常壓罐箱安全閥回座壓力偏低問題研究

周建輝 李典

中車西安車輛有限公司 陜西 西安 710086

引言

各類鐵路罐車、汽車罐車、各型罐箱幾乎均裝用了呼吸式安全閥這種安全附件。在研制罐箱用呼吸式安全閥過程中，筆者發現閥門型式試驗時回座壓力偏低的現象，針對這一問題進行了原因分析，找出了影響回座壓力的主要因素，并提出了解決措施。改進后的安全閥經試驗驗證，回座壓力達到了規定值，其他參數也很好地達到了設計要求。

1 安全閥回座壓力的定義和要求

1.1 回座壓力的定義

回座壓力：安全閥排放后其閥瓣重新與閥體接觸，即開啟高度變為零時的閥門進口靜壓力。

安全閥回座壓力太高，會頻頻開、關而造成頻跳現象，不利于關閉后重新建立密封，回座壓力太低，造成不必要的介質損失甚至環境污染。

安全閥的回座壓力通常與閥門的整定壓力相關聯。整定壓力，即安全閥在運行條件下開始開啟的預定壓力，在該壓力下，在規定的運行條件下由介質壓力產生的使閥門開啟的力同使閥瓣保持在閥座上的力相互平衡[1]。

1.2 回座壓力的要求

GB/T 12243規定當安全閥整定壓力大于0.3MPa時，回座壓力不低于整定壓力的80%，NB/T 47064規定安全閥的回座壓力不低于整定壓力的90%，所以罐箱安全閥的回座壓力要求高于國標要求。

2 罐箱安全閥型式試驗問題

2.1 安全閥基本參數

所研制的安全閥為彈簧直接載荷式安全閥，為全啟式，主要技術參數見表1。

表1 安全閥技術參數

2.2 型式試驗情況

第一次型式試驗除回座壓力指標偏低，其他指標符合設計要求。第二次試驗，將彈簧的剛度由35N/m提高到60N/m，發現回座壓力指標滿足了，但安全閥的排量大幅降低[2]。具體試驗數據見表2。

表2 安全閥試驗數據

3 原因分析

3.1 彈簧剛度不足

彈簧直接載荷式安全閥的動作性能主要是通過彈簧來控制的，彈簧剛度大小影響安全閥的性能。在設計安全閥時，如何確定彈簧的剛度很重要，剛度過大，閥瓣所受向下的作用力大，閥瓣回座快，回座壓力大，但閥瓣向上抬升困難，影響安全閥的排量。反之，彈簧剛度過小，閥瓣所受向下的作用力較小，閥瓣抬升容易，閥門排量大，但閥瓣回座緩慢，易導致回座壓力低。

3.2 閥瓣與閥體導向面配合間隙過小

閥瓣與導向面之間的配合間隙小時，閥瓣在抬升和回座過程中，會產生較大的摩擦力。

在閥瓣抬升階段，受摩擦力影響，閥瓣抬升困難，很難達到設定高度，難以滿足呼出排量要求。在閥瓣回座階段，摩擦力在一定程度上阻止閥瓣回座，較大的摩擦力會削弱彈簧對閥瓣的下壓作用，導致回座壓力偏小。

3.3 閥瓣與密封面間環向和垂向間隙過小

由于全啟式安全閥設有反沖機構，閥瓣開啟速度很快，但是這種反沖機構在閥瓣回座過程中，受到與閥體密封面之間環向間隙和垂向間隙影響，氣體很容易在此處凝聚。因此，當閥瓣與閥體密封面進行接觸時，凝聚在此處的氣體阻止了閥瓣與閥體密封面接觸，導致回座壓力偏小。

