安全閥開啟壓力超差現象的研究

李 萌，張瓊偉，王姍姍，陳艷芳，董 浩

(河南航天液壓氣動技術有限公司，河南 鄭州 451191)

0 引言

某型號安全閥在試驗過程中，靜置約24 h后進行復試，出現首次開啟壓力明顯偏高現象。該安全閥為某型號泵組件配套產品，無法保證其在系統中的功能。為解決該隱患，對開啟壓力超差原因進行剖析定位，并制定了有效的措施，保證該安全閥的性能穩定。

1 安全閥的結構與工作原理

安全閥的功能是當泵組件出口下游堵塞，管路內壓力升高超過一定值時可以自動泄壓。當系統中介質的壓力達到預先的設定值時，安全閥自動開啟；當介質壓力降低，在彈簧力的作用下安全閥又自動關閉，保持系統內部壓力。安全閥的結構示意圖如圖1所示，主要包括殼體、活門、彈簧、調節螺母、鎖緊螺母、堵帽等零件。

圖1 安全閥的結構示意圖

2 故障描述

安全閥進行試驗，初始調整開啟壓力為614 kPa，靜置約24 h后重新進行試驗，開啟壓力共復試3次，發現開啟壓力為634 kPa、619 kPa、618 kPa，不滿足“開啟壓力610±10 kPa”的要求。

3 原因分析

安全閥開啟壓力要求為610 kPa±10 kPa。根據閥門相關文件要求，高精度安全閥整定壓力(開啟壓力)大于0.3 MPa時，整定壓力(開啟壓力)范圍為±7%整定壓力，該安全閥開啟壓力偏差為1.6%，要求更加嚴格[1-3]。根據安全閥故障現象，以安全閥開啟壓力超差為頂事件進行故障分析，并建立故障樹，如圖2所示[4-5]。

圖2 安全閥開啟壓力超差故障樹

3.1 彈簧問題

1)彈簧配合問題

彈簧配合的故障模式主要表現為彈簧裝配不居中，偏向活門組件孔壁一側。對這種情況進行受力分析(圖3)。

圖3 彈簧配合受力分析

當安全閥開啟時，彈簧被壓縮，彈簧與活門組件孔壁接觸并受孔壁的擠壓，從而形成居中的趨勢，此時彈簧端面受到活門組件的靜摩擦力。隨著壓力增加，活門組件橡膠部分的壓縮量持續減小，但還未脫離R面，仍能實現密封，此時彈簧壓縮量不斷增加。當彈簧壓縮量增加到一定程度，即活門組件與彈簧的擠壓力大于靜摩擦力后，彈簧向活門組件中部移動。彈簧與活門組件脫離后，擠壓力消失，靜摩擦力也同時消失。此后活門開啟，在氣壓力上的表現為首次開啟壓力偏高。此時因彈簧已經居于中間位置，再次開啟時不再有彈簧與活門組件的擠壓，所以靜摩擦力也不存在，氣壓力直接克服彈簧力實現活門組件開啟，在試驗時表現為第二次、第三次開啟壓力與第一次相比，較小[6-7]。

但是，根據試驗實際情況，安全閥在靜置一段時間后，首次開啟壓力仍然偏高，第二次、第三次開啟壓力會有回落。在安全閥靜置時，彈簧居活門組件中部，受預緊力，沒有任何徑向的推力可以出現靜摩擦力，且安全閥保持豎直放置，也就說明彈簧會一直居于中部位置，第一次、第二次、第三次都應保持相同或相近的開啟壓力。因此靜置一段較長時間不會引起彈簧與活門組件的重新接觸，也就不會出現安全閥首次開啟偏高，第二次、第三次開啟正常的現象。

彈簧配合故障模式假設與實際試驗現象矛盾，因此，X1彈簧配合故障模式可排除。

2)彈簧失效

該安全閥選用彈簧材料為奧氏體不銹鋼絲12Cr18Ni9，具有優良的抗腐蝕性能，其設計圖樣滿足規范要求。

彈簧的失效模式主要表現為彈簧長期受預緊力，自身剛度會下降，預緊力也會不斷下降，導致安全閥活門組件開啟壓力變化，從而形成失效。

對經返修后的安全閥按技術通知單進行壽命試驗(1000次)，安全閥開啟壓力在604～619 kPa之間，符合技術指標要求，且彈簧經多次重復壓縮后，回復穩定性較好。因此，X2彈簧自身問題的失效模式不成立。

3.2 導向面配合問題

導向面配合問題導致安全閥首次開啟壓力超差的原因在于配合間隙不合理或導向面摩擦力的存在，使活門組件與殼體發生卡滯，導致活門組件在受到氣壓力的時候不能正常開啟。

針對配合間隙的問題，安全閥的密封副是活門橡膠面與殼體R面，依靠彈簧提供的力使兩者緊密貼合，達到密封效果。橡膠面在彈簧力的作用下會產生壓痕，當安全閥開啟后再次回落，殼體R面與產生的壓痕需重合才能產生良好的密封效果。因此導向面即活門外圓和殼體內孔需要較小的配合間隙。由于該產品最終使用的介質為液體，間隙也不能過小。設計要求活門外圓與殼體內孔兩者之間的配合間隙為0.04～0.123，且活門外圓和殼體內孔粗糙度均要求Ra0.8，因此二者之間的摩擦力很小。間隙的設計符合安全閥設計規范的要求。分解故障件，并未見殼體內孔及活門組件外圓有明顯可見劃痕，可判斷該狀況并不存在。此故障模式X3可以排除。

