新型先导式安全阀设计

新型先导式安全阀设计

目录

1文献综述...........................................................1

1.1安全阀概述...................................................1

1.1.1安全阀定义及其应用......................................1

1.1.2安全阀部件及原理........................................1

1.1.3安全阀分类..............................................3

1.1.4安全阀选用..............................................4

1.1.5安全阀研究现状..........................................5

1.2先导式安全阀.................................................6

1.2.1先导式安全阀结构与工作原理..............................6

1.2.2先导式安全阀研究状况....................................8

1.3存在问题及本文设计任务......................................10

1.3.1先导式安全阀冻堵案例分析...............................10

1.3.2先导式安全阀泄漏问题...................................11

1.3.3先导式安全阀存在问题的解决方案.........................12

1.3.4本文设计任务...........................................12

2结构方案设计......................................................13

2.1实际工况.....................................................13

2.2设计标准.....................................................13

2.3结构选型.....................................................14

2.3.1直接载荷式安全阀.......................................14

2.3.2先导式安全阀...........................................15

2.3.3常规先导式安全阀缺陷...................................16

2.3.4改进设计方案...........................................16

2.3.5最终选型...............................................17

2.4材料选择.....................................................17

2.5本章小结.....................................................18

3设计计算..........................................................19

3.1计算安全泄放量及安全泄放面积................................19

3.1.1实际工况设备及流速计算.................................19

3.1.3介质气体特性参数计算...................................20

3.1.4安全泄放量计算.........................................25

-II-

3.1.5泄放面积计算...........................................26

3.1.6计算结果汇总...........................................27

3.2弹簧刚度计算及强度校核......................................28

3.2.1主阀弹簧刚度计算及强度校核.............................28

3.2.2导阀弹簧刚度计算及强度校核.............................33

3.3阀体强度计算及校核..........................................38

