汪朝陽(yáng)，鮑鮮宇，何 葳，郭善剛

(1.北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司 安全閥事業(yè)部，北京 100176；2.北京航天動(dòng)力研究所，北京 100076)

0 引言

安全閥是一種起超壓保護(hù)作用的特種設(shè)備，是鍋爐，壓力容器及壓力管道等承壓設(shè)備的重要安全附件之一，廣泛地應(yīng)用于石油、化工、電力、冶金等行業(yè)。

安全閥的工作原理是當(dāng)被保護(hù)設(shè)備的介質(zhì)壓力升高并最終達(dá)到安全閥的整定壓力時(shí)，安全閥的閥瓣開(kāi)啟并排放介質(zhì)，從而降低設(shè)備內(nèi)壓力，以達(dá)到保護(hù)設(shè)備不因超壓而損壞的目的。當(dāng)設(shè)備內(nèi)介質(zhì)壓力降低至安全范圍后，安全閥的閥瓣回座并形成密封，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行[1]。保證安全閥密封的可靠性十分重要，安全閥的非正常泄漏，輕則造成物料的浪費(fèi)；重則可能造成嚴(yán)重的生產(chǎn)事故[2-5]。

安全閥的主密封由閥瓣與閥座構(gòu)成，常見(jiàn)的閥座閥瓣間密封面型式主要分為金屬密封，密封塊密封，O型圈密封，這三種常規(guī)密封面型式可以滿(mǎn)足絕大多數(shù)工況條件需求。但針對(duì)如液氮、液氧、LNG儲(chǔ)罐等低溫低壓的極端工況，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)[6]。此類(lèi)工況下安全閥的整定壓力小于0.1 MPa，工作溫度小于-100 ℃，對(duì)安全閥的性能提出了更高的要求，主要原因如下：

(1)因介質(zhì)的特殊性，例如液氧、LNG等泄漏時(shí)有燃燒爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，需要保證安全閥無(wú)泄漏，金屬密封型式無(wú)法滿(mǎn)足設(shè)備對(duì)泄漏率的要求，因而需要采用軟密封的密封型式；

(2)在低溫工況下，因O型圈用的橡膠材料的耐寒性能較差，在低溫下會(huì)出現(xiàn)硬化等現(xiàn)象，影響其密封性能及使用壽命，故不宜使用O型圈密封型式；

(3)在低壓工況下，因所需的彈簧預(yù)緊力較低，不利于密封塊與閥座擠壓形成足夠的壓痕，進(jìn)而無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效密封，故不宜使用密封塊密封型式，且低壓工況下，介質(zhì)對(duì)于閥瓣組件等提供的開(kāi)啟力較低，需要對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)及精簡(jiǎn)，降低其質(zhì)量，保證閥門(mén)的正常開(kāi)啟。

本文基于上述考慮，設(shè)計(jì)低溫低壓安全閥的密封結(jié)構(gòu)，使用膜片式的閥瓣組件實(shí)現(xiàn)密封；并對(duì)閥瓣組件開(kāi)啟力與密封力計(jì)算，保證其在低壓工況下的動(dòng)作性能；同時(shí)，使用有限元仿真軟件Abaqus對(duì)閥瓣組件的啟閉過(guò)程進(jìn)行仿真模擬，分析膜片的應(yīng)力與應(yīng)變情況；最后，對(duì)于密封結(jié)構(gòu)中的膜片下壓深度進(jìn)行分析，下壓深度過(guò)小，則密封有泄漏可能；下壓深度過(guò)大，則膜片有折斷破損可能。在關(guān)鍵密封接觸面上設(shè)置分析路徑，提取其壓力值，依據(jù)密封壓力比的原則，研究下壓深度對(duì)于密封可靠性的影響，為進(jìn)一步的的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作提供參考。優(yōu)化后的低溫低壓安全閥已通過(guò)充分的試驗(yàn)及工程驗(yàn)證，具有良好的動(dòng)作及密封性能，低溫試驗(yàn)過(guò)程如圖1所示。

