安全阀的设计和制造

1、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

2、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

3、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动力锅炉9ASME锅炉及压力容器规范核动力设备10ASME锅炉及压力容器规范压力容器11DIN3320安全阀 安全关闭阀12API TRD421压力泄放装置-用于、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

4、安全阀及安全阀弹簧15JIS B8210-1994蒸汽及气体用弹簧安全阀16API 520.1-2000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18API 526-2002钢制法兰端泄压阀19API 527-1991泄压阀的阀座密封度20API 576-2000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标准第卷压力容器

5、 JIS B8210排放压力pd1.10ps1.10ps1.10ps1.10ps启闭压差pb1pspb1（不可调）pb1 (可调)pb1（不可调）pspb10.20.03（2.5%7%）ps(d015mm时pb115% psps0.3时pb10.03)15% ps0.20.030.215% ps0.215% ps整定压力的允许偏差pspspspspspspspsps0.5±0.0150.5±0.01570%ps±2%ps0.10.020.20.0250.5±3%ps0.5±3%ps70%ps±3%ps0.30.030.315%ps注：

6、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标准项目GB/T12243ASME标准第卷动力锅炉JIS B8210排放压力pd1.03ps1.03psps0.1时： pd ps+0.02ps 0.1时： pd1.03ps启闭压差pb1pspb14%ps且2po(直流蒸汽发生器及高温热水锅炉安全阀pb110% ps)ps0.1时：pb10.020.1ps0.2时：pb10.0250.2ps0.4时：pb10.030.4ps0.7时：pb1 0.040.1ps1.1时：pb10.05ps1.1时：pb14% ps

7、蒸汽动力锅炉用安全阀直流锅炉、再热器等用安全阀0.40.030.04直流锅炉、再热器等用安全阀 ps0.1时：pb10.020. 1ps0.2时：pb10.0250.2ps0.3时：pb10.03 ps0.3时：pb110% ps0.47% ps(4% ps) 10% ps整定压力的允许偏差psps0.5时： ±0.0150.5ps2.3时：±3% ps2.3ps7.0时：±0.07ps7.0时： 1% psps70psi时：±2psi70ps300psi时：±3% ps300ps1000psi时：±10 psips1000psi时：

8、±1% psps0.7时：±2psi0.7ps2.3时：±3% ps2.3ps7.0时：±0.07ps7.0时：±1% ps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/T12243ISO4126API RP 520排放压力pd1.20 ps1.25 ps启闭压差pb1ps0.3时：pb10.06ps0.3时：pb120% psps0.3时：pb10.06 ps ps0.3时：pb120% ps10%

9、ps整定压力允许偏差psps0.5时：±0.015ps0.5时：±3% psps0.5时：±0.015ps0.5时：±3% ps3密封性能指标 (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/T12243API 527JIS B8210密封试验压力ptps0.3时：ptps 0.03ps0.3时：pt0.9psps0.345时：ptps 0.035ps0.345 时：pt0.9ps取0.9 ps或回座压力二者中较小值最大允许泄漏率气泡数/mindo7.8mm Ps6.9时：40do7.8mm Ps6

10、.9时：20do7.8mm Ps6.910.3时：60do7.8mm Ps6.910.3时：30d07.8mm Ps 10.313.0时：80do7.8mm Ps10.313.0时：40d07.8mm Ps13.017.2时：100do7.8mm Ps13.017.2时：50d07.8mm Ps17.220.7时：100do7.8mm Ps17.220.7时：60d07.8mm Ps20.727.6时：100do7.8mm Ps20.727.6时：80d07.8mm Ps27.638.5时：100do7.8mm Ps27.638.5时：100d07.8mm Ps38.541.4时：100do7

11、.8mm Ps38.541.4时：100Ao0.307in2 Ps6.9时：40Ao0.307in2 Ps6.9时：20Ao0.307in2 Ps6.910.3时：60Ao0.307in2 Ps6.910.3时：30Ao0.307in2Ps 10.313.0时：80Ao0.307in2 Ps10.313.0时：40Ao0.307in2 Ps13.017.2时：100Ao0.307in2 Ps13.017.2时：50Ao0.307in2 Ps17.220.7时：100Ao0.307in2 Ps17.220.7时：60Ao0.307in2 Ps20.727.6时：100Ao0.307in2 Ps2

