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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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[12]程.泥浆泵安全阀剪销的位置和材质.石油机械[J]，1986，14（8）
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