一種適應于在線檢測裝置的安全閥定壓螺母預制件模型構想★

郭 煒，張倬權，譚 凱

（湖北特種設備檢驗檢測研究院，湖北 武漢 430000）

引言

制冷系統內置式安全閥通常是將短管安裝在管道或容器上，離線校驗時，需要提前將制冷系統內部的冷媒排空或轉移，造成很大的人力、物力消耗，同時還污染環境，在運輸途中也易對設備造成二次安裝誤差。因此，對制冷系統內置式安全閥如何開展在線檢測具有重要研究價值。近幾年來，隨著相關研究的不斷深入，提出了一種新的在線檢測方法，該方法指出可以利用專用裝置穿過定壓螺母給彈簧一個垂直向下的作用力，克服彈簧預緊力，從而測得安全閥整定壓力的方式，實現制冷系統內置式安全閥在線檢測，且該方法完全滿足現行TSG ZF001-2006/XG1-2009《安全閥安全技術監察規程》所要求的“彈簧特性法”。但是，目前市場上并沒有一款安全閥定壓螺母能夠滿足該方法的應用。本文結合上述實際情況，擬設計一種可以用于該在線檢測方法的安全閥定壓螺母預制件模型，并通過對其進行受力仿真分析比對，驗證模型的可實施性。

1 檢測方法原理概述

制冷系統內置式安全閥是一種專門用于制冷設備的超壓保護裝置，其作用為：當設備運行壓力升高超過允許值時，閥門能自動開啟，并按照設備運行要求，排放額定量介質，防止設備壓力持續升高，保護整個系統。

內置式安全閥和普通彈簧式安全閥結構上存在差異。普通的彈簧式安全閥在線檢測原理是從外部作用給閥桿一個向上的附加拉力，克服彈簧的預緊力，從而測得安全閥的整定壓力。而內置式安全閥由于本體無閥桿結構，其定壓螺母以螺紋形式固定在閥體上，直接轉動定壓螺母來改變彈簧的受力情況，通過改變彈簧的受壓或不受壓狀態從而調節整定壓力。因此，現有在線檢測技術方法是通過穿過定壓螺母給彈簧一個垂直向下的作用力來克服彈簧的預緊力，從而測得安全閥的整定壓力。將測試過程中的曲線拐點作為安全閥開啟時的提升力大小，當附加力從0逐漸增大的過程中，其與內部介質向上的力之和與彈簧預緊力相等時，閥瓣微啟，介質作用面積S增大，導致用來克服彈簧預緊力的內壓作用力瞬間增大，從而使其外附加力瞬間減小，出現特征峰點。此時，峰點所用的外附加力數值即為安全閥開啟時的附加力值△F，通過計算得出安全閥開啟壓力值Ps。根據以上“彈簧特性法”理論，不會將安全閥全部拉開，并且檢測過程時間非常短，不會擾動工況。

2 內置式安全閥相關結構參數

市場上目前最常見的制冷系統內置式安全閥型號為SFA-22C150T和SFA-22C300T型，主要作為制冷機冷凝器、蒸發器配套的超壓保護裝置，兩款產品的試驗及性能均符合美國ANSI B16.34、ANSI/ASHRAE15-78及我國GB12241、GB12243等相關標準要求。

內置式安全閥結構簡圖如圖1所示，主要零部件材料如下頁表1所示。

表1 置式安全閥主要零部件材料明細

圖1 內置式安全閥結構簡圖

3 模型設計

依據上述所提在線檢測方法的原理與內置式安全閥的結構，提出一種可用于該檢測方法的內置式安全閥定壓螺母預制件。通過預先將定壓螺母四周轉孔，然后在在線檢測過程中，將壓桿通過定壓螺母中心孔放入安全閥腔體，并壓在閥瓣的中心位置，再將限位擋桿通過立柱條形孔、壓桿上部條形孔穿入，再均勻擰緊兩側立柱上的限位螺母（螺母緊固時，要保證壓桿水平狀態），使壓桿緊緊壓住閥瓣。用專用扳手將安全閥的定壓螺母逆時針旋轉，即可拆卸。當定壓螺母拆離安全閥后，將定壓螺母提升上、下限位擋桿之間的區域后，安裝下限位擋桿（方法同上限位擋桿）。下限位擋桿頂死閥瓣后，拆掉上限位擋桿，即可取出定壓螺母。通過定壓螺母套中孔套在壓桿上，再按照同樣方法將上限位擋桿安裝好，并擰緊兩側立柱限位螺母，上限位擋桿固定好后，松開下限位擋桿螺母，直至取下下限位擋桿，再將定壓螺母順時針旋轉擰緊、壓縮彈簧，以實現在不影響彈簧受力的情況下，完成定壓螺母的拆卸與安裝，達到在線檢測的目的。

