安全阀设计 (2013修改版)

基于LNG工艺的先导式安全阀的优化设计09机械一班汤景掀指导老师：李爱社老师摘要液化天然气（LNG）作为一种清洁、高效的新能源已越来越受到青睐，很多国家已经开始慢慢普及使用LNG。

LNG是天然气净化处理后，再经过超低温（-162℃）液化而成的。

因为LNG的加工是一项需要在低温进行的工艺，所以在设计先导式安全阀的过程中，这是一个必须着重考虑的问题。

而先导式安全阀是一种由导阀和主阀组成的安全阀，它广泛使用在石油化工、热电、燃气输送等行业当中。

本文的研究目的就是对现有的先导式安全阀进行深入探索和优化设计，务求让其质量最轻，流阻最小。

从而使这种基于LNG工艺的先导式安全阀能在正常运行中有更稳定的发挥和更优质的表现。

关键词液化天然气；先导式安全阀；低温；优化设计ABSTRC Liquefied natural gas (LNG) is a new energy which is clean and efficient and is increasingly popular. With the popularization of liquefied natural gas, more and more countries has been more used for this new energy. The LNG after the natural gas purification, then at ultralow temperatures (-162℃) liquefaction generating. Because of LNG is a process that have to carry out in low temperature, so it must be focused on the issues when design the pilot operated safety valve. And the pilot operated safety valve consisted of pilot valve and main valve, it was widely used in many industries such as petroleum and chemicals, thermal power, gas transportation and so on. The research purpose of this thesis is to deep-going research and optimal design for the existing pilot opera ted safety valve to achieve it’s minimum mass and lowest flow resistance. To make the pilot operated safety valve which based on LNG process, have a solid and more perfect performance in normal operation.KEY WORDS liquefied natural gas; pilot operated safety valve; low temperature;optimal design先导式安全阀以其独特的优点，已经被广泛使用在天然气、石油气以及工业管道和化工压力容器上。

先导式安全阀的主要特点表现在排气量大，启闭迅速，具有防火防爆、防静电和密封可靠。

当然，先导式安全阀也有它不足的地方。

首先，在结构上，先导式安全阀与传统的安全阀有很大不同。

先导式安全阀是由主阀、导阀、泄放阀、接头和导管等组成的。

鉴于这样的原因，所以如何优化先导式安全阀的结构和减轻其重量有着非常重要的理论意义和应用价值。

因为这可以在一定程度上降低了先导式安全阀出现故障的机率和降低其成本。

同时，先导式安全阀的阀瓣与阀腔流道也会造成阻力损失。

分析造成流阻的因素和原因，通过一系列的优化设计和计算，可以尽可能地减少流阻，让先导式安全阀的工作效率最大化。

本论文首先是在探究先导式安全阀的基础上，进一步深入了解以及优化基于LNG 工艺的先导式安全阀，最终的研究目的是能够是先导式安全阀的质量最轻，流阻尽可能地达到最低，并且不会影响其正常的工作。

本论文的研究内容主要从以下六章进行阐述。

本论文各章的概要如下：第一章扼要介绍基于液化天然气工艺的先导式安全阀的相关信息，并引出在设计过程中的难点和关键要注意的地方。

第二章主要是根据ASME VIII及API 520标准进行阀门的计算，并跟由GB设计依据设计出来的数据进行比对。

第三章详细设计阀门内部结构第四章详细讨论密封材料在低温情况下的性能变化，从而确定先导式安全阀所使用的材料。

第五章主要是展示先导式安全阀的总装图，展示先导式安全阀的主要结构。

第六章总结整篇论文的研究工作，总结存在的问题和最终的优化方案。

2.基于LNG工艺的先导式安全阀2.1LNG工艺与先导式安全阀液化天然气（简称LNG）已被工业界公认为地球上最清洁的能源。

LNG的主要成分是甲烷，燃烧后只生成二氧化碳和水，对环境造成的污染比起石油相差甚远。

LNG是一种无毒、无味、无色且无腐蚀的能源，因为其热值大、性能高，所以逐渐陈伟世界油气工业界的又一个新的发展热点。

因为LNG是天然气净化以后，再通过超低温液化而成的，它的存放必须保持温度在-162℃左右的低温，因此为了达到液化天然气安全地使用要求，先导式安全阀所使用的低温合金钢，必须能在-170℃的条件下可以与液化天然气接触并且能够保持很好的低温韧性、抗裂纹能力。

所以LNG所使用的低温材料必须具备以下四种特性：强度、热应力与应变及抗腐蚀特性。

作为安全阀里面的一个分支，先导式安全阀（又叫脉冲式安全阀）最大的不同就是，它是非直接作用式的安全阀，它是由主阀和导阀组成的，利用导阀排出的介质来驱动或者控制主阀启动。

