細長桿泄壓閥設計

宋 尚

（無錫斯沃特流體控制技術有限公司，江蘇 無錫 214028）

0 引言

目前經常被使用的泄壓閥主要有爆破片式、彈簧式、爆破針型泄壓蝶閥和先導式柱塞閥等，這些種類的泄壓閥雖然在長期的發展中取得了一定的成績，但因閥門本身的缺點明顯與國外先進的設備相比還存在著一定的差距，各個企業在選擇閥門的時候還是優先選擇國外閥門。

從20 世紀90 年代開始，ASME 鍋爐及壓力容器規范標準將爆破針型泄壓閥列為可以采用的非重閉式泄壓裝置，并在第VIII 卷第1 冊UG 篇對其制造、測試和使用作出規定[1]。另外，API RP 520《煉油廠壓力泄放裝置的定徑、選擇和安裝》中規定了爆破針型泄壓閥的設置、尺寸確定和安裝[2]。這些標準和規定為新技術的開發奠定了基礎。

本課題研究的內容是該設計產品能克服現有產品存在的不足，提供一種使用范圍廣，調節精度高，可重復使用，現場零件更換方便，即可以單獨使用又可以和任何種類的主閥配合使用的細長桿泄壓閥。

1 細長桿泄壓閥特點

1.1 常規泄壓閥結構特點

常規的泄壓閥都具有各自的缺點：

1）爆破片式不能重復使用，質量不好時容易疲勞導致失效，更換比較麻煩。

2）彈簧式載荷隨閥瓣升高變化大，性能動作受高溫影響大。

3）爆破針型泄壓蝶閥密封系統比較脆弱，容易導致泄漏，而且泄壓觸發機構過于復雜，精度不高，成本太高。

4）先導式柱塞閥相當復雜，而且與主閥直接相連，有使用局限性，不適合高溫和低壓場合。

1.2 細長桿泄壓閥特點

1）本發明充分利用細長桿失穩的歐拉定律，采用使細長桿兩端受力的結構，定位性好，精確度能達到±0.01MPa 以上。

2）本發明加工簡單，同軸度高，導向性好，密封部位完全避開閥體內壁上的圓錐螺紋孔，確保閥芯在運動過程中可以密封。

3）本發明無論單獨使用還是和主閥配合使用都能達到泄壓目的，確保在介質小壓差下也能順利推開或關閉閥門，達到現場使用要求。

4）本發明結構精巧，介質高壓輸入通道和介質低壓輸出通道的外端口均為圓錐螺紋接口，不僅方便與其他設備的方便快速連接，而且可以使泄壓閥遠離介質，避免受高溫介質影響。

5）本發明中的各個零件都進行模塊化生產，現場不用拆卸閥門就可以更換零件，維修方便，大大縮短檢修周期，降低成本。

2 細長桿泄壓閥結構方案設計

圖1 泄壓閥關閉時的結構示意圖Fig.1 Structural diagram when the relief valve is closed

如圖1、圖2 所示長桿泄壓閥的結構：圖中的細長桿泄壓閥主要由閥體1、上閥蓋4、底蓋7、閥芯2、閥桿3 和細長桿10 等組成，所述閥體1 為一圓筒體，所述上閥蓋4通過螺栓密封安裝在閥體1 頂部，所述底蓋7 通過螺栓密封安裝在閥體1 底部，上閥蓋4、閥體1 和底蓋7 形成一個封閉的圓柱體型腔；所述閥芯2 裝配在圓柱體型腔內并可以上下運動，所述閥桿3 下端連接閥芯2，閥桿3 上端從上閥蓋4 的中心通孔內穿過，閥桿3 頂部與一豎直設置的細長桿10 的下端連接，所述細長桿10 的上端連接在一支撐架上，所述支撐架固定連接在上閥蓋4 上；所述底蓋7 上設有介質高壓輸入通道14，該介質高壓輸入通道14 的內端口正對閥芯2 底部，輸入的高壓介質對閥芯2 底部施加壓力，閥芯2 再通過閥桿3 給細長桿10 施加壓力；所述閥體1 上設有介質低壓輸出通道15，該介質低壓輸出通道15 的內端口位于閥體1 的側壁上，當輸入的高壓介質壓力不足以使細長桿10 失穩時，閥芯2 保持不動，介質低壓輸出通道15 的內端口被閥芯2 封堵住；當高壓介質的壓力足以使細長桿10 失穩時，閥芯2 向上運動，介質低壓輸出通道15 的內端口打開，介質高壓輸入通道14 與介質低壓輸出通道15 連通起來，實現泄壓。