3.4本章小结....................................................39

4结构设计说明......................................................40

4.1阀体设计....................................................40

4.1.1下阀体设计.............................................40

4.1.2上阀体设计.............................................42

4.2内部构件设计................................................44

4.2.1阀座...................................................44

4.2.2主阀瓣.................................................45

4.2.3活塞及活塞缸...........................................47

4.2.4导阀阀瓣...............................................49

4.2.5弹簧座与弹簧座套.......................................51

4.2.6调节套.................................................52

4.2.7阀杆...................................................53

4.3阀体外部构件设计............................................54

4.3.1阀盖...................................................54

4.3.2调节螺柱...............................................54

4.4本章小结....................................................55

5.1接收、装卸及贮存............................................56

5.1.1接收...................................................56

5.1.2装卸...................................................59

5.1.3贮存...................................................59

5.2安装前准备工作..............................................59

5.2.1安装场地...............................................59

5.2.2安装条件确认...........................................59

5.3安全阀的安装................................................60

5.4安全阀调试..................................................60

-ill-

5.4.1出厂试验...............................................60

5.4.2安装后的调试...........................................61

5.5安全阀维修..................................................61

5.5.1安全阀常见故障.........................................61

5.5.2维修方案...............................................62

5.6本章小结....................................................62

设计总结.............................................................63

参考文献..........................................................64

-IV-

1文献综述

1.1安全阀概述

1.1.1安全阀定义及其应用

