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剪切式安全阀设计说明书
摘要
安全阀是保障石油化工设备正常运行的重要组成部分,它的启闭件受外力作用下处于常闭的状态,当设备或管道的介质压力升高,超过规定值时,它会自动开启,通过向系统外排放介质来防止管道或设备介质压力超过规定数值。
安全阀属于自动阀类,主要用于锅炉、压力容器和管道上,控制压力不超过规定值,由此对人身安全和设备运行起重要的保护作用。
安全阀在系统中起安全保护作用。
当系统压力超过规定值时,安全阀打开,将系统中的一部分气体/流体排入大气/管道外,使系统压力不超过允许值,从而保证系统不因压力过高而发生事故。
安全阀结构主要有三大类:
剪销式、弹簧式和杠杆式。
弹簧式是指阀瓣与阀座的密封靠弹簧的作用力。
杠杆式是靠杠杆和重锤的作用力。
随着大容量的需要,又有一种脉冲式安全阀,也称为先导式安全阀,由主安全阀和辅助阀组成。
此外,随着使用要求的不同,有封闭式和不封闭式。
关键词:
安全阀,剪销,密封,限压,石油钻井
1.引言----------------------------------------------------------------------------------------------1
1.1简介-----------------------------------------------------------------------------------------2
1.2剪切式安全阀的工作原理------------------------------------------------2
1.3剪切式安全阀的优点------------------------------------------------2
1.4剪切式安全阀安装前应注意事项----------------------------2
2.剪切式安全阀设计计算----------------------------------------------------------2
2.1安全阀的受力计算-------------------------------------------------------------------2
2.2安全阀的零件强度计算--------------------------------------------------------------------2
2.3安全阀的使用规格-----------------------------------------------------------------2
3剪切式安全阀的结构设计---------------------------------------------------------------3
3.1安全销的结构设计--------------------------------------------------------------------------3
3.2法兰盘设计-----------------------------------------------------------------------------------5
3.3阀杆设计----------------------------------------------------------------------------------------7
3.4组合密封圈结构设计------------------------------------------------------------------------8
3.5阀体设计----------------------------------------------------------------------------------9
3.6接头设计----------------------------------------------------------------------------------9
3.7压紧螺母设计----------------------------------------------------------------------------------9
3.8缓冲垫圈设计----------------------------------------------------------------------------------9
3.9保护盖设计----------------------------------------------------------------------------------9
3.10钢套设计----------------------------------------------------------------------------------9
4.安全阀开启压力的调整---------------------------------------------------------------------10
5.安全阀常见故障及消除方法--------------------------------------------------------------11
6.补充说明--------------------------------------------------------------------------------------12
