安全阀密封比压计算问题的探讨与安全阀设计计算项目建议

丁二喜 陈 伟 吴继权

（深圳市特种设备安全检验研究院 深圳 518029）

安全阀密封比压计算问题的探讨与安全阀设计计算项目建议

丁二喜 陈 伟 吴继权

（深圳市特种设备安全检验研究院 深圳 518029）

安全阀密封比压是安全阀设计计算中一个重要计算项目，目前国内安全阀生产厂家进行设计计算时主要参考《实用阀门设计手册》，经计算与验证试验，发现《实用阀门设计手册》推荐的安全阀密封比压计算方法有误，本文最后对安全阀设计计算项目提出建议。

安全阀 密封比压 必须比压

作为承压类特种设备最重要的安全附件，安全阀的制造需要取得《特种设备制造许可证》。安全阀制造许可程序一般包括申请、受理、产品试制、型式试验、鉴定评审、审批、发证等。其中，型式试验作为产品的定型试验，在安全阀制造许可程序中起到决定性作用。

安全阀型式试验的具体项目包括设计文件审查、动作性能试验、排量试验等，一般设计文件审查应在动作性能试验、排量试验前进行，在设计审查合格的基础上，安全阀型式试验机构方可安排后续的抽样、检验与试验、出具型式试验报告和型式试验证书等工作。TSG ZF001—2006《安全阀安全技术监察规程》规定了设计文件审查项目及内容，具体包括：1）设计图纸、计算书；2）设计数据的选用和采用的计算方法；3）结构设计；4）采用的规范、标准；5）主要零件材料的选用；6）堆焊等焊接技术要求；7）有关技术要求、热处理规定；8）无损检测方法、检测部位。

TSG ZF001—2006《安全阀安全技术监察规程》仅规定了设计审查项目及其内容，并未给出计算书中的具体计算项目和计算方法等规定。目前，各安全阀制造厂普遍根据国内阀门从业专家编写的《实用阀门设计手册》进行安全阀设计计算书的编制和计算。《实用阀门设计手册》中推荐的安全阀设计计算项目一般包括阀体与阀盖壁厚核算、阀座密封面比压、弹簧理论计算、额定排量计算、流道直径、安全阀排气反作用力的计算。

密封比压是安全阀设计计算中的一个重要项目。笔者在进行安全阀型式试验的设计审查工作中，经对多家国内安全阀制造厂编制的计算书审查，发现《实用阀门设计手册》中推荐的阀座密封面比压计算方法不适用于安全阀的设计计算。

1 阀门密封比压的概念及要求

流体的密封通常都是靠密封面间相互紧密接触，以阻止流体通过来实现的。一般分静密封与动密封：静密封也称固体密封，它是指被密封的组件间无相对运动的情况，通常静密封是靠密封垫片来实现的，安全阀的密封即是静密封；动密封也称运动密封，它是指工作状态下被密封组件间存在着相对运行的情况，密封填料是实现动密封的主要手段之一。

阀门的密封比压是指作用于单位面积密封面上的平均正压力。根据设计需要，有密封的必须比压qMF、密封材料的许用比压［q］、密封面计算比压q三种。

1.1 密封的必须比压

必须比压qMF指保证阀门密封时密封面单位面积上的压力最小值。必须比压与密封面材料、密封面结构尺寸、工作压力有关，可通过经验公式进行计算。

1.2 密封材料的许用比压

许用比压［q］指阀门密封材料允许的最大比压力。许用比压与密封面材料有关，可通过查表得到阀门的密封面许用比压值。

1.3 密封面计算比压

计算比压q1是根据阀门设计的密封面结构与实际使用工况计算的单位面积密封面上正压力，一般为密封压力与密封面面积的比值。

1.4 阀门密封比压的要求

密封的必须比压qMF、密封材料的许用比压［q］、密封面计算比压q1之间应满足如下关系:

2 《实用阀门设计手册》中推荐的安全阀密封比压设计计算方法及存在的问题

2.1 密封的必须比压

阀门密封的必须比压一般按下式计算：

式中：

C——与密封面材料有关的系数；

k——在给定密封面材料条件下，考虑截至压力

对比压值的影响系数；

PN——公称压力，MPa；

bM——密封面宽度，mm。

《实用阀门设计手册》中根据不同密封面材质，推荐的密封的必须比压计算式如下：

1）铸铁、青铜、黄铜：

2）铝和铝合金、聚乙烯、聚氯乙烯胶版：

3）钢、硬质合金：

4）中等硬度橡胶：

《实用阀门设计手册》中叙述该公式适用于正常温度下的一切液体（汽油、煤油除外），气体介质、正常温度下的汽油和煤油、温度超过100℃时的液体，计算的密封必须比压值增加0.4倍。