安全阀是一种特殊的自动阀门，其特殊在无需外力开启或关闭，而是通过其内部的

介质压力达成其开启与关闭川。

安全阀的作用在于当系统内部压力超过额定安全值时，安全阀由于内部介质压力的

作用而开启，排出一定量的流体使系统的压力恢复到额定安全值一下以此来保护系统"L

安全阀广泛应用于工业过程中的锅炉、压力容器以及压力管道，是最常见的带压装

置保护器。

1.1.2安全阀部件及原理

化工设备经常会出现超压现象，为维持系统稳定与工艺安全，常用安全阀作为超压

泄放装置来进行设备保护，在安全阀出厂会有设定好的开启压力和泄放压力，即当系统

介质压力达到开启压力时，安全阀会自动开启，从而进行压力泄放，维持系统平衡，开启

压力的偏差不能超过±0.03倍的开启压力⑵，否则将有重大安全隐患。

表1.1特性比较

安全阀爆破片易熔塞

结构形式结构复杂结构简单结构简单

口径范围较小很大较小

压力范围较小很大很大

适用介质不适宜粘稠、结各种介质各种介质

晶介质

重复使用是否否

经常超压场合适用无法使用无法使用

灵敏性稍差高差

密封性差无泄漏无泄漏

更换与维护较复杂简单简单

安全阀一般使用的预紧压力元件为弹簧，与系统介质直接接触的部件为阀瓣，阀瓣

受力传递给弹簧，安全阀的开启即系统介质压力作用到阀瓣上，压力为P,阀瓣与介质

接触面积为A,阀瓣所受介质的力为压力与受压面积的乘积，即QPXA,弹簧的预紧力

为Fi,由此可知，当尸略大于n时，安全阀的阀瓣将被顶起，也即安全阀开启，介质

在安全阀开启时与安全阀出口连通，若介质无害则一般排放至大气，若介质较为危险则

排放至储存容器，可以根据介质类型选择安全阀出口法兰相接装置（或大气）。

超压泄放装置不止安全阀这一类泄放装置，还有爆破片、易熔塞等。

三者的特点对比如表l.lo

由表1」可知，安全阀拥有其他超压泄放装置唯一不具备的特性，即重复使用性。

爆破片原理是当系统超压时，爆破片爆破对系统压力进行泄放，由于爆破片爆破了,

因而当系统压力降低至正常工作压力后也无法再次进行密封，系统介质会一直排出，直

至介质全部排光。

易熔塞类似于爆破片，当温度达到易熔塞熔化温度时，易熔塞不再对系统进行密封,

介质同样会一直排出直至排光。

由于爆破片与易熔塞的不可重复使用，因而很多情况一旦超压，则会导致：

（1）严重污染。

（2）介质（工艺成本）大量流失。

（3）工艺停止，无生产（或运行）能力，损失生产时间。

安全阀由于设计巧妙，可以重复使用，从而避免上述情况。

安全阀重复使用的原理即回座的设定，当安全阀出厂后会设定一个回座压力，也即

当系统介质压力降低到回座压力时，泄放过程停止，安全阀重新关闭，对系统进行密封。

反冲盘

图1.1反冲盘

安全阀设计巧妙在于安全阀的一个结构一一反冲盘（图1.1）的设计，在安全阀关

闭时，系统介质只接触阀瓣，受力面积小，当安全阀阀瓣开启时，介质接触反冲盘，整

体受力面积变大，受力变大（起跳原理）⑶，因而即使随着介质泄放，压力降低，安全

阀依然能稳定的开启，当系统介质压力降低到介质的压力P与整个受力面积乘积（阀受

力）等于弹簧预紧力时，在弹簧的作用下安全阀实现回座动作（回座原理），从而安全

阀具有重复使用性，可以用于经常超压的场合。

1.1.3安全阀分类

安全阀可按以下多种方式分类

（1）安全阀的基本分类W

a）直接载荷式安全阀

用比如弹簧或重锤这样的机械载荷来克服阀瓣下介质产生的作用力的安全阀，同时

直接载荷式安全阀是最常见的安全阀。其优势为价格相较低廉，可以满足大多数要求不

高的场合，其劣势为不能保证零泄漏，会出现动作不可靠的现象。

b）平衡式安全阀

一种通过采取一定措施来降低背压对动作的影响到最低的一种安全阀。

c）先导式安全阀

一种特殊的安全阀，其部分分为导阀和主阀，主阀的开启是通过导阀排出的介质来

控制或驱动的，其中导阀本身同样也为直接载荷式安全阀，同时先导式安全阀又称作脉

冲式安全阀。其优势为可以保证零泄漏，可以保证开启、回座的可靠性，可以满足特殊

工况下的要求，其劣势为价格昂贵，拆装不便。

d）带动力辅助装置的安全阀

在借助一个动力装置的情况下使其可以在低于整定压力时开启的安全阀。

（2）按开启高度分类还可将安全阀分为微启式、全启式和中启式山

a）微启式安全阀

安全阀开启高度为流道直径的1/20,主要用于介质为液体的工况，同时也可以用于

小压力的气体介质工况。

b）全启式安全阀图

安全阀开启高度为流道直径的1/4,主要用于介质为气体的工况，其弹簧可用

ANSYS进行强度分析和疲劳分析⑸，可大幅提高效率并降低成本，进行有限元模拟使

用Pro/ENGINEERWF3建立弹簧有限元模型⑹。

c）中启式安全阀

安全阀开启高度在全启式和微启式之间，国内应用较少。

-3-

（3）按结构分类⑺

a）带有扳手（与不带扳手）的安全阀

扳手用于紧急泄压，同时可以检查阀瓣灵活度，当介质为空气或水蒸气时可以带有

扳手。

b）不封闭（与封闭）弹簧式安全阀

当介质为空气、水、水蒸气时，可以选用不封闭弹簧式安全阀，介质为其他时只能