12、0.727.6时：80Ao0.307in2 Ps27.638.5时：100Ao0.307in2 Ps27.638.5时：100Ao0.307in2 Ps38.541.4时：100Ao0.307in2 Ps38.541.4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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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，

18、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

19、于6000N时，r=1.5mm就够了；作用力达18000N时，r=4mm。球面半径也可按安全阀口径来选取，即r=（0.050.08）d0。2)加于阀杆的载荷超过1000N时，阀杆端部用2Cr13钢制造，其硬度经热处理后达4043HRC。或在端部堆焊硬质合金，硬度不低于4548HRC。（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

20、撑面至少大于3/4圈。并且应满足平行度和垂直度的要求。2) 制造安全阀的弹簧材料主要采用60Si2Mn、50CrVA。在低温26910情况下，应选用含镍、铬、钼的不锈钢（ANSI304、316、321、1Cr18Ni9Ti等）；温度达到538时应采用含钨的低合金钢(W18Cr4V、30W4CrVA等)。系统的高温作用使弹簧的机械性能降低，弹簧力减小，导致安全阀提前起跳。为了避免这种后果，在设计安全阀时，设计一个隔热装置，采用隔热器或冷却装置把弹簧同排放的介质隔离开或导入冷却介质降低安装弹簧部位的温度。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

21、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，有的厂商生产的安全阀甚至有二个以上的调节圈。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。通常下调节圈安装在阀座的上部，上调节圈安装在阀瓣的导向套上。阀座调节圈（下

22、调节圈，也称助跳环）用来改变阀瓣与调节圈之间通道的大小，从而改变当阀门初始开启时压力在阀瓣与调节圈之间腔室内积聚程度的大小。当升高阀座调节圈时，压力积聚的程度增大，从而使阀门比例开启的阶段减小而较快地达到突然地急速开启。因此，升高阀座调节圈位置能使安全阀全开启压力（排放压力）降低，同时关闭压力（回座压力）也降低。反之，当降低调节圈位置时，排放压力升高，同时回座压力也增高。上调节圈用来改变流动介质在阀瓣下侧反射后折转的角度，从而改变流体作用力的大小，以此来调节回座压力。升高上调节圈时，折转角减小，流体作用力随之减小，从而使回座压力增高。反之，当降低上调节圈时，回座压力降低。当然，上调节圈在改变回

23、座压力的同时，也影响排放压力，即升高上调节圈时使排放压力有所增高，降低上调节圈使排放压力有所降低。但其影响程度不象对回座压力那样明显。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） 波纹管和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，在设计安全阀时，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活塞式两种，另外还有通过导向阀来平衡背压。（8） 提升装置利用扳手强制开启装置，可以使阀杆连同阀瓣一起稍微提起，使安全阀开启。按

24、照有关标准的规定，安全阀必须作定期的开启检查，因工艺流程的原因而不允许的例外。对于后面这些场合，安全阀不带强制开启装置。强制开启装置用来防止可能发生的阀瓣同阀座的焦结、冻结和粘着。强制开启装置不应在安全阀动作时对阀瓣的运动造成阻力。第二节安全阀关闭件的结构安全阀是锅炉、压力容器和压力管道等承压设备必备的安全装置，早期的安全阀是杠杆式或静重式安全阀，曾在低压和小容量锅炉上广泛应用。其缺点是笨重、占地面积大、性能差，后来出现了弹簧式安全阀，其结构简单、适用范围广、性能可靠。图2-1是最常用的弹簧式安全阀典型结构图。一、关闭件结构在弹簧式安全阀中影响动作性能、排放能力的部件主要是弹簧、阀座和阀瓣。在

