低温低压安全阀的膜片密封结构设计与仿真优化_汪朝阳.pdf

第 39 卷第 11 期压力容器2022 年 11 月doi:10 3969/j issn 1001 4837 2022 11 007设 计 计 算低温低压安全阀的膜片密封结构设计与仿真优化汪朝阳1，鲍鲜宇1，何葳1，郭善刚2(1 北京航天石化技术装备工程有限公司 安全阀事业部，北京100176;2 北京航天动力研究所，北京100076)摘要:安全阀是一种在系统中起超压保护作用的安全泄放装置，在液氮、液氧、LNG 储罐的低温低压工况下，安全阀的整定压力小于 0 1 MPa，工作温度小于 100，需要对阀门进行特殊设计。首先，进行公称直径 DN100、整定压力0 04 MPa、最大工作压力 0 038 MPa 的安全阀的整体结构设计、密封材料选择与力学计算，保证其具有良好的动作性能、密封性能、排放性能;然后，使用有限元仿真软件 Abaqus 对 FEP 膜片密封结构的启闭过程进行仿真模拟。选取 FEP 膜片厚度为 0 25 mm，以膜片下压深度为变量，依据密封压力比的原则，分析了不同下压深度时的密封效果。得出下压深度过小，则密封有泄漏可能;下压深度过大，则膜片有折断破损可能的结论。在最大工作压力为 0 38 MPa 时，下压深度不应小于 0 85 mm。并通过试验手段，验证了有限元仿真方法的合理性。关键词:安全阀;低温;低压;膜片密封;有限元分析中图分类号:TH134;TH122文献标志码:ADiaphragm sealing structure design and simulation optimization of low temperatureand low pressure safety valveWANG Zhaoyang1，BAO Xianyu1，HE Wei1，GUO Shangang2(1 Beijing Aerospace Petrochemical Technology and Equipment Engineering Co，Ltd，Beijing 100176，China;2 Beijing Aerospace Propulsion Institute，Beijing 100076，China)Abstract:The safety valve is a kind of safety relief device which plays the role of overpressure protection in the system Underlow temperature and low pressure conditions of liquid nitrogen，liquid oxygen，and LNG storage tanks，the set pressure of the safetyvalve is less than 0 1 MPa，and the working temperature is less than 100，so special design is required for the valve First，the overall structural design，sealing material selection and mechanical calculation were carried out for the safety valve with anominal diameter of DN100，a set pressure of 0 04 MPa，and a maximum working pressure of 0 038 MPa to ensure that it hasgood operating，sealing and discharge performance Then，the finite element simulation software Abaqus was used to simulate theopening and closing process of the FEP diaphragm sealing structure The thickness of the FEP diaphragm was selected as0 25 mm，and the depression depth of the diaphragm was used as a variable According to the principle of sealing pressure ratio，the sealing effects at different depression depths were analyzed It is concluded that if the depression depth is too small，the sealmay leak;if the depression depth is too large，the diaphragm may be broken and damaged When the maximum working pressure is0 38 MPa，the depression depth should not be less than 0 85 mm Finally，the rationality of the finite element simulation methodwas verified by means of experimentsKey words:safety valve;low temperature;low pressure;diaphragm seal;finite element analysis收稿日期:2022 07 31修稿日期:2022 10 2574PESSUE VESSEL TECHNOLOGYVol.39，No.11，20220引言安全阀是一种起超压保护作用的特种设备，是锅炉，压力容器及压力管道等承压设备的重要安全附件之一，广泛地应用于石油、化工、电力、冶金等行业。