安全閥的彈簧組件設(shè)計

劉覓

摘 要：介紹了安全閥彈簧的工作原理及其設(shè)計。采用符合ASME VIII的方法進行設(shè)計，滿足ASME標準所要求的設(shè)計參數(shù)，達到相應(yīng)的設(shè)計要求和產(chǎn)品表現(xiàn)能力以及使用效果。

關(guān)鍵詞：安全閥；彈簧；起跳壓力

安全閥用于保護壓力容器或者高壓管道，以防超壓發(fā)生爆炸等危害，廣泛應(yīng)用于電力與石油化工行業(yè)。

彈簧是安全閥的重要零部件之一，影響著安全閥的動作和性能。它與安全閥的靜態(tài)特性和動態(tài)特性密切相關(guān)。在安全閥設(shè)計時，要保證開啟靈活，在規(guī)定的壓力下，排出額定流量；當排至關(guān)閉壓力時，及時關(guān)閉，保證密封。彈簧質(zhì)量和性能的好壞直接影響到安全閥的整體性能，因此彈簧的設(shè)計在安全閥的整體研發(fā)中占有非常中要的地位。本文主要介紹圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計和相關(guān)計算方法，同時在彈簧的設(shè)計過程中也要給予彈簧剛度/預(yù)壓縮量/工作行程這三個重要參數(shù)的保證。

1 彈簧的設(shè)計

在安全閥除彈簧外的其他零件設(shè)計完成后，需要根據(jù)閥體、噴嘴、閥蓋等組成的特有流道，設(shè)計相應(yīng)的彈簧來滿足閥門的啟閉要求。這其中涉及到機械、流體等各個方面的實時動態(tài)的影響，因此單純計算和仿真無法滿足設(shè)計要求，需要通過實驗的方法確定兩個及以上的樣本彈簧的工作范圍，然后再通過實驗數(shù)據(jù)，推導(dǎo)出其他所有整定壓力范圍內(nèi)的彈簧的數(shù)據(jù)。

1.1 樣本彈簧A和B的工作范圍

1.1.1 測試得出整定壓力范圍

將彈簧A和B分別裝入安全閥中，將閥門安裝在測試管道中，通過測試得到閥門的最小整定壓力和最大整定壓力，以及相關(guān)的流量和流量效率等數(shù)值。為了保證測試環(huán)節(jié)的準確，測試管道以及測試溫度和流量傳感器的采用都盡可能的按照美國NB實驗室的要求來設(shè)計。管道的流量也要足夠大，可以讓閥門能夠持續(xù)的全開，以便能夠采集到相關(guān)的數(shù)據(jù)。

最小整定壓力是保證實際閥門流量效率不小于目標設(shè)計流量效率的壓力。

最大整定壓力是由調(diào)節(jié)螺釘擰到最底端所能達到的壓力。

1.1.2 計算彈簧系數(shù)SF

彈簧系數(shù)是表征同一系列安全閥整定壓力和彈簧剛度關(guān)系的一個重要指標，如果是同一系列閥門或者同一張ASME證書下的閥門，應(yīng)盡可能的使各個彈簧的SF數(shù)值在不超過5%，保證有類同的閥門性能。

1.1.3 整合彈簧系數(shù)

彈簧系數(shù)最小值為A和B兩個彈簧的最小彈簧系數(shù)的最大值：

F min = 最大值（FMIN_A，F(xiàn)MIN_B）

彈簧系數(shù)最大值為A和B兩個彈簧的最大彈簧系數(shù)的最小值：

F max = 最小值（FMAX_A，F(xiàn)MAX_B）

1.2 ASME 標準對于彈簧的要求

1.2.1 15%-80%原則

彈簧在閥門全開時的壓縮量應(yīng)不大于彈簧靜態(tài)壓縮量的80%，閥門關(guān)閉時的壓縮量不小于彈簧靜態(tài)壓縮量的15%（如下圖所示）。

當彈簧壓縮量超過80%，則處于壓縮量-彈簧彈力的非線性區(qū)間內(nèi)。如果使用在此區(qū)域的彈簧，就無法保證在使用上述彈簧系數(shù)時，閥門有穩(wěn)定和一致的開啟和關(guān)閉性能。

同理，當彈簧壓縮量小于15%，仍然是在非線性區(qū)間內(nèi)，因此在閥門關(guān)閉時，壓縮量不應(yīng)小于靜態(tài)壓縮量的15%。

如果壓縮量比值不大于80%并且不小于15%，即為滿足安全閥彈簧的線性區(qū) 間工作的要求，也滿足ASME標準的彈簧設(shè)計要求。

1.3 應(yīng)力驗算

彈簧在壓縮時受到剪應(yīng)力，因此需要驗算彈簧所受到的應(yīng)力是否超過許用剪應(yīng)力。為了達到穩(wěn)定的自由高度，在彈簧加工完成后，需要將彈簧在室溫情況下至少預(yù)壓并三次。預(yù)壓并完成后，在室溫下測量彈簧的自由高度，這被稱為彈簧的初始自由高度。測量完成后，再做三次壓并。放松彈簧后，等待十分鐘，再次測量彈簧高度，這被稱為最終自由高度。如果彈簧能夠恢復(fù)原高度的99.5%以內(nèi)，則合格；如果彈簧恢復(fù)后，總高與壓并之前的高度差距在0.5%以上，則不合格。因此，在計算彈簧剪應(yīng)力的時候，應(yīng)該以彈簧壓并做為設(shè)計條件。