4 提高回座壓力的改進措施

常壓罐箱安全閥不設調節圈，無法通過升高或降低調節圈的高度來調整閥門的回座壓力。提高回座壓力只能通過調整安全閥的結構來實現。

4.1 提高彈簧剛度值

安全閥設計時，呼出彈簧一般按如下方式進行剛度計算。

其中，K：彈簧剛度，N/m；

F1：呼出整定時彈簧彈力，N；

P：呼出整定壓力，MPa；

A：O形密封圈內部面積，mm2；

D：O形密封圈中徑，mm。

排放壓力條件下彈簧彈力為：

式中，F2：排放壓力條件下彈簧彈力，N；

Pd：排放整定壓力，MPa；

A1：O形密封圈外部至閥瓣邊緣部分面積，mm2；

λ：排放壓力減小系數。

λ為排放壓力減小系數，該系數與閥門的結構等因素有關，是一個不確定值。當λ取值為0.1時，彈簧剛度計算為36N/mm，但試驗回座壓力僅為0.32MPa，與要求的回座壓力不小于0.396MPa相差較大。

減小系數λ具有不確定性，只能通過試驗驗證合適的取值范圍。因此，減小系數分別按0.15、0.2和0.25三個值計算，對應計算出3種不同剛度的彈簧，通過試驗來驗證來選擇剛度最合適的彈簧。當λ=0.15時，對應彈簧剛度40N/mm；當λ=0.20時，對應彈簧剛度43N/mm；當λ=0.25時，對應彈簧剛度46N/mm。

4.2 增大閥瓣與閥體導向面配合間隙

為減小閥瓣與導向面間的摩擦力，防止閥瓣發生卡滯，確保閥瓣在運動過程中順利抬升和回座，調整了閥瓣與導向面間的徑向間隙。根據閥瓣與導向面接觸部分高度值，閥體導向面內徑，確定增大的間隙值。通過加工閥瓣外圓的方式來增大閥瓣與導向面間的徑向間隙，將配合間隙單側增大0.5mm。

4.3 增加閥瓣與閥體密封面間環向和垂向間隙

增大閥瓣與閥體密封面間的環向間隙和垂向間隙，使排放的氣體不在此處凝聚而快速的泄放，從而達到提高回座壓力的目的。由于提高回座壓力的同時還要滿足排量要求，因此，不能將閥瓣反沖凸邊全部去掉，將閥瓣與閥體密封面間環向和垂向間隙各增大1mm，示意圖見圖1。

圖1 閥瓣與閥體間隙示意圖

5 解決措施的驗證

5.1 模擬試驗

對采取措施后的安全閥行了多次模擬試驗驗證。模擬試驗按彈簧剛度、整定壓力為原安全閥的0.5倍，情況如下[3]：

5.1.1 彈簧剛度為20N/mm和21.5N/mm時，閥瓣抬升明顯，能夠達到規定的抬升高度，回座壓力也有明顯提升，為整定壓力的84.3%。但彈簧剛度為23N/mm時閥瓣抬升高度有限，不符合規定高度要求，說明彈簧剛度取23N/mm時過大，選擇20/mm至21.5N/mm為宜。

5.1.2 閥瓣與閥體導向面配合間隙增大0.5mm后，模擬整定壓力為0.22MPa時，回座壓力可達0.17～0.18MPa，為整定壓力的77.3%～81.8%。

5.1.3 增加閥瓣與閥體密封面間環向和垂向間隙1mm后，模擬整定壓力為0.22MPa時，回座壓力可達0.18～0.20MPa，為整定壓力的81.8%～90.9%。

5.1.4 模擬試驗同時增大彈簧剛度至20N/mm，增加閥瓣與導向面徑向配合間隙0.5mm，增加閥瓣與閥體密封面間環向和垂向間隙1mm后，模擬整定壓力為0.22MPa時，回座壓力可達0.20MPa以上，為整定壓力的90%以上。

在試驗過程中，閥瓣抬升和回座流暢，無卡滯現象。

5.2 采取措施后的效果

改進后的罐箱安全閥再次進行了型式試驗，回座壓力達0.41MPa，為整定壓力的93.2%，符合標準要求，其他檢驗項目均符合要求，具體檢測結果見表3。

表3 改進后安全閥型式試驗檢測結果

6 結束語

彈簧剛度是影響安全閥回座壓力的重要因素，增大彈簧剛度可有效提高回座壓力，但受閥門排量要求限制，彈簧剛度不宜過大。

增大閥瓣與閥體導向面配合間隙，降低摩擦；增加閥瓣與閥體密封面間環向和垂向間隙，閥瓣回座時減少聚氣，能有效提高安全閥回座壓力。