圖1 安全閥的低溫試驗(yàn)過(guò)程Fig.1 Cryogenic test process of safety valve

1 低溫低壓安全閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)計(jì)算

1.1 低溫低壓安全閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于上文對(duì)于低溫低壓工況特點(diǎn)的分析可知，不宜使用常用的密封面型式，故采用一種膜片式的密封結(jié)構(gòu)，其可以保證安全閥在低溫工況的密封性能。

同時(shí)，由于低壓工況下介質(zhì)為閥瓣組件提供的開(kāi)啟力不足，安全閥的動(dòng)作性能會(huì)受到影響。為解決此問(wèn)題，一方面需要擴(kuò)大密封中徑，增大受力面積；一方面需要精簡(jiǎn)零件結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)零件的輕量化。

基于以上思路進(jìn)行低溫低壓安全閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。低溫低壓安全閥由閥體、閥座、膜片保護(hù)板、膜片、閥瓣、閥桿、彈簧、上彈簧座、閥蓋、調(diào)整螺釘、閥帽等組成。

圖2 低溫低壓安全閥的結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural diagram of the low temperature and low pressure safety valve

低溫低壓安全閥主要有以下特點(diǎn)。

(1)密封面型式采用膜片式的密封結(jié)構(gòu)，閥瓣組件主要由閥瓣，F(xiàn)EP(全氟乙烯丙烯共聚物)膜片，膜片保護(hù)板，壓環(huán)組成。其中，F(xiàn)EP膜片外圈存在一周均布的螺栓孔，壓環(huán)與閥瓣將FEP膜片夾在中間，并通過(guò)螺栓連接，可以保證FEP反復(fù)排放時(shí)不會(huì)被吹出。該密封結(jié)構(gòu)適用于低溫低壓工況下的嚴(yán)苛的工作環(huán)境，保證安全閥的密封性能，實(shí)現(xiàn)無(wú)泄漏。

(2)FEP膜片下端安裝有圓盤(pán)狀的膜片保護(hù)板，保護(hù)板材料為304不銹鋼。膜片保護(hù)板可以避免介質(zhì)排出時(shí)對(duì)膜片產(chǎn)生較大沖擊，或管道內(nèi)潛在的雜質(zhì)刮傷膜片，起到對(duì)膜片的保護(hù)作用。同時(shí)，由于密封時(shí)膜片的變形方向是向上的，下端的保護(hù)板不會(huì)影響其變形及密封效果。

(3)密封面處采用了更大的密封中徑，增大介質(zhì)與閥瓣組件的接觸面積，在低壓下可以提供更高的開(kāi)啟力。

(4)因低壓工況，閥門(mén)采用微啟式設(shè)計(jì)，閥桿與調(diào)整螺釘?shù)膶?dǎo)向結(jié)構(gòu)即可滿(mǎn)足閥瓣組件的導(dǎo)向需求。整體結(jié)構(gòu)中將下彈簧座與閥瓣一體化，刪除了彈簧直接載荷式安全閥中常見(jiàn)的反沖盤(pán)、導(dǎo)套、下調(diào)節(jié)圈等零件，使閥門(mén)結(jié)構(gòu)更為輕便，緊湊。

(5)閥門(mén)流道采用全通徑的結(jié)構(gòu)，微啟式閥門(mén)的閥瓣上升高度較低，閥門(mén)排放的簾面積較小，不利于介質(zhì)的排放，全通徑結(jié)構(gòu)可以顯著提高閥門(mén)的排量。