25、安全阀发展过程中，改进的主要部件就是阀座和阀瓣的结构，弹簧的制造工艺和材料的改进以保证弹簧在超低温或高温的工况下的稳定性。早期的安全阀主要是利用气体的冲击作用原理，关闭件结构简图，它主要用于液体和气体工作介质，作为排量不大的泄放阀。图2-2安全阀关闭件的结构为了提升安全阀的排放能力，全启式安全阀结构的发展是按两条途径进行的。（1）增加受介质冲击作用的阀瓣的有效面积，使之迅速开启。通过加大阀瓣直径或在阀杆上装设独立的反冲盘作用，使安全阀开启时受介质流束冲击作用的面积增加了，达到阀门全开启。图2-2表示为了增大开启高度而显著加大了阀瓣的安全阀结构；图2-2所示的反冲盘结构是活动的，可以调节它在阀杆

26、上的位置。结构改变使得流束能充分发挥作用，缺点是为使安全阀关闭，需要大大降低系统中的压力，使弹簧力能够克服作用在阀瓣反冲盘面积上增大了的介质作用力，也意味着被保护系统中介质的大量损失。（2）提高安全阀开启高度的第二种方法是利用流束对于阀瓣或反冲盘的反冲作用。图2-2d表示利用力原理的关闭结构，从阀座中喷出的流束借助于阀瓣导向衬套或调节阀转向与阀瓣开启相反的方向，同时沿开启方向产生反冲力。角度不同则反冲力不同，而利用调节圈可以改变气体转向的角度。在用于气体和蒸汽的两段作用全启式安全阀中就利用了这个原理。两段作用的弹簧全启式安全阀，在结构设计时，充分地利用了膨胀气流的反冲作用力，从图2-1中可以看

27、出其结构的变化。这种安全阀带有喷嘴型的阀座、阀座和瓣上都设置了调节圈、同阀座分开的阀体和比进口尺寸大的出口支管。为了达到高的开启高度，既利用了增加介质冲击作用面积的原理，又利用了喷出流束的反冲作用原理。在开启高度下，所通过的介质排量是由阀座通道截面积改变决定，而不是由阀瓣打开的环状间隙截面积决定的。为达到理想的效果，全启式安全阀的阀座和阀瓣组合件的设计采用了各种结构型式，下面分别说明各种结构的应用组合。 图2-3常用的阀座和阀瓣关闭的各种结构式示意图。阀座上有调节圈和阀瓣上都有调节圈；c 阀座上有调节圈，阀瓣外有固定的衬套，衬套具有在阀瓣开启一段后形成转向槽的凸边d-阀座上有一个调节圈，阀瓣上

28、有两个调节圈；e阀瓣四周锥形罩；f阀座和阀瓣上都有调节圈，阀瓣上开有小孔。这些小孔在阀瓣行程上是敞开的图2-3全启式安全阀的阀座、阀瓣结构型式示意图图2-3是常用的一种结构，阀瓣设计成反冲盘，而阀座则设计成拉法尔喷管的流道形状，为调整开启压力和排放压力，在阀座上设置了一个调节圈。采用这种结构可以大致调整回座压力和排放压力。其结构简单，制造成本低。图2-3是双调节圈结构，上调节圈用来调节全开启压力（排放压力），下调节圈用来调节回座压力。可以比较精确调整回座压力和排放压力，适用于对超过压力较小的工况，这种安全阀调试过程比较复杂，制造成本也相对提高。图2-3所示的结构是阀座上设置有调节圈，阀瓣没有调

29、节圈和反冲盘，是利用导向套和开启的阀瓣形成一个反冲盘，这种结构也可获得较小的启闭压差。图2-3所示的带有三个调节圈的两段作用全启式安全阀的关闭件结构，可以更精确地调节安全阀的动作，以使安全阀在开启过程中的压力升高更小。下调节圈在安全阀开始开启时把流速反射到阀瓣上，帮助阀瓣开启；在安全阀进一步升高时，上调节圈的凸边形成转向槽，从而提供保证迅速升高所必需的反冲力。在一个上调节圈上，沿圆周方向开了一系列的小孔。另一个上调节圈就包围在这些孔上。当阀瓣在一定开启高度时，经由这些小孔泄放介质，从而保证更精确地调节安全阀的动作。在另一种结构设计中，类似的泄放孔在阀瓣行程的某一段内是敞开着的，如图2-3所示。

