造成 本的要求， 所以有必要对 中、 低压安全阀进行优化 改进 ， 本文介绍对中低压安全阀的优化研究 。 2 产品的标准规范背景 生产许可证， 其标准规范从 J B 4 5 2 7 7 发展到当 初的中国阀门协会 C V A标准 ， 性能要求已上 了一 个台阶。在这种情况下 ， 不少专业 厂家按三化设 计资料的图纸制造的产品不能满足标准规范的要 求 ， 在申领许可证的过程中型式试验过不了关 ， 这 样就被担搁下来了 ， 对安全 阀的设计开发水平也 停止不前了。 直至2 0 世纪8 O年代末 9 0 年初， 发布了国家 标准， 该标准的颁布实施， 标志着我国的安全阀制 造水平将要有质的飞越。标准 中的各项性能指标 均等效采用了 A S M E和 A P I 规范以及 J I S指标， 对不同型号的产品在材料 、 出厂的开启 和密封静 态指标、 使用中的排放、 回座、 开高等动态指标分 别提出了更高不同的要求。 安全阀从三化设计到2 0 世纪8 0年代的申领 3 安全阀的优化研究 收稿 日期 2 0 1 30 6 0 3 2 0 1 4年第4 2 卷第 1 期 流体机械 4 5 传统型安全阀如图1 所示。在三化设计文件 基础上进行改进 ， 改进型安全阀如图 2所示。 阀杆 弹簧 导向套 反冲盘 阀瓣 调节 阀 阀鹰 图 1 传统型安全阀结构示意 阀杆 弹簧 导向套 反 冲罩 阀瓣 阀座 图2 改进型安全阀结构示意 通过结构图的解剖分析 ， 将得到表 1 所示 的 相关制造数据 比对。 表 1 各项制造参数比对 传统型 A 改进型 l A 项 目 净重 毛重 材料费 加工费 加工效 精度指 净重 毛重 材料费 加工费 加工效 精度指 k g k g 元 元 率 ％ 标 ％ k g k s 元 元 率 ％ 标 ％ 阀座 ～ 7 ～ 9 1 4 o ～ 2 0 0 0 ． 8 1 ～ 7 ～ 9 ～l 4 o 2 0 o 0 ． 8 l 阀瓣 ～1 ． 7 ～ 2 ． 5 ～ 5 0 ～ 6 0 0 ． 9 l ～2 ． 1 ～ 4 ． 8 ～ 9 0 ～l 0 0． O ． 8 0 ． 8 导向套 ～ 6 ～8 ～1 2 5 一l 3 O O ． 8 l 5 ～ 6 。 5 ～ 6 0 ～ 7 0 l 0 ． 9 反冲盘 ～ 7 ． 2 ～1 4 ～ 2 2 0 一2 3 0 O ． 5 l 3 ． 4 ～ 9 ． 5 7 5 ～8 0 0 ． 9 0 ． 6 阀杆 ～ 2 ． 2 ～6 9 o 1 0 0 O ． 7 1 ～2 ． 7 ～ 7 ～l 0 o 1 0 o 0 ． 8 0 ． 9 调节 圈 ～ 1 ． 1 ～1 ． 5 一2 3 ～ 2 5 0 ． 7 0 ． 9 综合数据 一 _ 2 5 ． 2 ～ 4 1 ～ 6 4 8 ～ 7 4 5 0 ． 7 3 O ． 9 8 2 0 ． 2 3 6 ． 8 4 6 5 5 5 0 0 ． 8 6 0 ． 8 4 综合性能 基本符合标准要求 保持现行标准要求 注 以 A 4 2 Y一1 6 C 2 5 4 0型 D N 1 5 0的解剖 内件结构为例 。 从表可知， 传统型的内件两费为 1 3 9 3元， 改 全阀的主要动态性能指标 排放压力为≤1 ． 1 X 整 进型的内件两费为 1 0 1 5元， 两者相 比降低 了 定压力， 回座压力为I0 ． 8 5 x 整定压力。由此可 2 7 ． 1 ％； 在加工效率上两者相比可提高 1 3 ％； 在 见， 1 0 ％的过压和 1 5 ％的降压， 这在结构设计较 加工的精度指标上两者相比可降低 1 4 ％。 合理的普通安全阀中已有及大的富裕量。所以， 产品的综合性能指标保持现行标准要求。由 笔者提出了对三化设计作优化改进， 即图3中的 于现行标准对不同型号的安全阀其性能指标要求 无调节圈结构。 不同， 除蒸汽用安全阀外的空气或其他气体用安 a 开启状态 b 排放状态 c 停止状态 图 3 “ 1 A系列” 安全阀 当然此项改进需要结合大量的动态模拟试验 和升力与弹簧刚度的合理匹配。图 3 a 为静态 的开启状态， 此时， 改进前后的变化几乎不大， 图 3 b 为动态的排放状态， 由于有 1 0 ％的过压富裕 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 4 2， No ．1， 2 01 4 量， 微启时作用于阀瓣的集聚力减小到不影响排 放时的超过压力 ， 反之 由于集 聚力 的减小反而有 利于阀瓣回座关闭时的反力， 提高了回座压力。 所以从开启至排放通过反冲升力与弹簧刚度转换 匹配 ， 改进是完全可行的。经小批量试制 ， 各项性 能指标 比对见表 2 ， 经改进后 的方案推广到系列 产品， 并将系列产品命名为“ l A系列” 。这样， 经 改进后的 1 A系列产品其性价比远高于传统的三 化 设计 的老产品。 表2 1 A系列各项性能指标比对 传统型 改进型 指标项目 标准值 实测值 实测值 整定压力 MP a P 1 ． O 1 ． O 密封试验压 MP a 力 0 ． 9 P O ． 9 0 ． 9 密封泄漏率 泡／ mi n ≤2 O 5 0 排放压力 P M P a ≤1 ． 