对于给定规格型号的安全阀，公称压力和密封面宽度为定值，因此密封的必须比压对于给定规格型号的安全阀应为定值。

2.2 密封面许用比压

阀门密封材料的许用比压［q］与密封面的材料牌号、性质、硬度有关，不同的材料其许用压力不同。《实用阀门设计手册》中列出了阀门不同密封材料的许用比压，摘录见表1：

表1 密封材料的许用比压（摘录）

（续表）

2.3 密封面计算比压

安全阀密封面密封比压的设计原理如图1所示，《实用阀门设计手册》中推荐的密封面计算比压计算方法如下：

1）当被保护设备处于正常运行压力p时密封面上的比压q1按下式计算：

式中：

Dm——关闭件密封面平均直径，mm；

ps——安全阀整定压力，MPa；

p——设备正常运行压力，MPa；

b——关闭件密封面宽度，mm。

此时，安全阀密封面上的比压应大于或者等于密封必须比压。

图1 平面密封安全阀在关闭状态下作用力示意图

2）当安全阀进口无介质压力时，密封面上的比压q2按下式计算：

式中：

Dm——关闭件密封面平均直径，mm；

ps——安全阀整定压力，MPa；

b——关闭件密封面宽度，mm。

此时，安全阀密封面上的比压应小于或等于密封材料的许用比压。

2.4 《实用阀门设计手册》中推荐的安全阀密封比压计算方法存在的问题解析

以国内某厂家设计的型号A28H-16、DN50弹簧直接载荷全启式安全阀为例，密封面材质为黄铜ZCuZn38，阀座流道直径D为30.6mm，查阅其设计总图及零部件图纸，密封面外径D1为35.8mm，设备正常运行压力取p=1.20MPa，安全阀整定压力取ps=1.55MPa。根据《实用阀门设计手册》，该型号安全阀密封的必须比压、密封材料的许用比压、密封面计算比压如下：

1）密封的必须比压：

关闭间密封面宽度为:

公称压力:

因此，密封的必须比压为：

2）密封材料的许用比压：

查阅《实用阀门设计手册》中密封材料的许用比压表，安全阀密封面间无相对滑动摩擦，密封面材料为黄铜ZCuZn38，因此，密封材料的许用比压为：［q］=80.0MPa。

3）密封面计算比压：

关闭间密封面平均直径为:

安全阀整定压力取:

当设备正常运行压力取p=1.20MPa时：

当安全阀进口无介质压力时：

按照《实用阀门设计手册》的要求，当被保护设备处于正常运行压力时，安全阀密封面上的比压应大于或者等于密封必须比压；当安全阀进口无介质压力时，安全阀密封面上的比压应小于或等于密封材料的许用比压。计算结果q2＜［q］，但q1＜qMF，计算结果不符合设计要求。

将A28H-16、DN50弹簧直接载荷全启式安全阀放置于SFA-QT安全阀校验台上，校验介质为常温空气，将整定压力调整为1.55MPa，完全泄压后，缓慢升压至工作压力1.20MPa时保压，用肥皂水检查安全阀的密封连接处，此时安全阀能够良好的密封；继续缓慢升高安全阀进口压力至密封试验压力（90%整定压力）1.4MPa时保压，用肥皂水检查安全阀的密封连接处，此时安全阀亦能够良好的密封。试验结果证实：设计的型号A28H-16、DN50弹簧直接载荷全启式安全阀在规定的密封试验压力下能够良好的密封，设计计算中的密封比压计算结果有误。

3 安全阀设计计算项目建议

TSG ZF001—2006《安全阀安全技术监察规程》中规定安全阀的型式试验包括设计文件审查和安全阀样品的检验与试验。设计文件的审查除了要求安全阀设计的无损检测、热处理、焊接、材料、结构等方面符合技术需要外，还要求设计图纸、设计计算书等设计文件齐全；设计参数等数据的选用及其来源符合要求，设计采用的计算方法正确，必要时，应当进行验证计算。

对于安全阀设计计算具体计算项目，TSG ZF001—2006《安全阀安全技术监察》、TSG D7002—2006《压力管道元件型式试验规则》、GB/T 12241—2005《安全阀一般要求》、GB/T 12242—2005《压力释放装置性能试验规范》、GB/T 12243—2005《弹簧直接载荷式安全阀》等国内安全阀相关法规、标准中均未做详细规定。

安全阀按照结构型式的不同，其性能影响因素与安全运行影响因素亦不同，建议安全阀设计计算项目见表2：

表2 建议的安全阀设计计算项目

［1］ TSG ZF001—2006 《安全阀安全技术监察规程》［S］.

［2］周震.安全阀［M］.北京：中国标准出版社，2003：99-104.

［3］胡斌.安全阀安装施工中的常见问题［J］.压力容器与管道安装，2010，（5）：30-31.

［4］梁兰芳.安全阀设计和选用中需注意的几个问题［J］.中国特种设备安全，2009，25（12）：13-15.

［5］丁二喜，等.《安全阀安全技术监察规程》的修订建议［J］.中国特种设备安全，2014，30（6）：34-37.

Discussion on Sealed Specifi c Pressure Calculation of Safety Valves and Revision Suggestions on Its Design Calculation Item

Ding Erxi Chen Wei Wu Jiquan
（Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test Shenzhen 518029）

The sealed specifi c pressure is one of the important design calculation items for safety valves. Now most domestic manufacture's standards are according to the “Utility valves design manual”. It is found with calculate and verification test that the calculation manner of the sealed specific pressure in the “Utility valves design manual” is wrong. At last some suggestions about the design calculation items are given.

Safety valve Sealed specifi c pressure Mandatory specifi c pressure

X933.4

B

1673-257X（2015）04-14-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2015.04.004

丁二喜（1982～），男，硕士，高级工程师，从事承压部件试验与金属材料检测工作。

2014-07-16）