30、图2-3所示的结构比较特殊，没有采用调节圈，而把阀瓣设计成一个锥形的反冲罩，其间压力和排放压力都是不可调的，这种结构不太常用。图2-4所示的现代全启式安全阀具有用以开启和关闭的两个调节圈1和2。喷嘴形阀座3保证在阀座最小通道截面内气体的高速度高流速。两个调节圈彼此形成狭窄的间隙，把从阀瓣下喷出的气体引向下方；同时，流速的反作用力作用在阀瓣上，从面增大了安全阀的开启高度。在这种结构中有效地实现了阀座、阀体和容器法兰的连接，因为在这种情况下既达到了阀座、阀体和容器法兰的连接，因为在这安全阀还带有用来强制开启进行清理吹扣的扳手。图2-4全启式安全阀图2-5是美国某公司生产的全启式安全阀。主要用在动力

31、设备和石油、化学及其他工业部门的容器上。由于流速的反作用力，阀门开启时所需容器压力的升高是不多的。矩形截面的强力弹簧保证了安全阀能及时而迅速地关闭。在图2-5中可以看出，其阀瓣由阀瓣座和用耐腐蚀的硬质材料制成的特殊的阀瓣头组成。阀瓣头与阀瓣座为非刚性连接，能自行定位。不受阀瓣座同阀痤之间可能发生的偏斜的影响，从而改善安全阀的密封性。阀杆同阀瓣通过钢球或者借助于球面相连接，从而保证阀杆的对中，这种结构也便于修理。图2-6的安全阀结构中，阀座做成与阀体分离的喷嘴形式。因为阀体的变形不传递给阀座，所以阀座不受变形的影响。阀体与喷嘴之间的螺纹间隙的选择应使喷嘴能够自由膨胀而不受阀体变形的影响。对于在高

32、温高压下使用的安全阀，采用“热阀瓣”并将其嵌入到阀瓣座中。喷嘴和“热阀瓣”尺寸和材料应选配得当，热膨胀相同，不发生相对位移。阀瓣的导向套与阀体的连接是非刚性的，并且不接触热的或脏的介质，从而使安全阀容易开启和回座。阀杆和阀瓣之间通过淬火钢球来连接。能保证阀杆不受弹簧偏斜的影响而自动对准中心，并且能防止阀瓣被卡住。安全阀的弹簧配置在阀体外面，不与工作介质接触，避免了弹簧受热松弛而引起阀门提前排放。为了保护弹簧免受腐蚀，表面予以镀铬。为了减少侵蚀作用，阀座和阀瓣的外形也作了改进，保证流速方向平行于阀座面。在安全阀中采取了把阀瓣中央做成凸起，在阀座出口截面的内表面处做成倾角等措施。用于高温条件时，阀

33、门采取使弹簧不致受热的隔热措施，带有阀杆定心装置，以保证阀瓣可以无阻碍地沿导向套内孔运动。2关闭件结构设计（1）反冲机构设计阀瓣开启高度为h.04do的全启式安全阀被作为基本形式。为了保证全开启高度，利用了从阀瓣反冲盘喷出的膨胀气流的反冲作用力。为此，在阀瓣反冲盘上预制了深度为的转向凸边。当阀瓣全开启时，由导向套形成的附加凸边使得转向凸边的总深度增加到。转向凸边把流速折转到与开启方向相反的方向（见图2-7）。图2-5（美国某公司的）全启式安全阀1热阀瓣；2阀杆；3套盘；4圆盘；5腔室；6调节圈图2-6热阀瓣的全启式安全阀a阀门开启到高度h=0.3do,=0.1 do,=0.2 do,b阀门开启