安全阀的工作原理是当被保护设备的介质压力升高并最终达到安全阀的整定压力时，安全阀的阀瓣开启并排放介质，从而降低设备内压力，以达到保护设备不因超压而损坏的目的。当设备内介质压力降低至安全范围后，安全阀的阀瓣回座并形成密封，保证系统的正常运行1。保证安全阀密封的可靠性十分重要，安全阀的非正常泄漏，轻则造成物料的浪费;重则可能造成严重的生产事故2 5。安全阀的主密封由阀瓣与阀座构成，常见的阀座阀瓣间密封面型式主要分为金属密封，密封块密封，O 型圈密封，这三种常规密封面型式可以满足绝大多数工况条件需求。但针对如液氮、液氧、LNG 储罐等低温低压的极端工况，需要对设备进行特殊设计6。此类工况下安全阀的整定压力小于 0 1 MPa，工作温度小于 100，对安全阀的性能提出了更高的要求，主要原因如下:(1)因介质的特殊性，例如液氧、LNG 等泄漏时有燃烧爆炸的风险，需要保证安全阀无泄漏，金属密封型式无法满足设备对泄漏率的要求，因而需要采用软密封的密封型式;(2)在低温工况下，因 O 型圈用的橡胶材料的耐寒性能较差，在低温下会出现硬化等现象，影响其密封性能及使用寿命，故不宜使用 O 型圈密封型式;(3)在低压工况下，因所需的弹簧预紧力较低，不利于密封块与阀座挤压形成足够的压痕，进而无法实现有效密封，故不宜使用密封块密封型式，且低压工况下，介质对于阀瓣组件等提供的开启力较低，需要对相关结构进行改进及精简，降低其质量，保证阀门的正常开启。本文基于上述考虑，设计低温低压安全阀的密封结构，使用膜片式的阀瓣组件实现密封;并对阀瓣组件开启力与密封力计算，保证其在低压工况下的动作性能;同时，使用有限元仿真软件Abaqus 对阀瓣组件的启闭过程进行仿真模拟，分析膜片的应力与应变情况;最后，对于密封结构中的膜片下压深度进行分析，下压深度过小，则密封有泄漏可能;下压深度过大，则膜片有折断破损可能。在关键密封接触面上设置分析路径，提取其压力值，依据密封压力比的原则，研究下压深度对于密封可靠性的影响，为进一步的的结构优化工作提供参考。优化后的低温低压安全阀已通过充分的试验及工程验证，具有良好的动作及密封性能，低温试验过程如图 1 所示。图 1安全阀的低温试验过程Fig 1Cryogenic test process of safety valve1低温低压安全阀的结构设计与力学计算1 1低温低压安全阀的结构设计基于上文对于低温低压工况特点的分析可知，不宜使用常用的密封面型式，故采用一种膜片式的密封结构，其可以保证安全阀在低温工况的密封性能。同时，由于低压工况下介质为阀瓣组件提供的开启力不足，安全阀的动作性能会受到影响。为解决此问题，一方面需要扩大密封中径，增大受力面积;一方面需要精简零件结构，实现相关零件的轻量化。基于以上思路进行低温低压安全阀的结构设计，其结构如图 2 所示。低温低压安全阀由阀体、阀座、膜片保护板、膜片、阀瓣、阀杆、弹簧、上弹簧座、阀盖、调整螺钉、阀帽等组成。低温低压安全阀主要有以下特点。(1)密封面型式采用膜片式的密封结构，阀瓣组件主要由阀瓣，FEP(全氟乙烯丙烯共聚物)膜片，膜片保护板，压环组成。其中，FEP 膜片外圈存在一周均布的螺栓孔，压环与阀瓣将 FEP 膜片夹在中间，并通过螺栓连接，可以保证 FEP 反复排放时不会被吹出。该密封结构适用于低温低84汪朝阳，等:低温低压安全阀的膜片密封结构设计与仿真优化压工况下的严苛的工作环境，保证安全阀的密封性能，实现无泄漏。图 2低温低压安全阀的结构示意Fig 2Structural diagram of the low temperature andlow pressure safety valve(2)FEP 膜片下端安装有圆盘状的膜片保护板，保护板材料为 304 不锈钢。膜片保护板可以避免介质排出时对膜片产生较大冲击，或管道内潜在的杂质刮伤膜片，起到对膜片的保护作用。同时，由于密封时膜片的变形方向是向上的，下端的保护板不会影响其变形及密封效果。(3)密封面处采用了更大的密封中径，增大介质与阀瓣组件的接触面积，在低压下可以提供更高的开启力。(4)因低压工况，阀门采用微启式设计，阀杆与调整螺钉的导向结构即可满足阀瓣组件的导向需求。整体结构中将下弹簧座与阀瓣一体化，删除了弹簧直接载荷式安全阀中常见的反冲盘、导套、下调节圈等零件，使阀门结构更为轻便，紧凑。(5)阀门流道采用全通径的结构，微启式阀门的阀瓣上升高度较低，阀门排放的帘面积较小，不利于介质的排放，全通径结构可以显著提高阀门的排量。1 2低温低压安全阀的工作原理与力学计算低温低压安全阀的阀瓣组件主要由阀瓣，FEP 膜片，膜片保护板，压环组成，其工作原理如下。(1)当系统压力低于阀的整定压力时，弹簧对阀瓣组件施加预紧力，阀瓣组件的膜片与阀座保持紧密接触，防止介质泄漏，实现安全阀的密封作用。(2)当系统压力增加达到整定压力时，在系统压力的作用下，阀瓣组件及阀杆克服弹簧的弹簧力向上运动，膜片与阀座分离，介质通过阀体出口排出，实现安全阀的压力泄放作用。(3)当阀瓣组件升起后，系统压力快速降低，当系统压力降至回座压力时，在弹簧作用下膜片与阀座重新接触，实现安全阀的密封作用。(4)通过控制调整螺钉的的旋入深度，控制弹簧的初始压缩量，进而改变其预紧力，最终实现对安全阀整定压力的调节。综上所述，低温低压安全阀的阀门密封力计算方法如式(1)所示，阀门开启力计算方法如式(2)所示。F1=G+kH1 PA(1)F2=PZA G kH1(2)式中，F1为阀瓣组件处密封力;G 为阀瓣组件等零件总重量;k 为弹簧刚度;H1为弹簧压缩量;P 为安全阀工作压力;A 为阀瓣组件与阀座间密封面积;F2为阀瓣组件处开启力;PZ为安全阀整定压力。本文对一台公称直径为 DN100 的低温低压安全阀进行计算，依据式(1)、式(2)的计算方法，其