整定壓力可調罐車安全閥結構設計探討

摘要：安全閥是罐車重要的安全附件，可以保證罐體內部壓力不超過限定值以保證罐車的安全運行。現有技術安全閥因其整定壓力調整極為不便，限制了其使用的靈活性。針對罐車安全閥的結構特點及其工作原理，探討一種整定壓力可快速調整的安全閥，使安全閥能在一定壓力范圍內調整使用，從而提高了安全閥的使用范圍，同時也提高安全閥的通用性和互換性。

關鍵詞：槽罐車；安全閥；整定壓力；結構設計

中圖分類號：U463" 收稿日期：2023-08-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.12.013

1 前言

為了滿足罐車安全使用的要求，設計和制造罐車時必須從技術上保證罐體在設計條件下有足夠的強度，操作過程中則要求采取措施嚴格控制罐內壓力在不高于罐體設計條件下工作。但是在罐車實際運行時由于種種原因可能發生工藝過程失控或受到外界因素干擾，造成罐體超壓或超溫，極有可能會因強度不足發生破裂，甚至引起爆炸、燃燒、有毒有害物質大量泄漏等嚴重事故。安全閥的作用就是控制罐體內部壓力在規定值范圍內，從而為危險品罐車的正常運行提供安全保障。當罐體內的介質壓力升高并超出規定值時，安全閥通過向外排放罐體內部介質，從而控制罐體壓力不超過規定值，以此來排除罐體異常超壓帶來的危險。

危險品種類繁多，不同的危險品對安全閥的整定壓力要求不盡相同。然而現有技術中，罐車安全閥整定壓力多為固定值，因此只能對一種固定壓力進行控制，同時因現用安全閥整定壓力調整步驟復雜，除安全閥生產廠外，罐車生產企業或罐車使用企業無法根據需求對安全閥的整定壓力進行調整，導致罐車生產企業安全閥種類繁多，給生產管理帶來極大的不便，同時也制約了罐車安全閥通用性和互換性的發展。

2 彈簧直接載荷式安全閥工作原理

安全閥屬于超壓泄放裝置中的一種，而超壓泄放裝置又包含多種不同類型的閥門。相比于其他閥門，安全閥是一種具有自動啟閉的閥門，在容器內介質壓力達到安全閥整定壓力時打開，確保容器不會因其超壓運行帶來安全隱患，當容器內介質壓力降到安全閥回座壓力時，安全閥會自動關閉，確保容器內的介質不會持續外泄，從而保證槽罐車的安全運行。

安全閥有多種結構類型，從其自身結構來看，其主要形式為：帶有補充載荷的安全閥、帶有動力輔助裝置的安全閥、比例式安全閥、先導式安全閥和彈簧直接載荷式安全閥[1]。在罐車中運用最多的就是彈簧直接載荷式安全閥。該類安全閥是利用閥芯上介質壓力與彈簧力相平衡的原理進行工作的。根據力的平衡原理可知，主彈簧的變形量與整定壓力間的關系為：

[F1=πD2ZPS4k]" " " " " " " " " " " " "（1）

式中，F1為彈簧工作負荷下變形量，mm；DZ為密封面平均直徑，mm；PS為設計的整定壓力，MPa；k為彈簧剛度，N/mm。

由式（1）可知，安全閥的整定壓力與主彈簧的變形量成正比，因此只要調整主彈簧的變形量即可調整安全閥的整定壓力。傳統的彈簧直接載荷式安全閥的結構如圖1所示，主要由閥體、壓力調節組件、頂蓋組成。壓力調節組件包括位于閥體下開口處的閥芯、抵在頂蓋與閥芯之間的彈簧。

從其結構可看出，傳統的彈簧直接載荷式安全閥雖然設有壓力調節組件，可對主彈簧的伸縮量進行調整，但該結構主要是用于安全閥出廠前整定壓力的調整以及在后期使用過程中特種設備檢驗單位對其整定壓力檢驗與修正用。槽罐車的制造單位與槽罐車使用單位無法對安全的整定壓力進行調整，有以下原因：

a.壓力調節組件在閥體內部，不打開上蓋無法對壓力調節組件進行調整，但如果打開上蓋易造成安全閥閥芯和閥座密封面損傷泄露。

b.沒有刻度指示，因此需要用專門的測量工具來測量調整后的整定壓力。

c.傳統安全閥銘牌上均刻有永久性整定壓力值，如隨意調整壓力調節組件，勢必會導致安全閥的實際開啟壓力與銘牌上的整定壓力不一致，導致安全風險的出現。

基于以上原因，傳統安全閥的整定壓力無法根據實際裝運介質進行調整。

3 結構設計

國內部分廠家針對彈簧直接載荷式安全閥的整定壓力調整形式也做了一些探討，如2016年寧波華成閥門有限公司申請名為《可調壓安全閥》的實用新型專利，特點為調節帽上設置有刻度，不同的刻度對應不同的開啟壓力[2]。2018年簡陽市欣旺五金制品廠申請名為《一種新型調壓安全閥》的實用新型專利，主要特征為對安全閥調壓機構進行加鎖，防止非管理人員調節安全閥泄壓壓力[3]。2021年哈電集團哈爾濱電站閥門有限公司申請名為《一種帶新型背壓調整機構彈簧式安全閥及使用方法》的發明專利，特點為在閥體外部設置調整手柄，以實現對安全閥整定壓力快速調整[4]。上述專利分別采用不同的方式實現了安全閥整定壓力的調整，但其所針對的都不是槽罐車用安全閥，如華成閥門公司的安全閥，其刻度設置在調節螺母上，實際操作時刻度隨螺母旋轉不利于讀數；哈電集團的安全閥，操作手柄占用空間大并且無法實現無級調壓［5］。本文在上述結構研究的基礎上，提出一種整定壓力可調罐車安全閥來解決上述提出的問題。