34、到高度h=0.4do,=h-1=0.3 do图2-7全启式安全阀的流道示意图图2-7表示了转向凸边的存在是怎样影响从阀瓣反冲盘下喷出的流速的形状的。图2-7表示只有阀瓣反冲盘转向凸边对气流起作用时的流速方向。而从图2-7中可以看出，在一定的开启高度下，当固定导向套形成的附加转向凸边开始起作用时，流速发生了更大的偏转。同时，作用在开启方向向上的反冲力增大。为了保证安全阀在标准允许的压力升高和降低范围内开启与关闭，上述阀门结构中取阀瓣反冲盘转向凸边的深度为0.2 do。设计固定导向套时，应使其下端面离开阀座密封面的高度1=0.1 do。这时=h-1。其他反冲盘的设计也可参考这个进行，在设计完成后还

35、应该通过试验进行验证并修改。（2）阀座、阀瓣和导向套的设计阀座最好设计成与阀体分开的喷嘴型结构，由于阀瓣开启高度较大，介质出口亦较宽敞，这种结构的排量系数可达0.80-0.95。阀门密封面做成平面的，以便于加工和修理。当压力为20.0MPa以下时，采用“金属非金属”密封的关闭件以便保证密封。压力更高时则采用“金属金属”密封。若温度超过230，也应采用“金属金属”的密封。阀瓣的最重要的部位，是密封面和阀瓣运动导向的侧表面。在杠杆重锤式安全阀和微启式安全阀中，阀瓣通常具有沿阀座内孔滑动的下导向筋。这种结构的缺点：1）阀座流通截面小。2）阀瓣和阀座的导向滑动表面同工作介质接触，会发生腐蚀和污染，可能

36、导致阀瓣被卡住。所以，目前对于全启式安全阀规定仅采用阀瓣上部导向。当安全阀动作时，阀瓣沿着圆柱形导向套运动。导向套工作表面的高度取为（11.5）d。阀瓣和导向套之间的径向间隙对安全阀的动作有很大影响。间隙小时，由于阀瓣受热和氧化皮屑粒将间隙阻塞等原因，会造成阀瓣回座时不密封。为了防止阀瓣在导向套中被卡住，就必须按工作温度的不同，在阀瓣和导向套之间确保一定的间隙。表2-6中提供了阀瓣与导向套之间配合间隙的推荐值。对于蒸汽锅炉用安全阀，建议按阀瓣直径的不同采用更大的径向间隙。表2-7给出了阀瓣与导向套的径向间隙。2-6阀瓣与导向套的配合公差介质温度 零 件材料和硬度公称尺寸径DN（mm）50801

37、00150导向部分的间隙（mm）550阀 瓣2Cr13、330-370HB 0.50 0.550.60 0.70导向套2Cr13400-420HB600阀 瓣4Cr14Ni14W2MO1Cr18Ni9T0.65 0.80 1.10 1.40导向套4Cr14Ni14W2MO氮化处理表2-7阀瓣和导向套的径向间隙阀瓣外径 (mm)介质温度 300>300间隙 (mm)<400.350.4540600.500.6060800.550.65801000.700.801001200.901.001201401.101.201401601.301.40 第三节 安全阀密封一、安全阀密封结构1.

38、密封结构分类为了提高安全阀的密封性能，各制造厂商依据使用情况设计了很多的密封面结构，其分类如下：（1） 按结构型式分，如图2-8所示，基本上可分为9种型式：a、 h平面密封；b、d锥形密封；c球形密封；f、g刀形密封；e、i带弹性密封面的密封图2-8密封面型式1）平面密封（见图2-8a、h)目前应用最广泛的是“金属对金属”平面密封。平面密封在制造修理时比较简便，它不象锥形密封那样要求阀瓣对阀座具有高度的同轴度。2）锥形密封（见图2-8b、d）锥形密封用于压力较高的场合，因为制造精密并堆焊硬质合金情况下，能保证阀门开启的灵敏度高和动作稳定。通常在压力低于10.0MPa的蒸汽锅炉上，采用平面密封是