1 1 ． 0 4 1 ． 0 6 回座压力 P MP a I0 ． 8 5 P 0 ． 8 8 0 ． 9 开启高度 m m ≥2 5 2 2 2 6 无颤振、 机械特性 良好 完好 频跳等 的限制， 不能满足蒸汽介质的性能指标。蒸汽用 安全阀排放压力为 ≤1 ． 0 3 X整定压力 ， 回座压力 为≥ 0 ． 90 ． 9 3 X整定压力 。可见 ， 3 ％ 的过压 和7 ％ 一 1 0 ％的降压， 性能要求更高。为此， 进一 步改进开发 了受用 户欢迎 的比进 口价低 、 比 1 A 系列价高的高性能产品， 并将产品被命名为“ 2 A 系列” 。改进方案原理见图 4 ， 即可独立控制排放 升力和回座反力的上、 下双调节圈结构， 其动态的 独立控制参见图 5 。 注 以A 4 2 Y一1 6 C 2 5 4 0型 D N I 5 0的结构为例。 “ l A系列，， 安全阀由于受到使用工况和场合 图4 “ 2 A 系列” 安全阀 改进方案原理 阀杆 弹 簧 导 向套 上 调节 圈 阅瓣 下 调节 圈 阌座 图5 “ 2 A系列” 安全阀独立控制过程 下调节圈位置的上移可逐渐增大微启时的集 小批量试制， 各项性能指标比 对见表3 。 聚力 ， 这样来控制 3 ％的过压指标 ， 见图 5 a ； 上 表3 2 A系列各项性能指标比对 调节圈位置相对下移 ， 见图 5 b ， 气流转角增大 ， 反冲升力逐渐增大， 阀门易于克服弹簧压缩所产 生 的力使阀门开启排放 ； 反之 ， 上调节圈位置相对 上移， 见图5 C ， 气流转角趋于水平， 反冲升力逐 渐减小， 弹簧作用力易于克服回座反力使阀门及时 回座关闭， 这样又来控制3 ％ ～ 1 0 ％ 的降压， 见图5 d 。结构图可参见图5 e 。当上 、 下 2个调节圈 调整到一个最佳位置时， 可实现控制 3 ％的过压和 7 ％ 一1 0 ％的降压。该阀还能在出口消音器的排放 瞬间背压工况下达到蒸汽阀的最佳性能指标。经 1 A系列 2 A系列 指标项 目 标准值 实测值 实测值 整定压力P M P a P 1 ． 8 1 ． 8 密封试验压力 MP a 0 ． 9 1 ． 6 2 1 ． 6 2 密封泄漏率 泡／ ra i n ≤2 0 O O 排放压力 P MP a ≤1 ． 0 3 P 1 ． 9 1 1 ． 8 1 回座压力 P ， M P a ≥ 0 ． 9 0 ． 9 3 1 ． 6 l 1 ． 6 7 开启高度 m m ≥l 2 ． 5 1 3 ． 5 l 3 ． 5 机械特性 无颤振 、 频跳等 完好 完好 注 以 A 4 8 Y一2 5 4 O型 D N 8 0的结构为例。 下转第7 9页 2 0 1 4年第4 2 卷第 1 期 流体机械 7 9 [ 3 ] Z o h a r M A， J e l i n e k A， L e v y I B o r d e ． N u me ri c al i n v e s t i g a - t i o n o f a d i ff u s i o n a b s o r p t i o n r e f r i g e r a t i o n c y c l e [ J ] ．I n - t e r n a t i o n a l J o u r n al of R e f ri g e r a t i o n ， 2 0 O 5 ， 2 8 5 1 5 - 5 2 5 ． [ 4] Z o h a r M A， J e l i n e k A， L e v y I B o r d e ． T h e i n f l u e n c e o f d i ff u s i o n a b s o rpt i o n r e f r i g e rat i o n c y c l e o n f i g u r a t i o n o n t h e p e rf o r m a n c e [ J ] ． A p p l i e d T h e r ma l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7， 2 7 2 2 1 3 2 21 9 ． [ 5 ] L L i n ， Y W a n g ， T A 1 ． S h e m m e fi ， e t a l ， C h a r a c t e ri s t i c s o f t h e d i ffu s i o n a b s o r p t i o n ref ri g e r a t o r d riv e n b y t h e w a s t e h e a t f r o m e n gi n e e x h a u s t [ C] ． P r o c ． I M e h E V o 1 ． 2 2 0 p a r t E J ． ] c e s s Me c h a n i c a l E n gi n e e r i n g ． 2 0 0 6 ， 2 2 0 3 1 3 9 - 1 4 9 ． [ 6 ] 薛相美， 刘道平．无泵吸收制冷技术 [ J ] ． 