选用封闭式安全阀。

（4）按载荷形式分类

a）非直接载荷式安全阀

先导式安全阀及带动力辅助装置的安全阀

b）直接载荷式安全阀

除上述非直接载荷式以外的安全阀

（5）按平衡内压的方式分类⑻

a）杠杆式安全阀

结构为杠杆连接阀瓣与重锤，用重锤的重力来平衡阀瓣所受介质的力的安全阀，调

节压力方式为调整重锤在杠杆上的位置，现已很少使用。

b）弹簧式安全阀

以弹簧压缩力来平衡阀瓣所受介质的力的安全阀，现基本使用的安全阀为弹簧式安

全阀或以其改进的安全阀。

1.1.4安全阀选用

安全阀在选用时要考虑几个方面：介质特性、工作温度、容器有无震动、工作压力

等。同时选用时要注意以下几点⑼：

（1）高温低压且容器或管道无振动的工况一般采用杠杆式安全阀。

（2）一般的无特殊条件的工况下一般可以采用弹簧式安全阀。

（3）易燃易爆或有毒介质采用先导式安全阀或全封闭式安全阀。

（4）压缩空气或蒸汽类介质一般选用半封闭式或开敞式的全启式安全阀。

（5）高压容器或安全泄放量较大的工况一般采用全启式安全阀。

（6）要求压力平稳或安全泄放量小的工况一般采用微启式安全阀。

（7）设定压力大于3.0MPa,温度超过235℃的气体为介质时，应选用带散热片的

安全阀〔⑼。

（8）介质为强腐蚀或剧毒性这样极度危险的介质，可选用带波纹管安全阀口叫

（9）背压较大的场合使用带波纹管安全阀。

1.1.5安全阀研究现状

安全阀研究现状如下：

（1）直接载荷式（通用式）安全阀

图1.2直接载荷式安全阀闭

直接载荷式安全阀结构如图1.2所示。

其一般用于背压低或非腐蚀性介质的场合,对于允许的背压要小于0.1倍的开启压

力，一般用于排放口连通大气的场合⑺。

（2）平衡波纹管式安全阀

介福出U

I.阀帽；2糊杆；3.弹簧；4.阀小5.导向第6.反冲盘；7阀艇；

8.谢方圈；9.倒座；10.阀体；IL放热器；12.波纹管；13.阀黑螺塞北

图1.3平衡波纹管式安全阀［房

平衡波纹管式安全阀结构如图1.3所示。

该类安全阀属于平衡式安全阀，是对于通用式安全阀的改进，将波纹管安装在阀盖

与阀瓣之间，将背压的影响降至最低，允许的背压小于0.3倍的开启压力。

（3）先导式安全阀

详细介绍与1.2节。

（4）碟形弹簧安全阀

将原本的通用式安全阀的弹簧换为碟形弹簧，改用为碟形弹簧，其弹簧所需空间变

小，安全性高，更容易维修更换〔⑵。

（5）外置微启式等变形并列式组合压缩弹簧安全阀

1压盖2弹黄（大）3弹簧（小）4阀瓣组件5压力表6阀体

图1.4外置微启式弹簧安全阀内

结构如图1.4所示。

该阀用于罐式集装箱，并列式组合压缩弹簧有效的减少了安装产品露出罐体的部

分，而且弹簧不与介质直接接触，使弹簧不会产生断裂，保证了整体安全性。

1.2先导式安全阀

1.2.1先导式安全阀结构与工作原理

先导式安全阀的组成结构如图1.5,部件有主阀、导阀、泄放阀、导管和接头等。

-6-

图1.5先导式安全阀内

其中导阀结构如图1.6o

5」.阀附6弹簧7泄放阀

图1.6导阀结构〔用

先导式安全阀的工作原理：正常工况下，系统介质通过导阀达到主阀阀瓣上方气室,

主阀阀瓣下侧介质压力与阀瓣上方气室的介质压力相平衡，而主阀弹簧给予主阀瓣预紧

-7-

力，因而若导阀不开启，则主阀将永远不会开启，当导阀开启时主阀上方气室与系统介

质的连通消失，气室中的介质通过导阀的排气接头迅速排出，此时主阀会顺利开启，动

作响应快，介质从主阀大量排出，当系统压力降低到整定压力的90%时，导阀关闭，系

统介质再次充满主阀阀瓣上方气室，主阀迅速关闭，保证整个系统的安全，同时保证了

无泄漏口久

1.2.2先导式安全阀研究状况

我国先导式安全阀的出现始于1988年刘志诚在《石油化工和设备》发表的《压力

容器用新型先导式安全阀》，而最新的关于先导式安全阀的研究是全塑料密封先导式安

全阀以及核级先导式安全阀。

（1）高压低温先导式安全阀〔⑸

图1.7为高压低温先导式安全阀系统原理图，这种先导式安全阀与普通的先导式安

全阀相差无几只不过稍稍改进了一下，介质通过控制阀（导阀）到达贮箱，而贮箱与主

阀的开腔连接，同样给予主阀阀瓣两侧相同的介质压力，而在导阀开启时，贮箱的介质

迅速由自主阀泄出，这样在主阀阀瓣上侧无介质压力，主阀顺利打开做到对系统压力的

泄放。

1.液双七箱2.控制阀

3.安全阀主阈4压力表

图1.7系统原理图（⑸

对于当时来说由于一般使用的还是直接载荷式弹簧式安全阀，对于大口径的直接载

荷弹簧式安全阀在设计、制造以及弹簧材料这些方面都存在较大的困难，因而更倾向于

采用这样的非直接作用式的先导式安全阀。其显著优势在于该系统中主阀对阀瓣的压紧

力相较与直接载荷弹簧式安全阀要大得多，这样在正常工况也即阀门关闭的时候密封更

加可靠，同时这样的系统其阀门的灵敏度也更高。

-8-

I.控制阀阀*2.控制阀阀取3.控制

何为滨4.连接管5.主阀活塞6.

