剪切式安全阀设计说明书

1、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，当设备或管道内的介质压力升高，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内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

2、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 目录1. 引言-11.1 简介-21.2 剪切式安全阀的工作原理-21.3剪切式安全阀的优点-21.4剪切式安全阀安装前应注意事项-22 .剪切式安全阀设计计算-22.1安全阀的受力计算 -22.2安全阀的零件强度计算 -22.3安全阀的使用规格-23 剪切式安全阀的结构设计-33.1安全销的结构设计- - -33.2法兰盘设计-53.3阀杆设计-73.4组合密封圈结构设计-83.5阀体设计-93.6

3、接头设计-93.7压紧螺母设计-93.8缓冲垫圈设计-93.9保护盖设计-93.10钢套设计-94.安全阀开启压力的调整-105.安全阀常见故障及消除方法-116.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

4、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

5、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

6、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=1/4D²PP-泥浆泵压力 mpaD-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, mm180170160150140130泵压（mpa）23.125.929.233.234.534.5活塞压力（N）29013.632530.436675.241699.243332433322. 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

7、的零件强度计算 2.2.2剪切销的强度采用Q215，正火处理，b=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, mm180170160150140130泵压（mpa）23.125.929.233.234.534.5剪切应力（N）14506.816265.218337.620849.62166621666剪切销直径（mm）7.688.59.19.29.2阀杆强度计算 采用40Cr，表面调质处理，其强度30-35HRC，S=345mpa，安全系数s=1.5 ，【】=S/s=345/1.5=230m

8、pa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, mm180170160150140130泵压（mpa）23.125.929.233.234.534.5剪切应力（N）14506.816265.218337.620849.62166621666剪切销直径（mm）7.688.59.19.29.23 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

9、，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: 23

10、5法兰内径|B: 108.2两法兰间距离(近似值): 43.3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。阀体内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

11、调质处理，硬度28-32HRC。接头内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，钢套内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

12、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范围内，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

13、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

14、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.以上内容的几点补充说明（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1 杨前驱.石油矿用泵销轴式安全阀的计算方法J.石油钻采机械通讯，1980 年第一期.2 王金蒲.安全阀的安装、校验和试验J.劳动保护， 1981年12期.3 蔡尔辅.安全阀的选用与计算J.石油化工,1981年11期.4 陈立德.机械设计基础M.北京：高等教育出版社,2004.5 陈于萍,高晓康.互换性与测量技术M.北京：高等教育出版社,2005.6 陈立德.机械设计基础课