剪切式安全阀设计说明书

剪切式安全阀设计说明书 Prepared on 22 November 2020

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、弹簧式和式。弹簧式是指阀瓣与的密封靠弹簧的作用力。杠杆式是靠杠杆和的作用力。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----------------------------------------------------------------------------------------------1 简介-----------------------------------------------------------------------------------------2 剪切式安全阀的工作原理------------------------------------------------2剪切式安全阀的优点------------------------------------------------2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 安全阀的受力计算-------------------------------------------------------------------2 安全阀的零件强度计算--------------------------------------------------------------------2 安全阀的使用规格-----------------------------------------------------------------2

3 剪切式安全阀的结构设计---------------------------------------------------------------3 安全销的结构设计--------------------------------------------------------------- --- --------3

法兰盘设计-----------------------------------------------------------------------------------5 阀杆设计----------------------------------------------------------------------------------------7 组合密封圈结构设计------------------------------------------------------------------------8 阀体设计----------------------------------------------------------------------------------9 接头设计----------------------------------------------------------------------------------9 压紧螺母设计----------------------------------------------------------------------------------9 缓冲垫圈设计----------------------------------------------------------------------------------9 保护盖设计----------------------------------------------------------------------------------9 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。

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。

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。

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。

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 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：

2.阀体受力计算

阀体承受水平拉应力：n

D P s

*8.0*21***δδπδ≤

Λ=

水平 水平δ=

阀体承受垂直方向应力：()[

]

n D P D D D P

D s

*8.04**4*24

**4

2

2222δδδδππ

δ≤+=++=拉 水平δ=2

则 满足δ= 取δ=10mm,即取阀体壁厚为10mm

。

安全阀的零件强度计算

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 P D F **4

1

2=（公式1）

剪切销剪切应力 []mpa b d F

3208.02**4

12

=≤=δπτ （公式2）

剪切销直径 320*2*4

1

F d >

（公式3）

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= ，【σ】=σS/s=345/=230mpa 其中直径设为20mm 则：

[]mpa 2302.137204/15.34404/12

2≤=?????=ππδ （公式4）

满足要求。

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：

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：

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，结构图如下：

公称通径|DN: 150

法兰焊端外径(管子外径)|A:

联接尺寸|法兰外径|D: 485

联接尺寸|中心圆直径|K:

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:

密封面|P:

密封面|E:

密封面|F:

密封面|Rmax:

法兰厚度|C:

法兰高度|H: 273

法兰颈|N: 235

法兰内径|B:

两法兰间距离(近似值): 4

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：

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。

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

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。接头内腔经过精加工光洁度较高，维修保养方便。

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。

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。

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。

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，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），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

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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.

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