本文主要討論了主安全閥的閥瓣設(shè)計(jì)思路，從選型分析到主安全閥閥瓣的設(shè)計(jì)、閥瓣活塞體的設(shè)計(jì)及閥瓣活塞體“O”形密封圈設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)。

一、分析選型

　　某火力發(fā)電廠的空冷凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組的排汽管道上需要設(shè)置安全閥，以保護(hù)空冷凝汽器，避免系統(tǒng)超壓，保證生產(chǎn)正常運(yùn)行。要求安全閥具有較高的開啟和回座靈敏度，能滿足真空負(fù)壓的密封性能，精度高，回座迅速，不泄露，工作穩(wěn)定可靠。安全閥的技術(shù)數(shù)據(jù)如下：

　　根據(jù)以上數(shù)據(jù)及要求計(jì)算分析后，確定采用軟密封的先導(dǎo)式安全閥，型號為YFA46X-16C DN300，流道直徑220mm。其主安全閥材料：殼體材料采用WCB，閥座采用1Cr18Ni9Ti，閥瓣采用1Cr18Ni9Ti內(nèi)嵌氟橡膠，其余內(nèi)件及彈簧采用1Cr18Ni9Ti。導(dǎo)閥材料：閥瓣采用1Cr18Ni9Ti內(nèi)嵌氟橡膠，其余用1Cr18Ni9Ti。該先導(dǎo)式安全閥結(jié)構(gòu)及安裝外形如下圖：

二、主安全閥的閥瓣設(shè)計(jì)

　　在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，安全閥A、B腔室同時(shí)為大小相等的壓力。安全閥出口為大氣壓，即對空排放，故腔室C受到受到的是一個(gè)大氣壓的正壓。由于安全閥要求滿足負(fù)壓工況保證密封，此時(shí)腔室A、B的受力狀態(tài)和常規(guī)的正壓狀態(tài)不同，則對閥瓣設(shè)計(jì)就要采用不同的結(jié)構(gòu)。

　　1、閥瓣密封圈

　　由于氟橡膠(FPM)耐磨性能優(yōu)越，密封可靠，用做閥門密封面材料時(shí)不需要大的密封比壓就容易使其變形而密封，能長期使用在-50℃~150℃，是常用的密封元件。因此，閥瓣密封圈采用FPM，適合該工況需要真空密封的狀態(tài)。

　　然而，由于FPM易變形，且不能承受過大的密封比壓，因此對其固定和變形量的控制非常重要。否則就很容易產(chǎn)生變形過大，損壞密封圈，亦容易使密封圈脫落。經(jīng)過反復(fù)研究和試驗(yàn)，在閥瓣上設(shè)計(jì)燕尾槽，采用定位板固定FPM密封圈，并在密封圈外圍加工閥瓣二次密封面，控制FPM密封圈變形在一定的范圍內(nèi)。這樣就實(shí)現(xiàn)了FPM密封圈和金屬閥座的雙重密封。如下圖所示。

　　2、閥瓣活塞體設(shè)計(jì)

　　當(dāng)系統(tǒng)為真空負(fù)壓狀態(tài)時(shí)，腔室A、B受力為真空負(fù)壓，因此，要想保證安全閥在負(fù)壓狀態(tài)保持良好的密封，做到零泄漏，則必須使下圖中的閥瓣密封面中徑Dm大于閥瓣活塞筒體直徑Db，即：Dm>Db (1)

　　從上圖中可以看出，在閥瓣密封圈和閥座密封面接觸的面上受到來自腔室A介質(zhì)垂直向下的力F1，來自腔室B垂直向上的力F2，以及閥瓣自身的重量和彈簧附加的力(現(xiàn)將兩者的力之和設(shè)為F3)。根據(jù)受力分析，要使安全閥在正常工作狀態(tài)保持密封，則應(yīng)使：

　　F1+F3>F2 (2)

　　F1=πDm2P/4 (3)

　　F2=πDb2P/4 (4)

　　式中：P表示系統(tǒng)介質(zhì)壓力，單位MPa;Dm表示閥瓣密封面中徑，單位mm;Db表示閥瓣活塞筒體直徑，單位mm。

　　由于彈簧作用在閥瓣上的力只是保持安全閥初始密封，安全閥正常工作時(shí)，彈簧沒有相對的變形，其施加在閥瓣上的力可認(rèn)為是不變的。因此在系統(tǒng)正常工作壓力時(shí)，作用在閥瓣上的力F3可看作定值，這樣作用在閥瓣上的力F1和F2就是使閥瓣密封的關(guān)鍵力。

　　由(1)、(2)、(3)、(4)式可得：

　　πDm2P/4>πDb2P/4 (5)

　　即：F1>F2

　　由此可得出，無論系統(tǒng)介質(zhì)的壓力真空負(fù)壓怎么變化，始終會保持關(guān)系式(2)，而且隨著系統(tǒng)介質(zhì)的負(fù)壓力P升高，作用在閥瓣上的壓力差就越大，也就是密封力越大。這樣就有效保證了安全閥在真空負(fù)壓狀態(tài)下的密封性能。

　　當(dāng)系統(tǒng)介質(zhì)壓力為正壓狀態(tài)時(shí)，安全閥閥瓣的受力狀態(tài)就發(fā)生了改變。

　　如下圖所示，此時(shí)要使安全閥保證密封，必須保證：F3+F2'>F1' (6)

　　由(1)、(3)、(4)式，πDm2P'/4>πDb2P'/4 即：

　　F1'>F2'

　　因此要保證關(guān)系式(6)，則必須控制閥瓣密封面中徑Dm與閥瓣活塞筒體直徑Db的比例關(guān)系，否則，當(dāng)系統(tǒng)為正壓狀態(tài)升高時(shí)，安全閥就會變得很難密封，不穩(wěn)定，容易開啟。

　　3、閥瓣活塞體“O”形密封圈設(shè)計(jì)

　　如上上圖所示，在閥瓣活塞體上設(shè)置了兩個(gè)氟橡膠(PDm)的“O”形密封圈，有效保證腔室B的氣密性。

三、結(jié)論

　　由于該先導(dǎo)式安全閥的使用工況特殊，除了主安全閥閥瓣的設(shè)計(jì)特殊外，對導(dǎo)閥的設(shè)計(jì)以及在管路上止回閥的設(shè)置也非常關(guān)鍵。由于篇幅有限，在此就一一闡述了。

　　該先導(dǎo)式安全閥到火力發(fā)電廠后，經(jīng)當(dāng)?shù)貏趧颖O(jiān)察部門的檢驗(yàn)，完全達(dá)到各項(xiàng)性能指標(biāo)，經(jīng)電廠使用后，該先導(dǎo)式安全閥能在規(guī)定的整定壓力準(zhǔn)確開啟，在規(guī)定的回座壓力下能及時(shí)回座，并滿足啟閉壓差要求，同時(shí)，在真空負(fù)壓狀態(tài)能保證完全密封。