39、可靠的。压力在10.0-16.0MPa的锅炉用安全阀，则主要采用锥形密封。3）球形密封（见图2-8c）球形密封也适用于高压力的场合，性能类似于锥形密封，是锥形密封的一种。4）刀形密封（见图2-8f、g)刀形密封结构与平面密封类似，通常是刀形侧为金属，另一侧密封面为非金属的嵌入件，由于材料较软，易于形成可靠的密封，加工也远比金属对金属的要求低。5）带弹性密封面的密封（见图2-8e、i)带弹性密封面的密封结构用于系统内温度与排放侧温度相差较大时，温度的差异，阀座和阀瓣有可能发生热变形，导致密封失效。而弹性密封结构则能补偿热变形，达到有效的密封。（2）按阀瓣阀座密封副采用的材料组合分：1）金属对金属

40、，其中包括堆焊的硬质合金（见图2-8a、e）;2)金属对非金属（见图2-8fl）;3） 非金属对非金属。2.密封面结构设计原则（1）安全阀的密封性在很大程度上决定于本身结构的密封压以及制造和装配的精度。小口径阀门密封较为困难，要求十分精确地装配，否则就达不到密封。此外，就灵敏度条件来说同样也是不利的。安全阀口径愈大，克服阀瓣开启时的磨擦所需要的力对压紧阀瓣的力之比就愈小。由于阀体的出口其结构是不对称的，在受到阀瓣下方的介质加热时容易发生热变形。阀体紧固在压力容器上时容易引起机械变形。当阀座同阀体做成一体时，这两项变形直接传递给阀座密封面，引起密封面的变形。为了避免阀体变形，铸件应进行时效处理。

41、同时还应进行清理屑粒，以防止密封面损坏。（2）具有可拆卸的喷嘴形阀座的安全阀结构能防止阀体的变形传给阀座，喷嘴的形状为截头圆锥体，因此强度很高。喷嘴的结构又是对称的，它可以膨胀面不致引起密封面的变形。（3）在关闭件上嵌入某种适宜于密封的材料时，为了避免密封面上形成沟槽致损环，使用较硬材料密封面的宽度时，应大于较软材料的密封面宽度。（4）对于平面形式的密封结构，密封面宽度应做得尽可能小，以保证要求的密封程度。实际上密封面不是完全平的。它们不是在整个表面上，只是在一定的接触带上互相吻合。同密封力分布在整个密封面宽度上的情形相比较，接触带上的比压要大得多。由于接触带的位置不同，同样的重锤或弹簧外力作

42、用之下，安全阀却可能在不同的压力下开启。宽的密封面比起窄的密封面来，开启压力对于计算值的偏差可能更大。尽量不应采用宽密封面，因为这样的安全阀开启时压力可能大大地超过计算值。（5）为了避免阀杆偏心地压在阀瓣上，阀杆与阀瓣间的连接应当经一个淬火钢球或将阀杆端部加工成球形并淬火处理来实现，阀瓣与阀杆接触的端部应具有淬火钢制的碗形衬垫。这种结构保证了阀杆较好地对准中心而不受弹簧偏斜的影响，同时防止了运动零件之间互相卡阻。（6）设计安全阀时，应尽可能地使阀瓣承受弹簧力的着力点低于密封面，这样不至于产生影响密封的侧向力矩，否则弹簧力在密封面四周的分布可能不均匀。于是在比压较小的部位密封性可能遭致破坏。（7

43、）阀瓣导向部分的长度应不小于直径的80%，否则在开启和关闭时可能发生偏斜和卡住，致使安全阀关闭时可能不密封。为了避免阀瓣导向套中卡住，可对阀瓣导向套的表面进行振动滚压，在导向表面上造成微观起伏，以便储存润滑剂。（8）带有喷嘴形阀座的全启式安全阀，在阀瓣打开的间隙处的流动是平行于密封面的，其速度低于临界速度。在这样的条件下，密封面的侵蚀将小于微启式安全阀。（9）带弹性密封面的密封结构用于阀座和阀瓣有可能发生热变形的场合。当高温介质流过阀门温度降低很多，即介质具有焦耳汤普森应时，就会发生这种热变形现象。例如，在氮气和水蒸汽中进行的试验表明：同一个阀门对于氮气能够满意地密封，但对于蒸汽即完全不能保证

