1、概述

　　依據多年來火車槽罐在運輸過程中出現的事故比較,其中由于內置全啟式彈簧安全閥彈簧斷裂失效引發的事故較多。因為彈簧與罐內介質長期接觸,受到氧化和氫蝕等嚴重腐蝕。雖然彈簧采用了熱噴涂塑層以隔離介質腐蝕等措施,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,故內置全啟式彈簧安全閥不能用于運輸液化石油氣介質的火車槽罐上。經過分析對比,設計了新型外置全啟式彈簧安全閥。

2、結構設計

　　適用于火車槽罐應用的外置全啟式彈簧安全閥結構設計基于兩點要求,一是不改變閥門與槽罐的相關連接尺寸(即火車槽罐與閥門連接處結構和尺寸不變) ,二是限定閥門的總高應≤200mm (其重心距法蘭下端高≤100mm,閥門過高將會出現慣性失穩現象) 。所以采用并列式三組合彈簧的結構(圖1) 。

(a)內置全啟式彈簧安全閥　(b)新型外置全啟式彈簧安全閥

圖1　改進前后的安全閥

3、設計參數

　　槽罐設計壓力P_s = 2.16MPa,閥門開啟壓力P_k= 1.088P_s,閥門排放壓力P_p=1.1Pk、閥門回座壓力P_h=0.9P_k ,閥門密封壓力P_m=0.9P_k。從組合彈簧副的功用分析,安全閥在開啟和排放狀態中所承受的載荷值P₁和P₂為

式中P₁———安全閥開啟時承受的載荷,N
　　D_m———閥瓣密封中徑,mm
　　P_k———閥門開啟壓力,MPa
　　P₂———安全閥關閉時承受的載荷,N
　　D_f———反沖盤外徑,mm

　　組合彈簧副的總剛度值P為

P≤(P₂-P₁)/F

　　式中F———閥瓣開啟高度,mm

F≥D_h/4

4、強度及剛度校核

　　彈簧材料為60Si2MnA 鋼絲,按Ⅱ類負荷取許用切應力〔τ〕。由旋繞比C值確定曲度系數K值,由彈簧鋼絲直徑d校核強度,由每支彈簧剛度值之和與總剛度值校核。

式中K_A、K_B、K_C———分別為三只彈簧的曲度系數
　　C_A、C_B、C_C———分別為三只彈簧的旋繞比
　　d_A 、d_B 、d_C———分別為三只彈簧的鋼絲直徑,mm
　　P_2A、P_2B、P_2C———分別為三只彈簧的第二載荷(由P2 合力預先分解確定數據) ,N
　　n_A 、n_B 、n_C———分別為三只彈簧的總圈數
　　n_1A 、n_1B、n_1C———分別為三只彈簧的工作圈數
　　P_A ′、P_B ′、P_C ′———分別為三只彈簧的剛度,N /mm

　　三支組合彈簧的幾何參數設置必需滿足其強度要求,即P_A ′+ P_B ′+ P_C ′≤P′為設置參數滿足剛度的必要條件。

　　彈簧壓并長度H為

H_bA = n_1A ×d_A
H_bB = n_1B ×d_B
H_bC = n_1C ×d_C

　　式中　H_bA 、H_bB、H_bC———分別為三只彈簧的壓并長度,mm

　　依據總剛度值p′修正閥瓣開啟高度F,則

F=（P₂ - P₁）/P′

　　三只彈簧在P₂載荷時的變形量F₂分別為

F_2A =P_2A/P_A ′
F_2B =P_2B/P_B ′
F_2C =P_2C/P_C ′

　　三只彈簧在P₁ 載荷時變形量F₁ 分別為

F_1A = F_2A - F
F_1B = F_2B - F
F_1C = F_2C - F

　　三只彈簧的第一載荷P₁ 為

P_1A = F_1A ×P_A ′
P_1B = F_1B ×P_B ′
P_1C = F_1C ×P_C ′

　　當P_1A + P_1B + P_1C = P₁ , P_2A + P_2B + P_2C = P₂ ,彈簧副滿足開啟和排放兩狀態負荷要求。