主阀气缸7.主阀弹法8.主㈱腐座

9.上阀阀朝

图1.8介质作用于阀瓣上方的先导式安全阀।⑸

当然该高压低温先导式安全阀较于普通的先导式安全阀还是有一定的差别，在这个

系统中(如图1.8)主阀是倒置放置的，与介质从阀瓣下方流入的系统有所不同，而因

此贮箱中的介质压力就提供了阀瓣贴合阀座的压紧力，同样也是压力越高密封效果越

好。而且在正常工况下，主阀气缸内无介质作用力，只在系统超压时会在很短的时间内

通入低温介质，对气缸以及活塞的密封性要求不高，更加易实现。

(2)超高压大流量先导式安全阀［⑹

在2013年左右，工业上对安全阀的泄放流量以及灵敏度的要求越来越高，在这样的

情况下研究出一种如图1.9所示的先导式安全阀，即超高压大流量先导式安全阀。

图1.9超高压大流量先导式安全阀।⑹

-9-

该先导式安全阀的公称流量为2000L/min,公称压力为50Mpa。其采用锥阀结构，

这样即可以保证该安全阀有足够大的流量增益，满足工业上对大泄放量的要求。为减少

O形圈动密封对主阀芯的摩擦阻力，主阀上的动密封O形圈的压缩率设计为8%。采用

硬度为90的O形密封圈来提高O形密封圈的耐压能力。

（3）双导阀切换型先导式安全阀

图1.10双导阀切换型先导式安全阀

如图1.10为双导阀切换型先导式安全阀系统图，该安全阀是由外国公司提出的方

案，在该装置中，两个导阀不同时工作，其中一个处于工作状态，另一个为备用状态，

导阀的切换通过三通阀实现〔"I。

三通阀安装在仪表管，由于仪表管内介质在安全阀关闭时不流动，在安全阀开启时

流量特别小，因而压损很低可忽略不计，主阀在开启状态可以很快泄放掉超压介质，方

案成本低于其他快速切换安全阀装置（同规格），应用前景很好。

1.3存在问题及本文设计任务

1.3.1先导式安全阀冻堵案例分析

有如下经典案例网：

2009.2.25,中国石油新疆油田分公司呼图壁储气库作业区3号计量站的一个先导式

安全阀发生误跳，其开启压力为12.0MPa,误跳压力为8.0MPa。

-10-

2009.3.8,该作业区2、3号交汇管的先导式安全阀发生误跳，其开启压力为1l.OMPa,

误跳压力为9.0MPao

两个先导式安全阀经拆卸后发现导管结冰严重，经检测公司测定，两个安全阀均校

验合格，不存在安全阀本体故障。

对此进行案例分析［网：

（1）两个安全阀校验合格，表明安全阀不存在技术问题，又由于导管结冰严重，

可以认定为堵冻故障。

（2）由于导管的堵冻，系统介质无法到达主阀上腔，导致主阀密封压力不足，导

阀此时可以理解为一直开启状态，密封压力完全由主阀弹簧提供，此时整个先导式安全

阀可以理解为一个开启压力低于出厂开启压力的直接载荷式安全阀，因而当系统介质压

力没有达到原本开启压力时，安全阀便完成起跳动作，也便是误跳的形成。

1.3.2先导式安全阀泄漏问题

先导式安全阀的泄漏分为内漏和外漏两种情况“叫可能造成内漏的部位如下：

（1）主阀密封面（阀瓣）处泄漏

（2）密封圈处泄漏

（3）导阀泄压座处泄漏

（4）导阀密封面（阀瓣）处泄漏

可能造成外漏的部分如下：

（1）连接接头

（2）封盖处（主阀）

造成原因分析

（1）外漏原因分析

先导式安全阀外漏的主要是为连接件（螺栓、螺母等）松动造成的，一般是由于使

用或运输过程的震动导致。

（2）内漏原因分析

a）当安全阀开启时，密封面粘上管道或容器内的固体杂质，导致密封面不严或变

形，从而发生泄漏。

b）活塞的密封圈变形或损伤导致介质从主阀的上腔流至主阀出口，主阀上腔压力

降低，因而其与密封面作用力的差降低，导致主阀密封失效，由于主阀的密封压力不足,

安全阀发生内漏。

c）由于较脏的介质堵塞导管或过滤器，从而导致主阀上腔没有介质流入，同样由

于密封压力不足导致内漏。

1.3.3先导式安全阀存在问题的解决方案

解决方案如下：

（1）对于内漏的解决方案

时常检查接头和连接件，在其上涂抹肥皂液同时观察气泡是否产生，若有气泡产生

则紧固螺母直至无气泡产生为止。

（2）对于外漏的解决方案

手动开启安全阀，用排风设备将固体杂质吹掉，若无法吹出，则需拆装安全阀进行