44、密封，造成大的泄漏。其原因是：被节流的水蒸汽使密封面冷却，在密封面材料中造成温度梯度，从而引起了密封面的翘曲。节流时的冷却程度取决于介质的种类及其初始参数。例如，对于饱和蒸汽，工作压力为17.0MPa时温度可能降低230，工作压力为8.5MPa时温度可能降低150。这将导致密封面的翘曲和侵蚀。高压和高温介质的情况下，达到密封更加困难。为了达到密封的目的，应该选择堆焊热膨胀系数较小的材料。为了克服在蒸汽中工作时密封面的热变形，采用了如图2-8e所示的所谓“热阀瓣”的密封型式。在这种密封型式中弹性密封面结构较薄，受热均匀，故而热变形亦较均匀。（10）安全阀的制造工艺必须保证阀座和阀瓣之间严格同轴以

45、及密封面之间严格平行。3新型密封结构（1）带金属支承和弹性密封圈的密封结构为保证开启压力准确，应尽可能减小密封面宽度，即密封面宽度越窄越好，但从承受弹簧的挤压力来看，密封面又应当做得宽一些，即越宽越好。兼顾两个方面的要求。有了新的结构形式。带有刀形金属密封面和弹性密封垫的安全阀只需要很小密封而比压，只要求被保护系统中的压力超过工作压力很小的值。在这种情况下也保证了开启压力的高度准确。但是，刀形密封面应是抗侵蚀和耐腐蚀的。如图2-9这种形式的密封结构，是最近才在安全阀中使用的，阀座1具有刀形密封圈2，阀瓣3带有嵌入沟槽5并用垫圈6压紧的非金属密封圈4，压紧的垫圈使非金属圈产生变形。非金属圈上方的

46、沟槽部分由孔道7同高压腔连通。1阀座；2刀形密封圈；3阀瓣；4非金属密封圈；5沟槽；6垫圈；7孔道；8二个金属平面之间；9垫片图2-9 带金属支承和弹性密封圈的密封结构由于介质压力作用在圈上，从而建立起可靠的密封。孔道还用来在系统卸压时从嵌圈空间排除介质。阀瓣和阀座之间具有约0.3mm的间隙，间隙的大小可通过垫片9来调节。在这种关闭件中，密封建立在阀座凸起的密封圈与弹性圈之间，其次，在弹性圈变形之后，在阀座和阀瓣的金属平面8之间也建立起密封。这种结构的关闭件可以防止当安全阀中无压力时由于外力而使弹性密封圈遭致损坏。带有弹性圈的密封结构用来提高密封性，消除振动，可用在寒冷和冰冻的条件下,可用在含

47、有坚硬屑粒的介质中,也可用在难于保持关闭件密封的情况下,并根据弹性圈的材料不同分别可达100230。（2）挠性阀瓣密封结构这种密封结构有一挠性阀瓣（见图2-10），阀瓣同阀座的接触面宽度随着阀前压力的减小而增大。图2-10 挠性阀瓣的密封结构在没有介质压力时，由于阀瓣的挠性，接触面积增大，能够避免过大的接触应力；而在开启压力下，接触面积减小，从而保证了开启的稳定性，阀座和阀瓣采用含18%铬的特种钢或特种铜制造。这种结构的一个最大优点是能对温度造成的阀瓣变形进行有效的补偿，可用于高温或超低温的工况。二、密封比压计算1密封比压的概念为了两个平面之间可靠密封，需要一定的力来使这些平面的不平整处变形，

48、从而使两平面相互之间在整圈圆周上连续接触。在规定的工作条件和所采用的阀门关闭件结构下，为建立密封而需要加于密封面的最小比压，取决于密封面内外的压差，密封面的材料、质量和宽度以及其他因素。对于容易变形的塑料材料，对密封面施加不太大的压力就能造成较大的塑性变形。使两个表面的不平整处相互吻合。金属密封面由于本身硬度高，产生塑性变形需要很大的力。所以，为了避免对密封面施加过大的压力，就应采用精密加工，如磨削和研磨的方法，尽可能地磨平密封表面的微观不平度以及消除不平面度。在工作压力时，作用在密封面上的比压大大低于钢的屈服点。在安全阀中无介质压力时，全部弹簧力都作用在密封面上，此时的比压可能超过材料的屈服

