安全阀用旋转切换阀结构设计

高 杨, 段淼淼, 何 睿, 韩英杰

(1.北京航天石化技术装备工程有限公司， 北京 100076；2.中国石油 抚顺石化公司, 辽宁 抚顺 113006)

TSG ZF001—2006《安全阀安全技术监察规程》[1]规定，安全阀一般每年需至少校验1次。然而对于某些重要的生产装置，由于过程控制或其他原因必须连续运行，因此需要将2台安全阀同时在线运行，并在安全阀的进口处安装切换阀，使其始终处于1开1备的状态，从而无需停车即可对安全阀进行在线检修或更换[2]。

安全阀常用切换阀有双截止型切换阀与旋转切换阀，其中旋转切换阀具有流阻小、重量轻、结构紧凑及便于安装的优点，在炼油、石化、空分、多晶硅等行业均有广泛的应用。为了实现较小的流阻、可靠的密封及便捷的切换，旋转切换阀的流道结构、密封结构和切换结构等需要专门设计[3]。

1 旋转切换阀工作原理及整体结构设计

1.1 工作原理

旋转切换阀需与安全阀组装后方能使用，二者组装整体示意见图1。工作时，旋转切换阀的2个出口法兰分别与2台相同的安全阀连接。

图1 旋转切换阀与安全阀组装整体示图

每台安全阀阀体侧孔与旋转切换阀阀体侧孔间连接泄出阀，用于排出残存在旋转切换阀阀座处的介质。平衡阀连通切换阀的两侧腔体，具有均衡阀瓣两侧的压力和消除阀瓣两侧压力差的作用，便于进行切换操作。

1.2 整体结构设计

旋转切换阀的整体结构见图2。压紧螺套、调整螺套、阀杆、转子及阀瓣等形成一个整体运动部件。

图2 旋转切换阀整体结构

进行切换动作时，旋转调整螺套使之向下带动压紧螺套压迫钢珠，钢珠作用在阀杆上，使阀杆向下带动转子向下运动，将阀瓣与阀座分离。当转子下端下降到底座下方的周向沟槽时，转子可以进行旋转。将指示器旋转180°，带动阀杆、转子和阀瓣构成的整体运动部件旋转到另一侧，旋转调整螺套，带动整体运动部件向上移动，使阀瓣与另一侧阀座闭合，完成切换。

2 旋转切换阀流道结构设计

根据API RP 520—2015《炼油厂泄压装置的定径、选择和安装》[4]，当安全阀的进口处连接配置有切换装置时，切换装置的设计应使其最小流通面积等于或大于安全阀的进口面积，并保证安全阀进口与被保护压力容器间不可恢复的压力损失不超过整定压力的3%。

流体流经阀门造成的压力损失通常以阀门的流阻系数表征。阀门的流道结构设计会影响阀门的流阻系数。旋转切换阀的流道可以简化为几段管道元件，分别计算每段元件的流阻系数，总和就是阀门的流阻系数。管道元件的流阻系数计算方法见阀门设计手册和ISO 4126-1—2013《安全装置超压保护》[5-7]。旋转型切换阀的实际流阻系数可以依据JB/T 5296—1991《通用阀门 流量系数和流阻系数的试验方法》测试及计算[8-11]。运用ISO 4126-1—2013《安全装置超压保护》附录C 中的计算方法计算旋转切换阀流道的流阻系数，且与实际工况较为吻合[12]。

2.1 结构模型

为方便设计计算，对旋转切换阀的流道进行简化，见图3。简化后，流道由2段弯管和3段直管平顺连接而成，分别标记为弯管1、弯管2、直管1、直管2和直管3。

图3 旋转切换阀的流道简化模型

2.2 设计计算

依据ISO 4126-1—2013《安全装置超压保护》附录C计算流阻系数。对于直管，流阻系数ξ为管道的沿程阻力系数λ与管道的等效长度L/d的乘积。计算公式如下：

ξ=λL/d

其中

式中，Rm为粗糙度，d为管道直径，L为管道长度，mm。

对于弯管，流阻系数需分情况计算。当δ≠90°时，可用如下公式计算。

当弯管的中心角δ=90°时，可直接查表获得ζ值。弯管流阻系数ζ(δ=90°)见表1。

表1 弯管流阻系数ζ(δ=90°)