1.2 低溫低壓安全閥的工作原理與力學(xué)計(jì)算

低溫低壓安全閥的閥瓣組件主要由閥瓣，F(xiàn)EP膜片，膜片保護(hù)板，壓環(huán)組成，其工作原理如下。

(1)當(dāng)系統(tǒng)壓力低于閥的整定壓力時(shí)，彈簧對(duì)閥瓣組件施加預(yù)緊力，閥瓣組件的膜片與閥座保持緊密接觸，防止介質(zhì)泄漏，實(shí)現(xiàn)安全閥的密封作用。

(2)當(dāng)系統(tǒng)壓力增加達(dá)到整定壓力時(shí)，在系統(tǒng)壓力的作用下，閥瓣組件及閥桿克服彈簧的彈簧力向上運(yùn)動(dòng)，膜片與閥座分離，介質(zhì)通過(guò)閥體出口排出，實(shí)現(xiàn)安全閥的壓力泄放作用。

(3)當(dāng)閥瓣組件升起后，系統(tǒng)壓力快速降低，當(dāng)系統(tǒng)壓力降至回座壓力時(shí)，在彈簧作用下膜片與閥座重新接觸，實(shí)現(xiàn)安全閥的密封作用。

(4)通過(guò)控制調(diào)整螺釘?shù)牡男肷疃龋刂茝椈傻某跏級(jí)嚎s量，進(jìn)而改變其預(yù)緊力，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)安全閥整定壓力的調(diào)節(jié)。

綜上所述，低溫低壓安全閥的閥門(mén)密封力計(jì)算方法如式(1)所示，閥門(mén)開(kāi)啟力計(jì)算方法如式(2)所示。

F1=G+kH1-PA

(1)

F2=PZA-G-kH1

(2)

式中,F1為閥瓣組件處密封力；G為閥瓣組件等零件總重量；k為彈簧剛度；H1為彈簧壓縮量；P為安全閥工作壓力；A為閥瓣組件與閥座間密封面積；F2為閥瓣組件處開(kāi)啟力；PZ為安全閥整定壓力。

本文對(duì)一臺(tái)公稱(chēng)直徑為DN100的低溫低壓安全閥進(jìn)行計(jì)算，依據(jù)式(1)、式(2)的計(jì)算方法，其閥門(mén)相關(guān)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 DN100的低溫低壓安全閥的參數(shù)及計(jì)算結(jié)果Tab.1 Parameters and calculation results of low temperature and low pressure safety valve of DN100

2 低溫低壓安全閥膜片密封結(jié)構(gòu)的有限元分析

低溫低壓安全閥膜片密封結(jié)構(gòu)采取耐低溫的FEP材料制造密封膜片，采用低溫下常用的304金屬制造閥瓣、閥座及膜片保護(hù)板。膜片密封結(jié)構(gòu)的有限元仿真研究的是一種接觸問(wèn)題(金屬材料同塑料材料)，需要貫穿多個(gè)交叉理論的范圍。在開(kāi)始軟件仿真工作操作前，先對(duì)本次有限元仿真的基本思路進(jìn)行說(shuō)明[7-9]。

2.1 塑料膜片的特性

FEP(全氟乙烯丙烯共聚物)是一種塑料材料，具有非線性特征，其主要有如下特點(diǎn)[10-11]。

(1)材料非線性。

塑料材料被稱(chēng)為一種類(lèi)似超彈性材料。具體表現(xiàn)為其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為非線性。近些年來(lái)，研究人員從不同的理論出發(fā)提出了幾種典型塑料特性模型，包括從熱力學(xué)推導(dǎo)出的Exponential-Hyperbolic模型、Neo-Hookean模型，從表象學(xué)推導(dǎo)出的Mooney-Rivlin模型等。通常，對(duì)于超彈性材料的研究常用Mooney-Rivlin模型，故本文的有限元仿真也將基于此模型[12-13]。

此次仿真分析中，所用Abaqus軟件選取兩個(gè)材料參數(shù)表征的Mooney-Rivlin模型，則其應(yīng)變能函數(shù)表達(dá)式為：

W=C10(I1-3)+C01(I2-3)