参考文献------------------------------------------------------------------------------------------13
1.引言
随着全球经济的发展,整个世界对于能源的要求与日俱增,供需矛盾也日益突出。
我国地大物博,石油资源原本非常丰富,但随着国民经济的飞速发展,我国的能源形势已变得越来越严峻,目前对石油的勘探和开发已经达到相当广泛的程度,因此正日益向海洋区域开采。
海洋采油法规规定;在油气开采过程中,凡具有自喷或自溢能力的井都必须安装井下安全阀。
油气井安装井下安全阀系统后,一旦采油气平台出现火灾或遭受其他重大灾害,油气井就能够自动关闭,从而避免严重的人员伤亡、井喷和海洋污染等恶性事故的发生。
而我国井下安全阀大多依赖于进口,现有的技术还处于初始研究阶段。
1.1简介
剪切式安全阀在石油钻井机械中有非常重要的作用。
剪销被剪断时的应力,随控制泥浆压力的升高而上升,。
当由泥浆所产生的的压力推压阀杆,穿过阀杆的剪切销所受到的剪切里越来越大,最终达到剪切销的最大剪切应力,剪切销被剪断。
阀杆向上运动,最终打开泄压阀泄流。
在阀杆剪切剪切销的时候,阀杆对剪切销的剪切力可近似处理为等于泥浆对阀杆底部的推力,忽略摩擦和自身阀杆重力进行计算。
1.2剪切式安全阀的工作原理
安全阀由阀杆,阀体、箱体、剪销及护罩等组成。
泥浆压力作用在阀体下端面,阀体就受到一个向上的推力,该推力由阀杆传剪切销,使剪销受到剪切。
当推力达到使剪销受到的剪切应力大于剪销材料的剪切强度极限时,剪销便被剪断。
当活塞的直径的直径确定之后,通过剪切销的不同直径,可以控制不同的泥浆压力。
因此在施工中,只要根据施工技术要求,确定泥浆压力后,把不用直径的剪销插入相应的孔中即可。
1.3安全阀的优点
(1)开闭灵活
(2)承压活塞面积小(3)复位简单(4)通用性好,可与多种泵联接。
1.4安全阀安装前应注意事项
(1)各种安全阀都应垂直安装。
(2)安全阀出口处应无阻力,避免产生受压现象。
(3)安全阀在安装前应专门测试,并检查其管密封性。
(4)对使用中的安全阀应作定期检查。
2安全阀设计计算
2.1安全阀的受力计算
通过剪切式安全阀的整体设计,安全阀局部受力分析如下:
1.活塞承受压力F=P*A=1/4πD²P
P------泥浆泵压力mpa
D------活塞直径mm
不同缸套直径下活塞承受压力如下表:
缸套直径,mm
180
170
160
150
140
130
泵压(mpa)
23.1
25.9
29.2
33.2
34.5
34.5
活塞压力(N)
29013.6
32530.4
36675.2
41699.2
43332
43332
2.阀体受力计算
阀体承受水平拉应力:
=9.8
阀体承受垂直方向应力:
=2
则满足
=9.8取
=10mm,即取阀体壁厚为10mm
。
2.2安全阀的零件强度计算
2.2.2剪切销的强度
采用Q215,正火处理,σb=400mpa,活塞直径D=40mm
则:
阀杆产生的推力
(公式1)
剪切销剪切应力
(公式2)
剪切销直径
(公式3)
表1
缸套直径,mm
180
170
160
150
140
130
泵压(mpa)
23.1
25.9
29.2
33.2
34.5
34.5
剪切应力(N)
14506.8
16265.2
18337.6
20849.6
21666
21666
剪切销直径(mm)
7.6
8
8.5
9.1
9.2
9.2
2.2.2阀杆强度计算
采用40Cr,表面调质处理,其强度30-35HRC,σS=345mpa,安全系数s=1.5,【σ】=σS/s=345/1.5=230mpa其中直径设为20mm则:
(公式4)
满足要求。
2.3安全阀的使用规格
经过安全阀的受力计算以及整体的强度理论计算,通过以上公式1-4,算的安全阀的使用规格如下:
3NB-1600泥浆泵安全阀使用规格
缸套直径,mm
180
170
160
150
140
130
泵压(mpa)
23.1
25.9
29.2
33.2
34.5
34.5
剪切应力(N)
14506.8
16265.2
18337.6
20849.6
21666
21666
剪切销直径(mm)
7.6
8
8.5
9.1
9.2
9.2
3剪切式安全阀的结构设计
3.1安全销的结构设计
剪切销是剪切销式安全阀最关键的部件。
通过剪切销的理论强度计算,现在剪切销采用Q215,正火处理,结构图如下:
3.2法兰盘设计
由于法兰盘承受高压载荷,为满足设计需要,法兰盘选用环联接面对焊钢制管法兰(PN42.0MPa),结构图如下:
公称通径|DN:
150
法兰焊端外径(管子外径)|A:
168.3
联接尺寸|法兰外径|D:
485
联接尺寸|中心圆直径|K:
368.5
联接尺寸|螺栓孔径|L:
55
联接尺寸|螺栓|数量n:
8
联接尺寸|螺栓|螺纹Th.:
M52
密封面|槽号:
R47
密封面|dmin:
279.0
密封面|P:
228.60
密封面|E:
12.70
密封面|F:
19.84
密封面|Rmax:
1.5
法兰厚度|C:
108.0
法兰高度|H:
273
法兰颈|N:
235
法兰径|B:
108.2
两法兰间距离(近似值):
4
3.3阀杆设计
通过阀杆的理论强度计算,现采用40Cr,表面调质处理,阀杆经过精加工光洁度较高。
结构图如下:
3.4密封圈的结构设计
由于要求密封性能非常高,所以使用O型密封圈,使其密封性得到加强。
图中材料采用聚氨酯,更使其密封性和其耐酸碱腐蚀性得到很大提高。
3.5阀体设计
材料采用合金工具钢2Cr13,阀体与法兰盘连接部分采用管螺纹连接,采用调质处理,硬度28-32HRC。
阀体腔经过精加工光洁度较高,维修保养方便。
1.阀体中部
2.下阀体
3.右端管道
4.
