火車(chē)槽罐用外置全啟式彈簧安全閥的設(shè)計(jì)
1、概述
依據(jù)多年來(lái)火車(chē)槽罐在運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)的事故比較,其中由于內(nèi)置全啟式彈簧安全閥彈簧斷裂失效引發(fā)的事故較多。因?yàn)閺椈膳c罐內(nèi)介質(zhì)長(zhǎng)期接觸,受到氧化和氫蝕等嚴(yán)重腐蝕。雖然彈簧采用了熱噴涂塑層以隔離介質(zhì)腐蝕等措施,但由于彈簧受交變載荷影響,其兩端圈的防腐塑層極易破損,所以塑層起不到有效的防腐作用,故內(nèi)置全啟式彈簧安全閥不能用于運(yùn)輸液化石油氣介質(zhì)的火車(chē)槽罐上。經(jīng)過(guò)分析對(duì)比,設(shè)計(jì)了新型外置全啟式彈簧安全閥。
2、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
適用于火車(chē)槽罐應(yīng)用的外置全啟式彈簧安全閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于兩點(diǎn)要求,一是不改變閥門(mén)與槽罐的相關(guān)連接尺寸(即火車(chē)槽罐與閥門(mén)連接處結(jié)構(gòu)和尺寸不變) ,二是限定閥門(mén)的總高應(yīng)≤200mm (其重心距法蘭下端高≤100mm,閥門(mén)過(guò)高將會(huì)出現(xiàn)慣性失穩(wěn)現(xiàn)象) 。所以采用并列式三組合彈簧的結(jié)構(gòu)(圖1) 。
(a)內(nèi)置全啟式彈簧安全閥 (b)新型外置全啟式彈簧安全閥
圖1 改進(jìn)前后的安全閥
3、設(shè)計(jì)參數(shù)
槽罐設(shè)計(jì)壓力Ps = 2.16MPa,閥門(mén)開(kāi)啟壓力Pk= 1.088Ps,閥門(mén)排放壓力Pp=1.1Pk、閥門(mén)回座壓力Ph=0.9Pk ,閥門(mén)密封壓力Pm=0.9Pk。從組合彈簧副的功用分析,安全閥在開(kāi)啟和排放狀態(tài)中所承受的載荷值P1和P2為
式中P1———安全閥開(kāi)啟時(shí)承受的載荷,N
Dm———閥瓣密封中徑,mm
Pk———閥門(mén)開(kāi)啟壓力,MPa
P2———安全閥關(guān)閉時(shí)承受的載荷,N
Df———反沖盤(pán)外徑,mm
組合彈簧副的總剛度值P為
P≤(P2-P1)/F
式中F———閥瓣開(kāi)啟高度,mm
F≥Dh/4
4、強(qiáng)度及剛度校核
彈簧材料為60Si2MnA 鋼絲,按Ⅱ類(lèi)負(fù)荷取許用切應(yīng)力〔τ〕。由旋繞比C值確定曲度系數(shù)K值,由彈簧鋼絲直徑d校核強(qiáng)度,由每支彈簧剛度值之和與總剛度值校核。
式中KA、KB、KC———分別為三只彈簧的曲度系數(shù)
CA、CB、CC———分別為三只彈簧的旋繞比
dA 、dB 、dC———分別為三只彈簧的鋼絲直徑,mm
P2A、P2B、P2C———分別為三只彈簧的第二載荷(由P2 合力預(yù)先分解確定數(shù)據(jù)) ,N
nA 、nB 、nC———分別為三只彈簧的總?cè)?shù)
n1A 、n1B、n1C———分別為三只彈簧的工作圈數(shù)
PA ′、PB ′、PC ′———分別為三只彈簧的剛度,N /mm
三支組合彈簧的幾何參數(shù)設(shè)置必需滿足其強(qiáng)度要求,即PA ′+ PB ′+ PC ′≤P′為設(shè)置參數(shù)滿足剛度的必要條件。
彈簧壓并長(zhǎng)度H為
HbA = n1A ×dA
HbB = n1B ×dB
HbC = n1C ×dC
式中 HbA 、HbB、HbC———分別為三只彈簧的壓并長(zhǎng)度,mm
依據(jù)總剛度值p′修正閥瓣開(kāi)啟高度F,則
F=（P2 - P1）/P′
三只彈簧在P2載荷時(shí)的變形量F2分別為
F2A =P2A/PA ′
F2B =P2B/PB ′
F2C =P2C/PC ′
三只彈簧在P1 載荷時(shí)變形量F1 分別為
F1A = F2A - F
F1B = F2B - F
F1C = F2C - F
三只彈簧的第一載荷P1 為
P1A = F1A ×PA ′
P1B = F1B ×PB ′
P1C = F1C ×PC ′
當(dāng)P1A + P1B + P1C = P1 , P2A + P2B + P2C = P2 ,彈簧副滿足開(kāi)啟和排放兩狀態(tài)負(fù)荷要求。