先导式安全阀有一个显著的特点就是主阀里面压紧阀瓣的力比普通的直接作用式安全阀的作用力要大得多。

这就确保了先导式安全阀在关闭状态时的密封可靠，同时，先导式安全阀的阀门灵敏度也相对比较高。

适用在大流量、高压力、高背压和安装位置紧凑的场合。

在化工、石油、冶金、电站和核电等领域方面应用特别广泛。

所以基于LNG工艺的先导式安全阀得以兴起。

2.2先导式安全阀的工作原理当系统正常运行时，先导式安全阀其实处于关闭状态，并没有实际工作。

系统压力经过进口压力管道、控制阀和液室压力管道传到先导式安全阀的上腔。

这样就可以在主阀瓣的上方产生一个向下的作用力，使主阀处于一个关闭状态，从而起到强而有力的密封作用。

（如图一所示）当系统压力达到控制阀的开启压力时，滑梭封闭了导阀的进液通道，从而阻断了液体在导阀的流动，这时主液室的压力急剧下降，从而形成压差。

而此时，主阀阀瓣完全打开，液化天然气通过控制阀的出口进入主阀的开腔进行泄放降压。

（如图二所示）当系统压力恢复正常时，压力值降到回座压力值时，控制阀关闭，阀瓣也也随之关闭。

滑梭也被顶开，液化天然气通过导阀重新进入主液室，主阀关闭。

图一先导式安全阀关闭状态图二先导式安全阀泄放状态3.先导式阀门的相关计算3.1关于先导式安全阀的计算标准根据设计要求，本论文设计的先导式安全阀是根据美国标准ASME VII以及API 520的标准去进行各项数据的运算。

同时，本论文还根据国家标准对先导式安全阀的相关数据进行了计算。

通过两个不同标准计算得出的具体数据对比，可以更有针对性地进行先导式安全阀的设计和优化。

本论文在设计初期已给出相关的数据要求，所研究优化的先导式安全阀为非流动调节式的，在整个先导式安全阀的设计过程中，都会根据以下数据作为标准进行计算。

具体数据如下：给定排量——18t/h设定压力值——23Kpa口径——DN12″材料——CF33.2先导式安全阀的流道直径及流道面积的确定根据GB进行计算：1、首先应通过排量计算确定安全阀的额定排量，安全阀的额定排量应大于并尽可能接近必要的排放量（即安全泄放量），以确保承压设备的安全运行。

因为本设备的工作介质为LNG，所以应根据介质为液体的公式进行相关计算：W r=K dr A√∆pρ(2-1)0.1964式中∆pp−阀前后压差ρ−介质密度（kg/m3）,LNG的密度一般是0.42~0.46g/cm3,这里取密度为0.44g/cm3、参考《阀门设计手册》，可查阅表4-110“安全阀额定排量系数”，确定K dr为0.75，表如下表安全阀额定排量系数式中∆p按下式计算：∆p=P dr−P b(2-2)式中P dr—额定排放压力（Mpa），通常取P dr=1.2p s,经查表得p s 取1.06倍工作压力。

P b−阀门出口压力,取23Kpa。

因为此安全阀为全启式安全阀，所以上述各式中的安全阀额定排量系数K dr取0.7~0.8，初定0.75。

从《阀门设计手册》里面的表“ANSI B16、34规定的钢制阀门的流道直表一 ANSI B16、34规定的钢制阀门的流道直径径”查到，若公称通经为DN 12″，公称压力为PN 2，则从表中可以查到对应的流道直径为d0=305mm且由式（2-1）已知W r=K dr A √∆pρ0.1964=18000kg/h即流道面积A为A=rK dr√∆pρ0.1964=0.75√(1.2x1.06x0.023−0.023)x4400.1964≈2842mm3从上述计算初步可得，流道直径d0=305mm，流道面积A为2842mm3。

3、安全密封计算当被保护的设备处于正常运行压力的时候（相当于安全阀的密封压力）p时，安全阀密封面上的比压应大于或等于必须比压力，根据公式可得：q1=D m（p s−p）4b≥q b（4-1）式中q1−介质压力为P时密封面比压力（Mpa）p−设备正常运行压力（安全阀密封压力）（Mpa）p s−安全阀整定压力（Mpa）D m −关闭件密封面平均直径（mm ）,取b −关闭件密封面宽度（mm ）q b −必须密封比压（Mpa ）因为在系统压力超过正常值的时候，先导式安全阀是通过介质的压力把主阀的阀瓣压紧的，所以当介质压力为P 时的密封面压力肯定会大于或等于必须必压力，因为q 1的压力就是通过介质提供的，所以一定作用在主阀瓣上的作用力一定大于或等于必须比压力。

当先导式安全阀未进行正常工作时，进口并没有介质压力时，密封面上的比压应小于或等于许用比压，即：q 2=D m ρs 4b ≤[q ] （4-2）式中 q 2−安全阀进口无介质压力时密封面上的比压（Mpa ）[q ]−密封面许用比压4、弹簧式安全阀动作特性计算及弹簧刚度的确定弹簧式安全阀的动作特性，即排放压力、开启高度、回座压力等性能，取决于阀门开启和关闭（回座）过程中流体对阀瓣作用的升力与弹簧载荷力的共同作用结果。