3.6接头设计
材料采用合金工具钢2Cr13,阀体与接头连接部分采用管螺纹连接,采用调质处理,硬度28-32HRC。
接头腔经过精加工光洁度较高,维修保养方便。
3.7压紧螺母设计
螺纹规格D=M10,性能等级为8级,不经表面处理,A级的I型六角螺母。
2.8缓冲垫圈设计
由于要求密封性能不高,主要起缓冲作用。
图中材料采用聚氨酯。
2.9保护盖设计
由于保护盖受力不大,对材料的强度要求不高,因此材料选用Q195。
保护盖外表面涂漆。
2.10衬套设计
材料采用20Mn2,渗碳淬火后硬度56-62HRC。
钢套与阀体采用过盈连接,钢套表面经过精加工光洁度较高。
4安全阀的安全使用及调整
(1)安全阀出厂前,应逐台调整其开启压力到用户要求的整定值。
若用户提出安全销工作压力级,则按一般应按压力级的下限值调整出厂。
(2)使用者在将安全阀安装到被保护设备上之前或者在安装之前,必须在安装现场重新进行调整,以确保安全阀的整定压力值符合要求。
(3)在铭牌注明的安全销工作压力级围,通过剪销的不同位置,即可对开启压力进行调节。
(4)为保证开启压力值准确,应使调整时的介质条件,如介质种类、温度等尽可能接近实际运行条件。
介质种类改变,特别是当介质聚积态不同时(例如从液相变为气相),开启压力常有所变化。
工作温度升高时,开启压力一般有所降低。
故在常温下调整而用于高温时,常温下的整定压力值应略高于要求的开启压力值。
高到什么程度与阀门结构和材质选用都有关系,应以制造厂的说明为根据。
(5)常规安全阀用于固定附加背压的场合,当在检验后调整开启压力时(此时背压为大气压),其整定值应为要求的开启压力值减去附加背压值。
(6)密封性试验密封性试验时,试验压力为最大公称压力45MPa,持续时间5分钟(GB50243)。
4.安全阀常见故障及消除方法
(1)排放后阀杆不回座
这主要是阀杆安装位置不正或被卡住造成的。
应重新装配。
(2)泄漏在设备正常工作压力下,密封件与阀座密封面之间发生渗漏。
其原因有:
密封件与阀座密封面之间有脏物。
可重新安装前清洗;如果还泄露,看密封件是否损伤。
若密封件损伤,应该更换;阀杆弯曲、倾斜或者是杠杆与支点有偏斜而造成,使阀芯与座孔错位。
应重新装配或者是更换;看看销是否有损伤,若有损伤应更换。
(3)到规定的压力时却不开启
定压不准是造成这种情况的原因。
看看销的直径、材料及其摇臂孔的位置是否正确。
(4)不到规定的压力而开启
主要原因的是定压不准;销的疲劳、材料及其摇臂孔的位置是否正确。
应及时调整。
5.以上容的几点补充说明
(1)铸件应进行时效处理,清砂,修毛刺。
(2)与箱盖合箱后,分箱面边缘分析,每边错位不超过2mm。
(3)装配前所有零件清洗,而摇臂表面镀铬处理。
(4)各密封处不许漏气、液体或固液混合物,尤其是法兰盘与管道,活塞处密封性能会影响产品的性能以及其他因素。
(5)安全销件数6个,装配时安装装一个,其他备用放在塑料袋中。
参考文献
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