但由于該方法需要對定壓螺母進行轉孔，因此，需要對其進行受力仿真分析，比對加工前后工件的受力情況，從而驗證其可實施性。

3.1 無測試加工孔的定壓螺母結構強度分析

由于制冷系統內置式安全閥存在規格不一，尺寸不一等實際情況，故本文優先以最常見規格定壓螺母為研究對象。

受力情況為彈簧提供的支撐力，日常設備受力為50 kg，本次建模分析參數選擇為受力60 kg。工作溫度一般為常溫，本次建模考慮工作狀態下可能涉及的冷媒介質溫度。

3.1.1 建模

利用Solidworks軟件建立了無加工孔的的定壓螺母的三維幾何模型，如圖2所示。

圖2 無加工孔定壓螺母幾何模型

3.1.2 邊界條件及網格劃分

本次模擬工作采用ANSYS Workbench 2020軟件進行，將模型導入Workbench后對其進行網格劃分并設置邊界條件。材料設置為銅，表面設置為固定約束表面，將底面與彈簧接觸表面分割，用60 kg（588 N）的力直接施加在該表面上。模擬計算溫度為常溫（22℃），因冷媒介質的環境溫度不高，不會影響材料的力學性能。故整個計算模型的溫度就默認為環境溫度，不會發生變化，環境溫度與模型溫度相同，其受力也基本無變化。

本次模擬的網格數為6 122 199個，網格節點個數為8 768 860，網格劃分方式采用非結構化網格的劃分方式。

3.1.3 模擬結果與分析

模擬結果表明，最大等效應力出現在定壓螺母的螺紋面與定壓螺母頂面交界處，其最大應力值為15.396 MPa，平均等效應力值為2.119 7 MPa。最大形變出現在中部圓環的邊棱處附近，其最大值為0.000 435 83 mm，平均形變為0.000 204 34 mm。

3.2 帶測試加工孔的定壓螺母結構強度分析

3.2.1 幾何模型

利用Solidworks軟件建立了帶4個直徑4 mm測試加工孔的定壓螺母三維模型，如圖3所示。

圖3 帶孔定壓螺母側視圖及后視面

3.2.2 邊界條件及網格劃分

本模擬工作采用ANSYS Workbench 2020軟件進行，將三維幾何模型導入Workbench后對其進行網格劃分以及邊界條件的設置。材料設置為銅，表面設置為固定約束表面，將底面與彈簧接觸表面分割，用60 kg（588 N）的力直接施加在該表面上。本次模擬的網格數為5 998 952個，節點數為8 631 440個，網格劃分方式采用非結構化網格的劃分方式。

3.2.3 模擬結果與分析

上述模擬計算結果表明，最大等效應力出現在定壓螺母的螺紋面與定壓螺母頂面交界處，其最大應力值為14.804 MPa，平均等效應力值為2.152 8 MPa。最大形變處出現在彈簧與定壓螺母的接觸面附近，其最大值為0.000 441 02 mm，平均形變大小為0.000 203 39 mm。

3.3 帶孔定壓螺母與不帶孔定壓螺母模擬結果對比

在定壓螺母上挖了四個測試加工孔后，結構強度仍能滿足要求，其應力最薄弱位置出現在螺紋連接處。故加工后依然可以正常使用且對零件壽命無影響，該模型具有可實施性。帶孔/不帶孔定壓螺圖模擬結果對比如表2所示。

表2 模擬結果對比

4 結語

對于現行提出的穿過定壓螺母給彈簧一個垂直向下的作用力來克服彈簧預緊力，從而測得內置式安全閥整定壓力的制冷系統內置式安全閥在線檢測方法。本文設計出了一種定壓螺母預制件模型，并通過受力仿真分析、研究比對，驗證了其可實施性。結合實際需求，可以進一步從不同定壓螺母規格入手，在安全閥的制造組裝階段完成預先打孔設計，形成固定制造圖紙，為安全閥制造廠家在在線檢測的優化普及上提供參考。