清除杂质。

对于密封圈变形或损伤，更换相同的密封圈即可，需要注意的是在安装过程中不可

损伤密封圈。

对于导管或过滤器的堵塞，及时进行清洗即可。

（3）对于冻堵故障的解决方案

对先导式安全阀重新进行保温措施，对导管缠好电热设备并包裹好保温棉，并且制

定定期清理计划。

1.3.4本文设计任务

本文根据给定的工况设计一台新型先导式安全阀。

给定工况：进料管直径292mm,进气量2410m3/h,工作压力1.8MPa,介质为甲烷

气。

-12-

2结构方案设计

2.1实际工况

我们所需应用的实际工况为：用于甲烷气容器，工作压力1.8MPa,由于甲烷易燃

易爆，故而防止泄漏极其重要。

2.2设计标准

设计中要选用法兰规格，为保证密封性，设计选用整体法兰，故选用的标准为

GB9113-2010标准，技术条件参考GB9124-2010标准。

设计对规格的确定要参考GB1047标准和GB1048标准。

由于是对安全阀的设计，因而要参考安全阀相关标准GB12224,GB12241>

GB12243、GB28778-2012等标准。

安全阀设计中，弹簧的设计是关键，因而要参考GB1239.6标准。

对于螺纹的使用需参考JB1752标准。

对于阀体的设计要参考GB12229-2005标准。

对于安全泄放量以及安全泄放面积的计算要参考GB150.1-2011标准。

本论文所用到的设计标准如表2.1：

表2.1本文使用的设计标准

标准代号标准名称

GB/T9113-2010《整体钢制管法兰》

GB/T9124-2010《钢制管法兰技术条件》

GB/T1047《管道元件DN（公称尺寸）的定义和选用》

GB/T1048《管道元件PN（公称压力）的定义和选用》

GB/T12224《钢制阀门一般要求》

GB/T12241《安全阀一般要求》

GB/T12243《弹簧直接载荷式安全阀》

GB/T28778-2012《先导式安全阀》

GB/T1239.6—1992《圆柱螺旋弹簧设计计算》

JB/T1752《阀门结构要素外螺纹连接端部尺寸》

GB/T12229-2005《通用阀门碳素钢铸铁件技术条件》

GB/T150.1-2011《压力容器第1部分：通用要求》

-13-

2.3结构选型

2.3.1直接载荷式安全阀

调节螺钉

弹簧座

同杆

平衡活塞

次压力二J/i\!~I

阀座一一/—~

闭贪姆盖

图2.1直接载荷式安全阀结构U3

图2.1为直接载荷式安全阀结构图，直接载荷式安全阀主要结构为阀体、阀芯、弹

簧、导向套、阀瓣以及阀座【23,阀座与阀瓣位置如图2.2所示。其中在正常运行工况下,

阀体密封所需力由弹簧提供，因而容易发生泄漏，同时阀的频跳与振颤的发生也可能会

出现，而且其开启与回座的可靠性也不是极佳。

-14-

图2.2阀座、阀瓣位置口

容易发生下列情况：

(1)易发生泄漏

如图2.2所示，当弹簧提供的密封压力不足时，由于密封形式为硬密封，密封可能

出现失效，从而介质从图中画圈处泄漏。

(2)易发生频跳与振颤

而当回座压力高时，阀可能出现振颤、频跳等行为，振颤即为阀瓣反复抖动而不与

阀座接触，频跳则是在反复的开启回座，两者反复接触，频跳会损伤密封面，导致密封

失效，从而引发泄漏，而振颤会导致机械疲劳，隐患很大。

2.3.2先导式安全阀

I.阀体2阀班a主阀翻4导管5.弹警

6阀蠡7接头a泄放阀9导问

图2.3先导式安全阀结构口41

先导式安全阀有导阀、主阀两部分，其密封压力由弹簧以及系统介质提供⑶],也即

系统压力越大，主阀系统正常运行工况下的密封性越好，因而可以实现零泄漏，而且主

阀的开启与回座由导阀控制，因而其开启回座的可靠性很好。

因而在所要求工况下我们选择先导式安全阀作为初步选择，而常规先导式安全阀同

样存在缺陷，因而我们要对先导式安全阀做出创新改进设计。

-15-

2.3.3常规先导式安全阀缺陷

具体来说，先导式安全阀的问题主要在于以下三点

（1）移动以及使用和拆装的方便性

由于导阀与主阀为两部分，导阀在主阀外侧，因而在移动以及使用上会不够方便。

