安全阀是一种不借助任何外力而利用介质本身的作用力排出一定流量介质的自动阀门。它是锅炉系统中使用最为广泛的一种安全装置, 用以防止系统压力超过允许的极限值, 确保锅炉系统安全运行。为了确保安全阀具有准确的起跳、稳定的排放、良好的回座和可靠的密封等性能, 应进行科学合理的性能设计和结构设计, 而在保证性能设计的前提下, 关键在于结构设计。

两种安全阀 (图 1) 具有相同的设计原理、工作环境和运行参数, 但在结构设计方面存在不同之处。

(1) 为增强零件配合的同轴度, 阀门都在零件上采取了向心结构设计。阀门 A的上弹簧座与调整螺母接触部位采用圆弧过渡, 同时铜螺母下端采用锥形结构, 但锥形面与圆弧面的配合却增加了产生卡塞的可能性。在试验过程中拆检时发现, 多数都存在上弹簧座与调整螺母之间的压痕偏向一侧的现象, 该结构的向心效果不理想。阀门 B 的调整螺母下端与向心滑块均采用圆弧过渡的结构, 接触面积较大, 减小零件之间的压强, 降低了卡塞的可能, 能够较好的配合, 增强了零件配合同轴度。

(2) 阀门 B设推力轴承。阀门 A在试验过程中, 每次调整螺母后, 首次起跳压力总是偏差过大。举例来说, 如果压紧螺母后连跳四次, 则第一跳压力明显高于后三次压力。在试验过程中, 采取向顺 (逆 ) 时针方向调整后再往逆 (顺 ) 时针方向稍微转动铜螺母的方法, 这种现象明显减弱(表 1)。经分析证明, 调整螺母与上弹簧座之间以及上弹簧座与弹簧之间存在较大的摩擦力, 在调整铜螺母过程中使弹簧产生了环向扭力, 影响了弹簧刚度值, 进而影响了阀门起跳精度。阀门 B 增加了推力轴承, 保证在调整铜螺母的过程中弹簧不产生环向扭转, 避免因弹簧环向扭力带来的误差。

1.阀体. 2.上阀体. 3.手动装置. 4.弹簧下座. 5.弹簧上盖. 6.调整螺母. 7.向心滑块. 8.推力轴承. 9.压杆 10.阀杆导向套. 11.阀杆. 12.钢球. 13.阀套. 14.阀瓣压盖. 15.阀瓣. 16. 导向套. 17.阀座

(注: 阀门 A 比阀门 B多件13和件14,阀门B比阀门A多件7和件8, 为便于对比, 将相对应的零件采用了相同的编号)

(a)阀门A.(b)阀门B

图1 安全阀结构分析

表1 阀门A试验过程中试验数据

(3) 阀门 A下弹簧座上部圆头处与调整螺母内径直接接触, 在轴向产生摩擦力, 影响阀门起跳性能。在前期的试验中就发现该接触面有很多划痕, 将该接触面进行抛光处理后, 阀门起跳性能有所改善。另外, 由于下弹簧座是活动部件, 其轴线并不固定, 依靠其顶压并限制压杆位置会降低零件配合的同轴度, 从而影响阀门性能。阀门 B 的压杆贯穿上下, 且上端由轴线固定的铜螺母限制, 增强了各零件配合的同轴度。

(4) 阀门 A的阀瓣采用组合方式, 比较复杂。阀门 B 采用单件方式, 简单实用, 故障率低。阀瓣与阀座密封面的平行度和同轴度对阀门性能影响较大。前期试验中, 阀门 A 出现密封性能不好的现象, 采取了提高阀瓣组合的同轴度和平行度的方式后, 密封性能有所提高。若采用阀门 B 的结构,只需保证单个零件的加工精度。

(5) 由于生产工艺限制, 阀门 A 和阀门 B都是先将阀座加工成型后再与阀座焊接, 因此焊后热应力释放过程中的变形是不可避免的。由于阀门各零件所用原材料相同, 阀座焊接过程中热输入量也相当, 阀门 A 的阀座较小, 因此焊后变形就相对较大, 而阀门 B的阀座较大, 焊接变形相对较小。在拆检过程中发现阀门 A 的阀座尺寸有焊后超标的现象。

阀门 A 和阀门 B的公称压力、公称直径、整定压力和排量等参数以及工作环境都十分接近, 整定压力允许的误差范围都为 0.07M Pa。表 2中列出的是阀门各自批次的试验验收数据。

试验数据证明, 阀门 A在一个批次的试验中各阀门起跳压力的最大值与最小值之差的平均值为0.06MPa。阀门 B在一个批次的试验中起跳压力的最大值与最小值之差的平均值为0.02MPa, 阀门的灵敏性和稳定性得到明显的改善。

表2 阀门蒸汽试验数据对比分析

安全阀在满足性能要求的前提下, 还应通过阀门灵敏性和稳定性方面的试验和对比分析, 对其进行产品结构设计的优化, 力求结构简单、合理和实用。