安全閥彈簧的應(yīng)力校核*

周 碧，王秋林

(1．濱特爾流體控制(上海)有限公司，上海 201712;2．上海閥門廠有限公司，上海 201814)

0 引言

安全閥作為超壓保護(hù)裝置，在石油化工、核電、火力發(fā)電、軍工科研等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。彈簧載荷式安全閥的開啟、關(guān)閉是通過彈簧實現(xiàn)自動控制，在各種工作狀態(tài)下，彈簧始終處于壓縮狀態(tài)，因此加載安全閥的彈簧絕大部分選用圓柱螺旋壓縮彈簧。彈簧是安全閥產(chǎn)品中關(guān)鍵的零件，彈簧對安全閥性能穩(wěn)定性和產(chǎn)品可靠性及閥門產(chǎn)品的成本有很大影響。

安全閥彈簧設(shè)計計算時，一般要根據(jù)彈簧剛度、彈簧力或彈簧變形量(彈簧的工作范圍)、彈簧自由高度、彈簧最大外徑等已知條件以及一些約束條件進(jìn)行彈簧計算，以決定彈簧的鋼絲直徑、彈簧中徑、有效圈數(shù)和總?cè)?shù)、彈簧節(jié)距等，彈簧計算中包括了彈簧應(yīng)力校核，詳細(xì)的彈簧設(shè)計計算見GB/T 23935《圓柱螺旋彈簧設(shè)計計算》。筆者將討論安全閥彈簧設(shè)計計算過程中的應(yīng)力校核。

1 彈簧應(yīng)力分布及應(yīng)力校核

圓柱螺旋壓縮彈簧的主要應(yīng)力為扭應(yīng)力，也存在彎應(yīng)力。當(dāng)螺旋角小于10°時彎應(yīng)力可忽略不計，因此在安全閥彈簧設(shè)計計算時，一般彈簧螺旋角限制為5°～9°?？赏ㄟ^有限元分析計算對安全閥圓柱螺旋壓縮彈簧進(jìn)行應(yīng)力分析，彈簧圓形截面上典型應(yīng)力分布如圖1。

彈簧應(yīng)力計算見式(1)和式(2)。應(yīng)力大小與彈簧力F、彈簧鋼絲直徑d、彈簧中徑D、彈簧曲度系數(shù)K有關(guān)。K可通過旋繞比C計算，如公式(3)。旋繞比C(又稱彈簧指數(shù))為螺旋彈簧中徑與彈簧鋼絲直徑的比值。如果C值小于4，彈簧制作就比較困難，而且彈簧應(yīng)力會比較高;如果C值大于12，彈簧就會很“脆弱”，纏繞以后容易松開，彈簧直徑也難以掌握。因此彈簧指數(shù)C值不能太大，也不能太小，應(yīng)在一定的范圍內(nèi)。國內(nèi)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定安全閥的彈簧指數(shù)C值為4～8，而國外的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍要廣些，一般C值為3～12。式中:d為彈簧鋼絲直徑;D為彈簧中徑;K為彈簧曲度系數(shù);C為彈簧旋繞比(又稱彈簧指數(shù));τ'為未修正的彈簧切應(yīng)力;τ為修正后的彈簧切應(yīng)力;F彈簧力。

圖1 彈簧應(yīng)力分布圖

2 國內(nèi)外彈簧應(yīng)力校核的差異

計算圓柱螺旋壓縮彈簧應(yīng)力時，需考慮彈簧鋼絲彎曲程度對應(yīng)力的影響而加以修正。應(yīng)力修正值就是彈簧的曲度系數(shù)K，式(1)是沒有修正的彈簧應(yīng)力值，式(2)是經(jīng)過修正的彈簧應(yīng)力值。有關(guān)式(1)和式(2)在彈簧的設(shè)計計算過程中的應(yīng)用，國內(nèi)的安全閥彈簧計算與國外彈簧供應(yīng)商的設(shè)計計算存在差異。

國內(nèi)的安全閥制造商和彈簧供應(yīng)商在彈簧設(shè)計計算時使用式(2)來校核彈簧應(yīng)力，將計算應(yīng)力τ與許用應(yīng)力［τ］比較，計算應(yīng)力小于等于許用應(yīng)力時合格，否則不合格，需要調(diào)整彈簧數(shù)據(jù)重新進(jìn)行彈簧計算。國外安全閥的彈簧一般由彈簧供應(yīng)商進(jìn)行彈簧的設(shè)計計算，使用式(1)來校核彈簧應(yīng)力，將計算應(yīng)力τ'與許用應(yīng)力［τ］比較來判斷彈簧是否合格。

對于安全閥的彈簧應(yīng)力校核按式(1)和式(2)中哪個公式計算更合理?可以從GB/T 23935標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行分析。彈簧的試驗負(fù)荷為測定彈簧特性時，彈簧允許承受的最大負(fù)荷。彈簧的試驗負(fù)荷按式(5)計算。

式中:Fs為試驗負(fù)荷;τs為試驗切應(yīng)力。

安全閥的彈簧屬于靜負(fù)荷，試驗切應(yīng)力τs與靜負(fù)荷許用應(yīng)力［τ］相等。現(xiàn)假設(shè)加載在彈簧的力為試驗負(fù)荷Fs，即F=Fs。分別將F代入式(1)和式(2)計算，計算結(jié)果如下。