1.4 新彈簧設(shè)計

在已有彈簧A和B的基礎(chǔ)上，設(shè)計新彈簧C 時，首先調(diào)節(jié)彈簧的剛度，根據(jù)下列公式計算得出最小和最大整定壓力，并且使得最小整定壓力與A或者B彈簧的最大整定壓力一致；其次，調(diào)整彈簧的線徑和彈簧直徑，使得彈簧C滿足15%-80%的原則；并且，同時要滿足應(yīng)力驗算的要求。以此類推，可以設(shè)計出D、E、F等彈簧，直到達到最大的整定壓力要求。同理，比A和B壓力小的彈簧也是類似的設(shè)計原則，保證新彈簧的最大整定壓力與A或者B彈簧的最小整定壓力一致。但是請注意，整定壓力無法無限小，因為到一定程度后，這幾個彈簧技術(shù)指標就會產(chǎn)生矛盾，那么就達到了該安全閥的最小整定壓力。整定壓力也無法無限大，因為整定壓力越大，所需要的彈簧就會越粗越高，需要驗證閥蓋是否有足夠的內(nèi)徑裝下彈簧和彈簧墊片，閥蓋是否有足夠的高度裝下彈簧和彈簧墊片。

最小整定壓力=彈簧剛度SpringRateFmax*閥門直徑SeatDiameter

最大整定壓力=彈簧剛度SpringRateFmin*閥門直徑SeatDiameter

2 其他彈簧設(shè)計要點

除了以上的設(shè)計要求外，彈簧本身的設(shè)計要點也需要考慮在內(nèi)，包括可制造性、制造成本和材料等因素。

2.1 彈簧參數(shù)

2.1.1 彈簧系數(shù)

彈簧系數(shù)決定了彈簧的強度，彈簧所引起的應(yīng)力和可制造性以及制造成本。

彈簧系數(shù)低于4，彈簧無法制造；彈簧系數(shù)在4和5之間的時候，制造難度大，成本高；當彈簧系數(shù)高于12時，數(shù)值越高，越難制造；當數(shù)值超過25時，則是會有非常昂貴的制造成本。

彈簧系數(shù)Spring index=彈簧中徑/線徑，此值最好在6到12之間。

當現(xiàn)有彈簧的彈簧系數(shù)不在6到12之間時，如果需要降低彈簧系數(shù)，那么彈簧的強度就會增加，需要增加線徑或者降低外徑；如果需要增加彈簧系數(shù)，那么彈簧的強度就會降低，需要減少線徑或者增加外徑。

2.1.2 彈簧穩(wěn)定性比值

彈簧穩(wěn)定性比值決定了彈簧在壓縮時是否會彎曲或者扭曲變形。

彈簧穩(wěn)定性比值=彈簧高度/彈簧中徑

當彈簧穩(wěn)定性比值大于4的時候，在閥門起跳時就有彈簧彎曲的風(fēng)險，因此在設(shè)計彈簧的過程中，要保證此值小于4。

2.2 彈簧材料

彈簧的材料也是彈簧設(shè)計過程中需要重點考慮的因素。如果不考慮防腐性能的情況下，17/7PH是一個很好的選擇，材料的機械性能很好；如果考慮防腐性能要求，則考慮304、316、Alloy750等具有防腐蝕性能的材料。如果有NACE要求，則可以考慮Alloy750。

當彈簧設(shè)計完成后，如果根據(jù)客戶的要求要更換其他材料時，是需要額外的驗證。彈簧供應(yīng)商有可能無法使用新材料來制造出合格的彈簧，這個時候需要將彈簧的線徑或者圈徑進行微調(diào)。

2.3 彈簧一致性

彈簧設(shè)計過程中，一些尺寸最好能夠共用，這樣可以減少零件數(shù)量，來降低庫存金額和庫存管理難度。

例如，在彈簧線徑和材料的選擇上，盡可能的事先征詢彈簧廠的意見，使用常用的線徑和材料，這樣可以明顯降低彈簧成本。另外，由于彈簧大小不同所造成的彈簧墊片和閥蓋的尺寸的變化，也應(yīng)該盡可能的控制，使得零件數(shù)量不會太過于零散。

3 結(jié)語

綜上所述，安全閥彈簧的設(shè)計的考慮因素眾多，既需要在閥門全開時達到規(guī)定流量，還要求在回落狀態(tài)時，得到合理的啟閉壓差；不僅滿足ASME標準，還同時滿足應(yīng)力驗算等要求。希望此文能夠拋磚引玉，供閥門設(shè)計工程人員參考，在日積月累的設(shè)計工作中，慢慢總結(jié)出自己的心得與經(jīng)驗。

參考文獻：

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