常压罐箱安全阀回座压力偏低问题研究

周建辉 李典

中车西安车辆有限公司 陕西 西安 710086

引言

各类铁路罐车、汽车罐车、各型罐箱几乎均装用了呼吸式安全阀这种安全附件。在研制罐箱用呼吸式安全阀过程中，笔者发现阀门型式试验时回座压力偏低的现象，针对这一问题进行了原因分析，找出了影响回座压力的主要因素，并提出了解决措施。改进后的安全阀经试验验证，回座压力达到了规定值，其他参数也很好地达到了设计要求。

1 安全阀回座压力的定义和要求

1.1 回座压力的定义

回座压力：安全阀排放后其阀瓣重新与阀体接触，即开启高度变为零时的阀门进口静压力。

安全阀回座压力太高，会频频开、关而造成频跳现象，不利于关闭后重新建立密封，回座压力太低，造成不必要的介质损失甚至环境污染。

安全阀的回座压力通常与阀门的整定压力相关联。整定压力，即安全阀在运行条件下开始开启的预定压力，在该压力下，在规定的运行条件下由介质压力产生的使阀门开启的力同使阀瓣保持在阀座上的力相互平衡[1]。

1.2 回座压力的要求

GB/T 12243规定当安全阀整定压力大于0.3MPa时，回座压力不低于整定压力的80%，NB/T 47064规定安全阀的回座压力不低于整定压力的90%，所以罐箱安全阀的回座压力要求高于国标要求。

2 罐箱安全阀型式试验问题

2.1 安全阀基本参数

所研制的安全阀为弹簧直接载荷式安全阀，为全启式，主要技术参数见表1。

表1 安全阀技术参数

2.2 型式试验情况

第一次型式试验除回座压力指标偏低，其他指标符合设计要求。第二次试验，将弹簧的刚度由35N/m提高到60N/m，发现回座压力指标满足了，但安全阀的排量大幅降低[2]。具体试验数据见表2。

表2 安全阀试验数据

3 原因分析

3.1 弹簧刚度不足

弹簧直接载荷式安全阀的动作性能主要是通过弹簧来控制的，弹簧刚度大小影响安全阀的性能。在设计安全阀时，如何确定弹簧的刚度很重要，刚度过大，阀瓣所受向下的作用力大，阀瓣回座快，回座压力大，但阀瓣向上抬升困难，影响安全阀的排量。反之，弹簧刚度过小，阀瓣所受向下的作用力较小，阀瓣抬升容易，阀门排量大，但阀瓣回座缓慢，易导致回座压力低。

3.2 阀瓣与阀体导向面配合间隙过小

阀瓣与导向面之间的配合间隙小时，阀瓣在抬升和回座过程中，会产生较大的摩擦力。

在阀瓣抬升阶段，受摩擦力影响，阀瓣抬升困难，很难达到设定高度，难以满足呼出排量要求。在阀瓣回座阶段，摩擦力在一定程度上阻止阀瓣回座，较大的摩擦力会削弱弹簧对阀瓣的下压作用，导致回座压力偏小。

3.3 阀瓣与密封面间环向和垂向间隙过小

由于全启式安全阀设有反冲机构，阀瓣开启速度很快，但是这种反冲机构在阀瓣回座过程中，受到与阀体密封面之间环向间隙和垂向间隙影响，气体很容易在此处凝聚。因此，当阀瓣与阀体密封面进行接触时，凝聚在此处的气体阻止了阀瓣与阀体密封面接触，导致回座压力偏小。