制冷， 2 0 1 I ， 3 0 3 3 0 3 4 ． [ 7] V o n P l a t e n B C， M u n t e r s G C ． U n i t e d S t a t e s p a t ， 1 6 8 5 7 6 4 [ P ] ． 1 9 2 8 - 0 9 - 2 5 ． [ 8 ] A l b e r t E i n s t e i n L e o S z i l a r ， U n i t e d S t a t e s p a t ， 1 7 8 1 5 4 1 [ P ] ． 1 9 3 0 - 1 1 - 1 1 ． [ 9 ] 任秀宏， 王林． 新型太阳能风冷氨水吸收式制冷循 环的研究 [ J ] ． 流体机械， 2 0 1 2 ， 4 0 6 64- 6 8 ． [ 1 0 ] 邹云霞 ， 陈光明， 洪大 良， 等．两种吸收． 喷射复合 制冷循环 的对 比研究 [ J ] ．流体机械 ， 2 0 1 2 ， 40 2 6 1 - 6 5 ． [ 1 1 ] S h e l t o n S V ， D e l ano A ， S c h a e f e r L A ． D e s i g n ana l y s i s o f t h e E i n s t e i n r e f ri g e r a t i o n c y c l e [ c ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e Re n e w abl e an d Ad v a n c e d En e r g y S y s t e ms for t h e 21 s t C e n t u r y ．L a h a i n a ，Ma u i ，Ha w a i i ，1 9 9 9 ． [ 1 2 ] D e l a n o A ．D e s i g n ana l y s i s o f t h e E i n s t e i n r e f r e f r i g e - r a t i o n c y c l e[ D] ．The s i s ．A tl anta G e o r g i a I n s t i t u t e o f T e c h n o l o gy ， 1 9 9 8 ． [ 1 3 ] [ 1 4 ] [ 1 5 ] [ 1 6 ] [ 1 7 ] [ 1 8 ] [ 1 9 ] [ 2 0 ] [ 2 1 ] 王汝金 ， 刘道平 ， 薛相美． 改进型单压吸收式 E i n ． s t e i n制冷机的参数测量[ J ] ．机电产品开发与创 新， 2 0 0 7 ， 2 0 3 1 2 7 - 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7 0． 沈维道， 蒋智敏， 童钧耕． 工程热力学 第三版 [ M] ． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 0 0 ． 作者简 介 陈永军 1 9 8 9一 ， 男 ， 硕 士研究生 ， 主要从事 吸收 式制冷新技术 和节能技术方 面研 究 ， 通讯地 址 2 0 0 0 9 3上海 市军 工路 5 1 6 号上海理工大学制冷技术研究所。 上接第4 6页 4结论 1 优化改进后的 1 A系列产品， 其静态和动 态性能指标均达到并超过空气和其次气体用安全 阀现行国家标准要求。2 A系列产品达到并超过 蒸汽用安全阀现行国家标准要求。 2 通过优化改进 ， l A系列产 品的材料利用 率和加工效益有 了明显提高 ， 产 品成本得到 了显 著降低。2 A系列产品的性价比得到了提升。 3 改进后的产品在目前大批量生产的节能 降耗水泥窑锅炉上配套运行， 反应一致 良 好 ， 部分 产品已代替进口配套高性能指标的带消音器管道 匕。 参考文献 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] 柳国庆， 程宏杰， 李奇．高灵敏度高压安全阀的设 计 [ J ] ． 流体机械， 2 0 1 3 ， 4 1 7 4 7 - 5 0 ． 郭崇志， 朱寿林． 安全阀超压泄放瞬态动力学数值 模拟研究 [ J ] ．流体机械， 2 0 1 2 ， 40 2 3 9 4 4 ． 孙斌 ， 许安俊．高压止回阀断裂失效分析 [ J ] ． 压力 容器 ， 2 0 l 2 ， 2 9 1 6 7 - 7 2 ． 孔晓武， 阮晓芳． 先导式高速开关阀的优化设计与动 态仿真[ J ] ． 机电工程， 2 0 1 1 ， 2 8 7 7 8 9 - 7 9 2 ， 7 9 7 ． 张圣峰， 徐兵 ， 刘伟， 等． L U D V多路阀中节流阀的仿 真分析[ J ] ． 机电工程， 2 0 1 1 ， 2 8 9 1 0 3 6 1 0 3 9 ． 作者简介 陈立龙 1 9 6 1 一 ， 男， 教授级高级工程师， 主要从 事压力管道元件的研究、 开发和检测工作， 通信地址 3 1 1 1 2 2浙 江杭州市闲林东路 3 4号。