按式(1)計算:τ'=τs=［τ］，彈簧合格。

按式(2)計算:τ=Kτs＞［τ］，彈簧不合格。

但顯然，F(xiàn)=Fs是彈簧允許承受的最大負(fù)荷，該彈簧應(yīng)該合格。所以按式(1)來校核彈簧的應(yīng)力更合理。但如果按式(2)進(jìn)行彈簧的設(shè)計計算，只有增加彈簧鋼絲直徑才有可能通過彈簧的應(yīng)力校核。

3 進(jìn)口彈簧與國產(chǎn)彈簧對比

下面以國內(nèi)生產(chǎn)的1000 MWe超(超)臨界火電機(jī)組再熱器安全閥中使用的彈簧為例來說明按式(1)和式(2)計算結(jié)果的差異。

1000 MWe超(超)臨界火電機(jī)組再熱器安全閥口徑大、整定壓力高，按安全閥產(chǎn)品的設(shè)計要求，安全閥彈簧的剛度要求為3 140 N/mm±157 N/mm(剛度偏差要求為±5%)，彈簧材料選用合金鋼。再熱器安全閥產(chǎn)品中使用了國外進(jìn)口彈簧，彈簧由著名的安全閥彈簧制造商HANSON公司提供，彈簧的主要參數(shù)及性能指標(biāo)如表1、2，彈簧是按式(1)進(jìn)行了應(yīng)力校核。產(chǎn)品已經(jīng)在裝置上運行2年，閥門的整定壓力穩(wěn)定，密封性能非常好。該產(chǎn)品優(yōu)越的性能，受到主機(jī)廠和電廠用戶的一致好評。

表1 進(jìn)口彈簧與國產(chǎn)彈簧對比

表2 彈簧K值

4 國產(chǎn)彈簧設(shè)計改進(jìn)及彈簧試制

彈簧是影響安全閥成本的重要零件，為了降低安全閥的成本，借鑒于國外彈簧設(shè)計經(jīng)驗，以式(1)為依據(jù)，在國內(nèi)設(shè)計制造一批彈簧，然后進(jìn)行一系列的試驗，以驗證彈簧的主要性能指標(biāo)。選用1．5G3-600 Lb安全閥整定壓力范圍為6．47～10．2 MPa的3個規(guī)格彈簧作為試制彈簧，彈簧主要參數(shù)如表3。由表3可見，修正后的彈簧切應(yīng)力均大于彈簧許用應(yīng)力750 MPa，如按式(2)進(jìn)行應(yīng)力校核，3根彈簧均不能通過。但按式(1)計算，3根彈簧均能通過應(yīng)力校核。

每個規(guī)格彈簧各制造3根，共9根彈簧。彈簧制造過程中，應(yīng)滿足如下要求:

(1)彈簧進(jìn)行加溫強壓處理，在極限負(fù)荷壓縮狀態(tài)下，溫度t=200℃，保持24 h。

(2)噴砂后按JB/T 4730的規(guī)定進(jìn)行磁力探傷，不允許有裂紋等缺陷。

(3)按GB/T 12243的規(guī)定進(jìn)行永久變形試驗。

表3所述9根彈簧檢驗合格后進(jìn)行彈簧疲勞試驗。根據(jù)安全閥的工作特點，安全閥彈簧的負(fù)荷類型應(yīng)屬于靜負(fù)荷，對彈簧進(jìn)行2 000次的疲勞試驗的次數(shù)應(yīng)該足夠。使彈簧從自由狀態(tài)下開始壓縮變形到最大工作負(fù)荷下的變形量，然后使彈簧恢復(fù)到自由狀態(tài)，這個過程為一個壓縮循環(huán)。

從每規(guī)格3根彈簧中隨機(jī)抽取1根彈簧(即一個規(guī)格取1根彈簧)，將彈簧安裝固定在專用設(shè)備上，調(diào)整設(shè)備行程，使彈簧最大變形量為彈簧最大工作負(fù)荷下的變形量。對彈簧進(jìn)行壓縮疲勞試驗，每200次循環(huán)后將彈簧取下放到彈簧檢測設(shè)備上測量彈簧的自由高度和剛度并記錄，直到每根彈簧累計完成2 000次的疲勞試驗。試驗結(jié)果如表4。

表3 國產(chǎn)試制彈簧

表4 彈簧疲勞試驗結(jié)果

由上表4中2000次疲勞試驗數(shù)據(jù)分析，與試驗前相比，自由高度偏差在±1%內(nèi)，剛度偏差在±2%內(nèi)，這些偏差均在合理可接受的范圍內(nèi)。因此按式(1)進(jìn)行彈簧的應(yīng)力校核可行合理。

5 結(jié)語

國內(nèi)的安全閥制造商和彈簧供應(yīng)商長期以來在安全閥的彈簧設(shè)計計算方面考慮了較高的安全系數(shù)，使用了較保守的公式，使安全閥閥蓋的外形尺寸過大，閥門成本增高。通過對國家標(biāo)準(zhǔn)中彈簧應(yīng)力計算公式的分析，結(jié)合國外彈簧供應(yīng)商的彈簧設(shè)計經(jīng)驗和國外彈簧產(chǎn)品的實際應(yīng)用情況，以及試制彈簧的疲勞試驗情況，論證了使用未修正的彈簧切應(yīng)力來校核彈簧應(yīng)力的合理性。國內(nèi)的安全閥制造商和彈簧供應(yīng)商可以參照式(1)改進(jìn)彈簧計算方法，為國內(nèi)的安全閥提供高質(zhì)量、低成本的安全閥彈簧。

參考資料:

［1］ GB/T 23935-2009．圓柱螺旋彈簧設(shè)計計算［S］．