3 旋转切换阀密封结构设计

旋转切换阀的阀瓣需与两侧阀座均配合密封，因此阀瓣结构的设计需保证阀瓣能有一定自由度，实现自动找正，弥补阀瓣运动过程中造成的位置偏差。

为实现阀瓣的自动找正，对阀瓣与转子的连接结构进行设计，见图4。阀瓣进入转子后螺纹脱扣，使阀瓣在一定范围内可以自由活动。阀瓣的球形面受转子斜面的推力，阀瓣与转子的导向面有微小的间隙，可有一定的自由度，实现自行找正。阀瓣的螺纹进入转子螺纹后脱开，既保证了阀瓣在密封找正时能灵活摆动，又保证在阀瓣切换时留在转子中不脱落。

图4 转子与阀瓣连接处局部结构示图

图4中阀座与阀瓣区域的密封采用软密封块结构，也可根据不同的工况和密封要求选择O型圈或者金属环等结构[13]。初始密封时，阀座内的气压和阀瓣背面的气压相同，转子在阀杆的带动下，带动阀瓣贴紧阀座。通过泄出阀泄放出阀座内的残余气体后，阀瓣背面的气压高于阀座内的气压，在压差的作用下，阀座与阀瓣间的密封更加可靠。

4 旋转切换阀切换结构设计

4.1 传动结构

旋转切换阀传动结构设计见图5。旋转指示器通过螺钉紧固在阀杆顶端，可显示阀杆转动的角度，从而指示转子的转动角度，指示器最终指向在用的安全阀。锁紧螺套与调整螺套通过螺纹相连接，由于锁紧螺套与调整螺套相连的螺纹为左旋螺纹，因此当调整螺套上下运动时，锁紧螺套始终与调整螺套一起运动。钢珠位于锁紧螺套、调整螺套及阀杆形成的凹槽内，将调整螺套的旋转运动转化为阀杆的垂直运动。钢球是传动结构设计中重要的传动部件，必须保证其承受的载荷小于GB/T 308—2002《滚动轴承 钢球》[14]中推荐的钢球压碎载荷。

图5 阀杆及与传动相关零件局部装配简图

4.2 轨道结构

当实现切换功能时，阀瓣将旋转180°到正对的另一侧的阀座位置，这样才能保证阀瓣和阀座的密封。为了使阀瓣顺利旋转到预定位置，在转子下端装入一个轨道螺钉，在底座上为轨道螺钉设计2个垂直轨道和1个半圆的周向轨道，见图6。

转子上的轨道螺钉轨道位于垂直轨道内时，转子只能沿轨道上下运动。当轨道螺钉从垂直轨道脱出后，转子可进行旋转。转子旋转180°到正对的另一侧阀座位置后，转子才可沿该侧的垂直轨道向上运动，确保阀瓣正对另一侧阀座。与轨道球阀原理相似，旋转切换阀的轨道结构设计保证了切换时密封面脱离接触后才转动，因此启闭过程中阀体与阀座为无摩擦操作，有效地解决了密封面磨损问题[15]。

图6 底座轨道结构示图

5 结语

介绍了旋转切换阀的工作原理和整体结构，从旋转切换阀的流道结构、密封结构和传动结构等重要结构设计展开分析。通过简化旋转切换阀流道，运用ISO 4126-1—2013《安全装置超压保护》工程算法快速计算流道的流阻系数，设计出满足API RP 520—2015《炼油厂泄压装置的定径、选择和安装》要求的具有较低流阻系数的流道结构。设计阀瓣与转子为大小圆弧结构，使阀瓣实现自动找正，从而弥补运动过程中的位置偏差，实现较好的密封。设计紧凑的传动结构，用旋转指示器指示旋转方向，通过钢珠将调整螺套的旋转运动转化为阀杆的垂直运动，并以底座的轨道限制转子的运动方向，从而可以实现准确的切换。上述结构设计可以使旋转切换阀具有较低的流阻系数、良好的密封性能和动作性能，满足相关标准要求和实际应用的需求。