1、概述

　　依據(jù)多年來火車槽罐在運輸過程中出現(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。因為彈簧與罐內(nèi)介質(zhì)長期接觸,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輸液化石油氣介質(zhì)的火車槽罐上。經(jīng)過分析對比,設(shè)計了新型外置全啟式彈簧安全閥。

2、結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　適用于火車槽罐應(yīng)用的外置全啟式彈簧安全閥結(jié)構(gòu)設(shè)計基于兩點要求,一是不改變閥門與槽罐的相關(guān)連接尺寸(即火車槽罐與閥門連接處結(jié)構(gòu)和尺寸不變) ,二是限定閥門的總高應(yīng)≤200mm (其重心距法蘭下端高≤100mm,閥門過高將會出現(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)計參數(shù)

　　槽罐設(shè)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(tài)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(guān)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(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(shù)
　　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(yù)先分解確定數(shù)據(jù)) ,N
　　n_A 、n_B 、n_C———分別為三只彈簧的總?cè)��?shù)
　　n_1A 、n_1B、n_1C———分別為三只彈簧的工作圈數(shù)
　　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(shù)設(shè)置必需滿足其強度要求,即P_A ′+ P_B ′+ P_C ′≤P′為設(shè)置參數(shù)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(jù)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(dāng)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(tài)負(fù)荷要求。