如圖1、圖2 所示，所述底蓋7 的內部中心位置設有一圓柱凸臺7a，閥芯2 的下部中心設有一圓柱孔，圓柱凸臺7a 密封滑動裝配在該圓柱孔內；圓柱凸臺7a 的軸向中心設有進氣通道16，進氣通道16 的外端口用于連接氣源；閥桿3 下部設有一可與所述圓柱孔密封滑動配合的密封頭3a，當細長桿10 未失穩時，所述密封頭3a 下端面與所述圓柱凸臺7a 上端面密封接觸，將進氣通道16 的內端口封堵住；當細長桿10 失穩時，密封頭3a 下端面與所述圓柱凸臺7a 上端面脫離接觸，進氣通道16 的內端口打開，氣體由進氣通道16 進入圓柱孔；圓柱孔與閥芯2 的內腔連通，并且圓柱孔的內徑小于閥芯2 內腔的內徑，所述閥芯2 內腔側壁上設有若干個沿周向均布的出氣孔2b，閥芯2 外周側壁上設有一環形出氣槽2c，若干個出氣孔2b 均與環形出氣槽2c 連通；閥體1 側壁上設有出氣通道17，環形出氣槽2c 與出氣通道17 的內端口連通，出氣通道17 的外端口用于連接主閥執行機構的氣源接口。

圖2 本泄壓閥開啟時的結構示意圖Fig.2 Structural diagram when the relief valve is open

如圖1、圖2 所示所述支撐架主要由支撐桿5、連接板6、鎖緊螺母13、固定螺母12 和固定螺栓11 組成，支撐桿5 下端螺紋連接固定在上閥蓋4 上，連接板6 安裝在支撐桿5 上端并用鎖緊螺母13 鎖緊固定，固定螺栓11 螺裝在連接板6 上并用固定螺母12 鎖緊，所述細長桿10 的上端連接在所述固定螺栓11 的下端。

圓柱體型腔的下部設有一環形臺階1a，閥芯2 下部設有一與環形臺階1a 相匹配的環形肩臺2a。這樣的結構配合可以提升閥芯2 與閥體1 間的密封性能，并且同軸度高，導向性好。上閥蓋4 與閥體1 之間夾裝有第一纏繞墊8.1，所述底蓋7 與閥體1 之間夾裝有第二纏繞墊8.2。所述閥芯2 外周面與閥體1 內壁面之間設有若干個第一密封圈9.1。所述圓柱凸臺7a 外周面與圓柱孔內壁面之間設置有第二密封圈9.2。所述密封頭3a 下端面鑲裝有第三密封圈9.3。所述閥芯2 上端面鑲裝有第四密封圈9.4。這些密封件的作用都是用來提升設備的密封性能。

如圖1、圖2 所示，所述閥桿3 頂部中心設有定位孔，固定螺栓11 下端面中心設有定位孔，細長桿10 的上下端分別置于定位孔內。這樣的結構有利于細長桿10 的裝配。所述介質高壓輸入通道14 的外端口和介質低壓輸出通道15 的外端口均為圓錐螺紋接口，這樣不僅方便本發明與其他設備的方便快速連接，而且可以通過螺紋連接使泄壓閥遠離介質，避免受高溫介質影響。

本發明的工作原理及工作過程如下：

介質高壓輸入通道14 的外端口連接管道內或者主閥前高壓區，當介質壓力未超過細長桿10 所能承受的力時，泄壓閥保持關閉（狀態如圖1 所示）；當介質壓力高于細長桿10 所能承受的力時，細長桿10 就會失穩變形，閥芯2 和閥桿3 會同時向上運動，介質就會進入到閥內，然后從介質低壓輸出通道15 的外端口排出，此時泄壓閥開啟（狀態如圖2 所示）。

當本發明與主閥配合使用時，進氣通道16 的外端口與氣源連通，出氣通道17 的外端口與主閥執行機構的氣源接口連接，當閥芯2 和閥桿3 向上運動時，進氣通道16 的內端口打開，高壓氣體會從出氣通道17 排出，推動執行機構帶動主閥工作。

3 細長桿的設計計算

本產品中細長桿的選擇是根據歐拉公式編寫軟件計算所得。按照客戶提供的壓力和需要閥門大小等參數，先大約確定閥門缸徑，計算出使細長桿失穩所需要的力，再根據市面上常見規格選定金屬絲的直徑，按公式算出長度后，比較細長桿和材質的細長比，根據多次試驗設定一個精確的細長桿失穩時的具體參數值。具體計算公式如下：

活塞向上推力：F=閥門活塞有效面積×介質壓力 （1）

壓桿臨界力（歐拉公式）：Plj=Π2EI/ (ul)^2=π2EI/L^2（2）

細長壓桿的細長比：λ1=4L/D（3）

材質的細長比：λ2 = (π^2NE/δ) ^0.5（4）

當λ1 ＞λ2 時，計算細長桿的屈服強度Wo1

Wo1= (Nπ^2E/λ1^2)x(πD^2/4)（5）

當λ1 ＜λ2 時，計算細長桿的屈服強度Wo2

Wo2=(δ-(δ/2π)^2xλ1^2/NE)x(πD^2/4)（6）

4 結論

本文從泄壓閥的現狀及細長桿泄壓閥的特點開始分析，總結了開發這種細長桿泄壓閥的意義及發展趨勢及常規泄壓閥的特點，又從結構上分析細長桿泄壓閥的特點及優勢。詳細地介紹了細長桿泄壓閥的結構方案設計，清晰地闡述閥門工作的原理，通過本文的閱讀能充分了解該產品的優點。