4 提高回座压力的改进措施

常压罐箱安全阀不设调节圈，无法通过升高或降低调节圈的高度来调整阀门的回座压力。提高回座压力只能通过调整安全阀的结构来实现。

4.1 提高弹簧刚度值

安全阀设计时，呼出弹簧一般按如下方式进行刚度计算。

其中，K：弹簧刚度，N/m；

F1：呼出整定时弹簧弹力，N；

P：呼出整定压力，MPa；

A：O形密封圈内部面积，mm2；

D：O形密封圈中径，mm。

排放压力条件下弹簧弹力为：

式中，F2：排放压力条件下弹簧弹力，N；

Pd：排放整定压力，MPa；

A1：O形密封圈外部至阀瓣边缘部分面积，mm2；

λ：排放压力减小系数。

λ为排放压力减小系数，该系数与阀门的结构等因素有关，是一个不确定值。当λ取值为0.1时，弹簧刚度计算为36N/mm，但试验回座压力仅为0.32MPa，与要求的回座压力不小于0.396MPa相差较大。

减小系数λ具有不确定性，只能通过试验验证合适的取值范围。因此，减小系数分别按0.15、0.2和0.25三个值计算，对应计算出3种不同刚度的弹簧，通过试验来验证来选择刚度最合适的弹簧。当λ=0.15时，对应弹簧刚度40N/mm；当λ=0.20时，对应弹簧刚度43N/mm；当λ=0.25时，对应弹簧刚度46N/mm。

4.2 增大阀瓣与阀体导向面配合间隙

为减小阀瓣与导向面间的摩擦力，防止阀瓣发生卡滞，确保阀瓣在运动过程中顺利抬升和回座，调整了阀瓣与导向面间的径向间隙。根据阀瓣与导向面接触部分高度值，阀体导向面内径，确定增大的间隙值。通过加工阀瓣外圆的方式来增大阀瓣与导向面间的径向间隙，将配合间隙单侧增大0.5mm。

4.3 增加阀瓣与阀体密封面间环向和垂向间隙

增大阀瓣与阀体密封面间的环向间隙和垂向间隙，使排放的气体不在此处凝聚而快速的泄放，从而达到提高回座压力的目的。由于提高回座压力的同时还要满足排量要求，因此，不能将阀瓣反冲凸边全部去掉，将阀瓣与阀体密封面间环向和垂向间隙各增大1mm，示意图见图1。

图1 阀瓣与阀体间隙示意图

5 解决措施的验证

5.1 模拟试验

对采取措施后的安全阀行了多次模拟试验验证。模拟试验按弹簧刚度、整定压力为原安全阀的0.5倍，情况如下[3]：

5.1.1 弹簧刚度为20N/mm和21.5N/mm时，阀瓣抬升明显，能够达到规定的抬升高度，回座压力也有明显提升，为整定压力的84.3%。但弹簧刚度为23N/mm时阀瓣抬升高度有限，不符合规定高度要求，说明弹簧刚度取23N/mm时过大，选择20/mm至21.5N/mm为宜。

5.1.2 阀瓣与阀体导向面配合间隙增大0.5mm后，模拟整定压力为0.22MPa时，回座压力可达0.17～0.18MPa，为整定压力的77.3%～81.8%。

5.1.3 增加阀瓣与阀体密封面间环向和垂向间隙1mm后，模拟整定压力为0.22MPa时，回座压力可达0.18～0.20MPa，为整定压力的81.8%～90.9%。

5.1.4 模拟试验同时增大弹簧刚度至20N/mm，增加阀瓣与导向面径向配合间隙0.5mm，增加阀瓣与阀体密封面间环向和垂向间隙1mm后，模拟整定压力为0.22MPa时，回座压力可达0.20MPa以上，为整定压力的90%以上。

在试验过程中，阀瓣抬升和回座流畅，无卡滞现象。

5.2 采取措施后的效果

改进后的罐箱安全阀再次进行了型式试验，回座压力达0.41MPa，为整定压力的93.2%，符合标准要求，其他检验项目均符合要求，具体检测结果见表3。

表3 改进后安全阀型式试验检测结果

6 结束语

弹簧刚度是影响安全阀回座压力的重要因素，增大弹簧刚度可有效提高回座压力，但受阀门排量要求限制，弹簧刚度不宜过大。

增大阀瓣与阀体导向面配合间隙，降低摩擦；增加阀瓣与阀体密封面间环向和垂向间隙，阀瓣回座时减少聚气，能有效提高安全阀回座压力。