相对于先导式安全阀，直接载荷式安全阀更加方便使用，而且由于先导式安全阀分为两

部分，因而需要关注的连接点更多，在阀的拆装时，先导式安全阀更为复杂麻烦，而直

接载荷式安全阀由于结构简单，拆装很方便、容易。

相对来说直接载荷式安全阀更加方便，在方便性的方面上直接载荷式安全阀更有优

势。

（2）先导式安全阀的开启依赖导阀

先导式安全阀的工作原理在于，导阀关闭时，容器或管道中的介质会对主阀提供与

容器或管道内相同的压力，并以此达到完全密封，在导阀开启的同时会截断对主阀提供

的背压，因而主阀会可靠的开启。

而先导式安全阀的问题就在于，一但导阀无法正常开启，即如果导阀出现故障，那

么主阀将永远无法开启，因而容器或管道的压力无法泄放，压力积聚最终导致容器或管

道的破裂或爆炸。

2.3.4改进设计方案

将主阀、导阀设计在同一阀体中，即将导阀设计在主阀的阀体内（内置式先导式安

全阀结构图如图2.4）o以此设计出来的先导式安全阀在外观上与直接载荷式安全阀基

本无异，而且由于在同一阀体中，减少了原本两个阀体的连接以及两部分的复杂，因而

在拆装方面也较原本的先导式安全阀更加的方便容易。

-16-

图2.4内置式先导安全阀［⑼

由于先导式安全阀的工作太过于依赖导阀，对于要设计的新型先导式安全阀，由于

我们知道，压力F=PXS,即随着受力面积的增加，活塞所受压力会增大，因而在导阀

上放留出空隙，当导阀开启时，由于受力面积增大，主阀受力更大，因而主阀会顺利开

启，再将主阀的开启压力调为整定压力的110%,如此一来，在导阀出现故障而无法开

启时，主阀也会在介质压力超过整定压力10%时直接开启，以此解决导阀故障时会出现

的问题，对于主阀的开启压力具体值会在设计阶段重新分析设计，110%在此仅供参考。

2.3.5最终选型

基于上述，最终选型为改进后的新型先导式安全阀作为本次设计主体，由于导阀开

启时，系统介质二次作用于主阀，因而称为双作用先导式安全阀。

2.4材料选择

表2.2材料选用

部件材料

上阀体普通不锈钢

下阀体普通不锈钢

阀座马氏体不锈钢

阀盖马氏体不锈钢

阀杆马氏体不锈钢

弹簧格电凡弹簧钢

阀杆马氏体不锈钢

0型圈硅橡胶

其他见工艺说明

设计中要对安全阀各部件材料进行选用，要注意阀体、阀座、阀瓣、阀杆、弹簧以

及。型圈的材料选用。下面对每个部件进行分析：

（1）阀体要承压，同时支撑整个安全阀，阀体材料最好选用不锈钢，但并不需要

如316L等高强度的不锈钢，成本过高，因而选用普通不锈钢即可。

（2）阀座不仅承压，同时还会被冲击，因而阀座需要的强度更高，我们可以选择

硬度较高的不锈钢，如2cM3,同样也为普通的不锈钢，价格也并不高。

（3）阀瓣材料应与阀座相同。

（4）阀杆不仅受压，而且其若锈蚀则安全阀无法开启，因而阀杆也不能使用碳素

钢，可以选用与阀座相同的2Crl3等不锈钢。

（5）弹簧的精度要求较高，不能选用普通弹簧钢如60Mn弹簧钢，应选用各力学

性能优良的高级优质弹簧钢，即格锐弹簧钢。

（6）0型圈材料有丁晴橡胶、氯丁橡胶、硅橡胶等等，本设计中选用硅橡胶，因

为其具有优秀的抗老化性，同时也可在稍高温度工作，因而设计中优选硅橡胶作为。型

圈的材料。

各部件材料选用如表2.2：

2.5本章小结

本章阐述了设计对应的工况大致参数，对标准进行了选用，对比了直接载荷式安全

阀和先导式安全阀，对于本设计所对应工况，选择了先导式安全阀为基本主体，同时阐

述了先导式安全阀的不足，并且加以改进完善，从而确定设计一台新型双作用先导式安

全阀，采用内置式结构，弥补了导阀失效而导致安全阀无法开启的不足。最终进行了材

料的选用，给出了材料选用的大致方向，为后文的设计和计算做好了铺垫。

-18-

3设计计算

3.1计算安全泄放量及安全泄放面积

3.1.1实际工况设备及流速计算

本设计实际工况：

所需设计安全阀的连接容器为半球形封头卧式容器，如图3.1。

流通的气体介质为甲烷气（CH4）。

该容器的进料管直径为292mm,正常工作工况下的温度为25摄氏度，即:

T=298Ko

系统所需的甲烷气气量为qv2=2410m3/ho

3

因而进气量qvi=qV2=2410m/ho

而

=Axv(3-1)

式中：

v：进料管进气介质流速，m/s；

-19-

A：进料管横截面积，n?。

进料管直径：

J=292mm=0.292m

进料管横截面积A的大小为：

冗

A=2屋=0.785x0.2922=0.0669m2

4

因而将和A代入公式（3-1）可以求出进料管进气介质流速v：

2410

V------------------------二----1---0---m----/-s

A3600x0.0669

3.1.2泄放装置（安全阀）泄放系数及压力设定

由所需工况我们得知在正常工作条件下，容器工作压力为L9MPa。

设定开启压力Ps=2.0MPa。

排放压力Pd为1.1倍开启压力Ps,即：

Pd=l.lPs=2.2MPa

安全阀的额定泄放系数K：

K=0.75

由于介质为甲烷气，易燃易爆较为危险，因而不能向大气排放。

设置安全阀出口连接一个较大的收集容器，由于收集容器较大，因而泄放过程及泄

放后收集容器内压力几乎不变。

由此可认为泄放出口侧压力Po=0.1MPao

3.1.3介质气体特性参数计算

介质气体（CHQ摩尔质量M：

M=16.04kg/mol

介质气体（CH4）绝热指数%由表3.1可查出

表3.1部分气体性质㈤

临界压力临界温度

八十…摩尔质量M绝热指数4

气体分子式，PcT

Kg/kmol（0.013MPc

MPa（绝压）K

-20-

a,15℃时）

空气-28.971.403.769132.45

氮气N228.011.403.394126.05

氧气

0232.001.405.036154.35

氢气H22.021.411.29733.25

氯气

Cl270.911.357.711417.15

一氧化碳co28.011.403.546134.15

二氧化碳

co244.011.307.397304.25

氨NH317.031.3111.298405.55

氯化氢HC136.461.418.268324.55

硫化氢H2S34.081.329.008373.55

一氧化二

NO44.011.307.265309.65

氮2

二氧化硫

SO264.061.297.873430.35

甲烷

CH416.041.314.641190.65

乙焕C2H226.021.266.282309.15

乙烯C2H428.051.255.157282.85

乙烷C2H630.051.224.945305.25

丙烯C3H642.081.154.560365.45

丙烷C3H844.101.134.357368.75

正丁烷C4H1058.121.113.648426.15

异丁烷CH（CH3）358.121.113.749407.15

由表3.1查出介质气体（CH4）绝热指数k：

攵=1.31

介质气体（CH4）特性系数。由表3.2可查出

表3.2气体特性系数。22]

kC

1.00315

1.02318

1.04320

1.06322

1.08324

-21-

1.10327

1.12329

1.14311

1.16333

1.18335

1.20337

1.22339

1.24341

1.26343

1.28345

1.30347

1.32349

1.34351

1.36352

1.38354

1.40356

1.42358

1.44359

1.46361

1.48363

1.50365

1.52366

1.54368

1.56369

1.58371

1.60372

1.62374

1.64376

1.66377

1.68379

1.70380

2.00400

2.20412

由表查出介质气体（CH4）特性系数C：

0348

介质气体（CH。压缩系数Z由图3.2可读出:

图3.2中标识：

（1）纵坐标为压缩系数Z；

-22-

（2）横坐标为对比压力a；

（3）对比温度为图中线中部分。

可由公式（3-2）和（3-3）求出对比压力R以及对比温度A：

:介质泄放压力（MPa）⑷(3-2)

介质临界压力（MPa）

介质泄放温度（K）⑷(3-3)

'「介质临界温度（K）

对比压力

・修皿介质的覆放也度（K）a,介及的i1敏压力（MPa）_

用比W布麻而由k对比压力片.（皓HO

介质的嘴界质力（MPa）