3.3 橡膠與金屬配合問題

1)橡膠與金屬粘結

安全閥的密封副是活門橡膠面與殼體R面。其中，橡膠采用氟橡膠F108，R面所在的殼體材料選用鈦合金TC4。

按照界面熱力學理論，兩種不同材料的界面在表面張力、極性、引力常數等參數接近的情況下，材料分子混合產生一定的結合力。氟橡膠F108與鈦合金TC4的表面張力、極性、引力常數存在明顯差異，基本不產生結合力，即氟橡膠F108與鈦合金TC4不存在粘結的現象[8]。

因此，此故障模式X4可以排除。

2)橡膠與金屬的真空吸附

由橡膠及鈦合金R面形成的密封副在彈簧預緊力作用下，會形成密封。此時，橡膠面內陷，與鈦合金R面緊密貼合。其示意圖如圖4所示。

圖4 橡膠面與鈦合金R面密封副示意圖

其中，橫貫整個示意圖的平滑曲線為橡膠面的邊界，與之貼合的是鈦合金R面的邊界，它們貼合的寬度為2b。在貼合面內，若經長期靜置，橡膠面不斷變形，與鈦合金R面逐漸趨于緊密貼合，其中的氣體分子會受到擠壓而溢出貼合面，貼合面形成局部真空。

若短時靜置或連續動作，其中的氣體分子仍殘留于貼合面內。開啟之后安全閥的活門再次回落，無法迅速達到最初的緊密貼合狀態，然后進行第二次開啟，安全閥開啟壓力基本恢復正常。靜置一段時間之后再次進行試驗，首次開啟壓力仍然偏高。綜合橡膠與鈦合金R面的分析，與故障現象首次開啟壓力超差，第二次、第三次開啟壓力正常，短時間內開啟壓力正常，長時間放置后會再次出現首次開啟壓力超差，第二次、第三次開啟壓力正常的現象相符。因此，X5故障模式不能排除。

綜上所述，造成安全閥開啟壓力超差主要是由橡膠與殼體R面配合時壓痕深，兩者之間存在真空吸附造成的。

4 機理分析

橡膠面與鈦合金R面的密封副類似于圓柱體和平面接觸，可以采用赫茲公式對接觸寬度進行計算。其接觸示意情況如圖5所示。

圖5 圓柱與平面接觸示意圖

(1)

其中，2b為接觸面寬度，mm；r為接觸面半徑，mm；μ1為鈦合金R面泊松比，無量綱；μ2為橡膠泊松比，無量綱；E1為鈦合金R面彈性模量，GPa；E2為氟橡膠彈性模量，GPa。

按照實際尺寸建立三維模型，劃分網格，進行有限元分析，經測量應變云圖，其貼合寬度2b在0.3～0.35 mm(有區間的原因在于網格劃分不夠均勻及測量點選擇有誤差)之間，與公式1的結論一致。因此，取2b=0.32 mm作為下一步的計算輸入。

活門組件橡膠面與殼體R面之間產生真空吸附，當活門組件受到通入的氣壓力時：

P1S1=F1+F3

(2)

F3=P0S2

(3)

其中，P1為通入氣壓力，Pa；P0為大氣壓力，Pa；S1為承受氣壓力的面積，m2；F3為真空吸附力，N；S2為真空面積，m2。

當活門組件首次開啟后通入氣壓力P2，則

P2S3=F1

(4)

其中，S3為此時的實際承受氣壓力的面積，m2。

將P1=640 kPa，P2=610 kPa，2b=0.32 mm代入式(2)、式(3)、式(4)，得F1+F3=20.49 N，F1=20.86 N，兩者相差0.4 N(存在取值及計算過程中的計算誤差)，與彈簧力相比非常小。而F1+F3和F1同為開啟時不同開啟壓力下彈簧力的大小。因此，可證明真空吸附假設的正確性。

5 改進措施

在活門橡膠面與鈦合金R面結合面處涂抹密封脂，可以有效地隔離橡膠與殼體R面，避免形成真空吸附現象。對編號為01-05、01-06和01-07的安全閥的活門進行更換，同時在活門橡膠面上涂一薄層7805抗化學密封潤滑脂。試驗結果如表1和表2所示。

表1 安全閥開啟壓力試驗結果

表2 安全閥放置24h開啟壓力復試結果

對比表格中的開啟壓力數據，可以發現涂覆7805抗化學密封潤滑脂后故障現象未再出現。

6 結論

根據上述分析，安全閥首次開啟壓力超差的原因是安全閥長時放置后，結合面形成真空狀態，在開啟時會阻止安全閥以正常開啟壓力打開。按照改進措施進行試驗驗證，結果表明產品符合設計要求。