針對整定壓力難調整，在安全閥外側設置有兩個調節螺母，其中下螺母用于整定壓力的調整，上螺母用于鎖止，以防止罐車正常運行過程中安全閥整定壓力由于外界震動而發生改變。

針對整定壓力刻度指示，在閥體上設有螺旋導槽，彈簧壓盤在上下運動的同時也會做旋轉運動，彈簧壓盤通過連桿帶動刻度盤旋轉，此時刻度盤上顯示的數值即為安全閥的整定壓力。

針對閥體銘牌上標刻恒定整定壓力，刻度盤所指示的整定壓力隨主彈簧的長度變化而變化，所對應的就是安全閥的整定壓力。

圖2為整定壓力可調安全閥結構示意圖。刻度盤通過連桿與彈簧壓盤連接。兩調節螺母安裝在閥體外側，擰動下調節螺母，彈簧壓盤的位置即發生改變，進而可對安全閥的整定壓力進行調整，同時通過連桿帶動刻度盤旋轉，此時刻度盤上所顯示的數值即為安全閥的整定壓力；雙螺母設置能起到有效的防松作用，防止外界震動影響安全閥整定壓力。

為了防止調整后安全閥的整定壓力受到非人為因素而變化，除了采用雙螺母防松外，閥體上螺紋的升角應小于或等于其摩擦角，以達到自鎖功能。由靜力學知識可知，摩擦角的正切值等于靜摩擦因數，因摩擦角也是表示材料表面性質的一個物理量，閥體材料不同，其摩擦角也會變化。

為了將彈簧的長度變化量轉化為刻度盤的角度變化量，在閥體上沿周向均勻設置3道螺旋導槽，如圖3所示，同時螺旋導槽的升角與刻度盤轉角滿足以下關系，由式（1）可知，彈簧長度變化量與整定壓力變化量滿足以下關系：

[ΔF1=πD2ZΔPS4k]" " " " " " " " " " " "（2）

式中，[Δ]F1為彈簧長度變化量，mm；[Δ]PS為整定壓力變化量，MPa。將螺旋導槽展開可得到一個三角形，如圖4所示，根據幾何關系可得：

[y=πDmβ360]" " " " " " " " " " " " " " " （3）

[tanα=xy]" " " " " " " " " " " " " " " " nbsp;（4）

聯立式（2）～式（4），可得刻度盤轉動角度與整定壓力變化量之間的關系：

[β=360D2ZΔPS4kDmtanα]" " " " " " " " " " " " （5）

式中，α為螺旋導槽升角；β為螺旋導槽周向投影弧長所對應的圓心角（即為刻度盤所轉過的角度）；Dm為閥體外徑；x為螺旋導槽高度；y為螺旋導槽周向投影弧長。

4 結語

安全閥對于危險品罐車的安全運行具有重要作用，不斷改進及優化安全閥的結構很有必要。本文針對罐車彈簧直接載荷式安全閥的特點探索了一種整定壓力可調罐車安全閥。該安全閥具有如下特點：

a.調節螺母設置在閥體外側，方便操作，通過擰動調節螺母，即可調整安全閥的整定壓力，同時設有刻度盤，不同的刻度對應不同的整定壓力，一目了然。

b.采用雙螺母與螺紋自鎖相結合的鎖緊結構，能有效防止在罐車正常行駛過程中因調節螺母松動而導致整定壓力發生改變。

c.閥體采用3螺旋導槽結構，能保證彈簧壓盤下表面與閥體軸線時刻處于垂直狀態，從而保證主彈簧受到均勻壓縮，進而有效保證閥芯與閥座密封的可靠性。

d.刻度盤設置在閥體的上表面，并通過螺旋導槽將彈簧的長度變化量轉化為刻度盤的角度變化量，更符合大眾對壓力值的識讀認知。

本設計能擴大安全閥使用范圍，使安全閥能在一定壓力范圍內調整使用，有效地避免因危險品種類繁多而導致安全閥種類繁多，不利于罐車生產企業的采購和生產管理。

參考文獻：

[1]宋超，周柳泉，王孝松.國內外安全閥相關標準對比[J].中國科技信息，2022（11）：72-73.

[2]連超燕，王朝陽，祝云霞，等.可調壓安全閥：中國，CN205678198U[P].2019-07-26.

[3]施卓成，楊天賜，曾曉敏.一種新型調壓安全閥：中國，CN208535248U[P].2019-07-22.

[4]李乃安，張尚義，李茂元，等.一種帶新型背壓調整機構彈簧式安全閥及使用方法：中國，CN113700914B[P].2022-09-13.

[5]GB/T 12243-2021 彈簧直接載荷式安全閥[S].

作者簡介：

鄭英杰，男，1985年生，工程師，研究方向為機械設計與制造教學科研。