49、点，这就相当于对密封面进行了预压制。应考虑到在设备长期停止运行而安全阀中长期无介质压力时，由于大的比压作用的结果，可能使密封面损坏。除此之外，当阀瓣相对于阀座的位置不固定而可能发生相对转动时，预先压到屈服点就失去了意义。因此，在“金属金属”密封的安全阀中建立起绝对的密封，实际上是不可能的。只是应当力求使介质的泄漏量尽可能地小。应当指出，对于介质作用在阀瓣周围的安全阀来说，解决这个总是要容易些。采用比钢弹性大的材料，可以大大提高关闭件的密封性，因为弹性材料在比较低的比压下就开始变形并填满关闭件密封面之间的间隙。关闭件密封面的宽度决定了介质通路的长度。但是，随着宽度的增加。介质流动的阻力以及由于微

50、观不平度的变形面使介质通路堵塞的可能性也增加了。介质粘性也影响其泄漏量。粘性大的介质比粘性小的介质泄漏量小。气体介质和液体介质相比较，其泄漏量的差值就更大。由于毛细管作用，密封面的浸润性也影响到介质的泄漏量。因为油脂的存在会使表面的浸润性变差，所以，甚至很薄的油膜也会提高连接的密封性。保证关闭件的密封以及形成力的封闭链的各个零件并不是绝对刚性的，而是一定的弹性。因而在与介质压力有关的力作用下，这些零件的尺寸也会发生变化，这就引起了密封面上力的相互关系的变化。例如，安全阀中阀杆的拉伸可能引起关闭件的不密封或提前开启。建立关闭件密封的力的大小，受到装置中从工作压力P到阀门初始开启压力Ps的压力升高

51、范围的限制。在规定的压差范围内，应达到安全阀关闭件的密封并保证阀瓣的全开启。当不可能在规定的压力升高范围内使阀门密封时，则需重新设计密封面的结构。介质作用在阀瓣下方的安全阀在关闭状态下力的示意图（见图2-11）表明，作用在密封面上的比压就是由于图示的这些力而建立的。从内部作用在阀瓣上的是介质力与介质在密封面的渗透和介质压力在密封面宽度上的分布有关。对于这个问题的的研究表明，当小的比压作用在密封面上时（在安全阀中正是这样情况），介质压力在密封面上实际上是符合三角形分布规律的。可以认为，从内部作用的介质压力P是在直径为dob（即密封面平均直径）的面积上作用于阀瓣的。图2-11 安全阀关闭时的受力示

52、意图为建立密封所必需的最小密封力为：Fmin(dob)bqmin式中：qmin在安全阀关闭件中建立所要求的密封施加于密封面的最小比压，MPa。建立关闭件的密封，必须使用F密Fmin 。在工作压力时加于密封面的比压q密为： (2-1)在通常情况下，安全阀的介质压力是分布在密封面产均直径范围内的面积上。实际上却可能有差别，密封表面状况的不同，密封线的位置也可能不同，从而使压力分布的面积有可能大于或小于平均直径的面积。在前一种情况下，安全阀将开启得比计算得快一些。在后一种情况下，开启得迟一些，会使压力超过允许值。在这种情况下，阀门特性曲线QPf(H)同样会偏向使压力升高。这时，微启式安全阀在规定压力下的排放能力可能大大降低。密封面愈宽，阀座直径愈小，工作压力愈高，由于密封线偏离平均直径处面带来危险后果的可能性就愈大，后果也愈严重。由于介质在密封面之间渗透的面积的外轮廓线的形状较复杂，而密封表面本身又不是理想平面，所以作用在密封面上的实际比压可能与计算值之间有很大偏差。因而，密封面比压的数值是一个有条件的值，应当依据实际情况来确定。2常规结构密封比压的计算 金属对金属密封比压计算在图2-12中给出了仅供参考的金属对金属的