(3)

式中,W為應(yīng)變能;C10，C01為塑料材料常數(shù)；I1,I2為應(yīng)變不變量。

(2)幾何非線性。

本文所用膜片材料的本構(gòu)關(guān)系為非線性的，彈性力學(xué)基本假設(shè)中包括小變形假設(shè)[14]。因此在彈性力學(xué)的框架下，需要滿(mǎn)足小變形條件，才可將材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系視為近似線性的。

有限元分析軟件在處理大變形幾何非線性問(wèn)題時(shí)，常常會(huì)發(fā)生計(jì)算不收斂情況。需要不斷的調(diào)整網(wǎng)格劃分方式，以實(shí)現(xiàn)有限元計(jì)算的順利進(jìn)行。隨著相關(guān)算法的不斷優(yōu)化，軟件計(jì)算速度和精度都有所改善。

(3)接觸非線性。

一方面要確定接觸范圍。載荷及邊界條件的變化都會(huì)改變接觸范圍，若接觸范圍的選取不夠完善，縝密，則在實(shí)際運(yùn)算中未定義接觸范圍可能發(fā)生相接觸，而最終導(dǎo)致不收斂現(xiàn)象出現(xiàn)。一方面要確定摩擦狀態(tài)。部件與部件之間都存在一定的摩擦，只是不同的物體間摩擦系數(shù)不相同。例如物體的材料屬性，接觸面間的表面光潔度，接觸中所用的潤(rùn)滑方式等都會(huì)影響摩擦系數(shù)。因此，要根據(jù)工程實(shí)際，選取合適的摩擦系數(shù)，才能建立合理的模型，得到更真實(shí)的結(jié)果。一般對(duì)于接觸摩擦問(wèn)題，常用的計(jì)算模型有拉格朗日乘子法、罰函數(shù)法、直接約束法等。在處理塑料材料與金屬材料接觸的問(wèn)題中，常使用罰函數(shù)法，故在本文的有限元仿真中也將采用罰函數(shù)法[15]。

2.2 塑料膜片密封性能判據(jù)

目前，對(duì)于塑料膜片的密封效果尚無(wú)統(tǒng)一的判定依據(jù)，但比較通用的判定依據(jù)如下式[16]：

PC=P0+iP≥mP

(4)

式中,PC為操作工況下的最大接觸壓力;P0為預(yù)緊工況下最大接觸壓力;P為閥門(mén)工作壓力;i為受壓參數(shù)，0≤i≤1;m為墊片參數(shù)。

密封膜片的制造材料為FEP，其墊片系數(shù)m可設(shè)定為1.00，代入式(4)可得：PC≥P。

據(jù)此，便得到了塑料膜片密封性能判據(jù)依據(jù)：當(dāng)塑料與金屬結(jié)構(gòu)的主要密封表面上的最大接觸壓力不低于介質(zhì)的內(nèi)部壓力，即可判定密封是可靠的；反之，密封面會(huì)產(chǎn)生泄漏現(xiàn)象。故在對(duì)于密封性能可靠性的有限元仿真中，主要密封表面上的最大接觸壓力。文中將選用最大接觸壓力作為判定數(shù)據(jù)，來(lái)區(qū)別密封是否可靠。

由于塑料材料具有非線性的特點(diǎn)，對(duì)密封膜片的有限元仿真帶來(lái)了一定難度，為了兼顧分析的真實(shí)準(zhǔn)確度與計(jì)算仿真的便捷高效性，需對(duì)本次有限元仿真過(guò)程做出以下假設(shè)：(1)塑料材料在拉伸與壓縮方面具有各向同性；(2)忽略塑料材料在實(shí)際使用中的老化因素；(3)閥瓣、閥座與膜片保護(hù)板所用材料為304不銹鋼，其剛度遠(yuǎn)超塑料材料的剛度，故其兩者接觸時(shí)可將閥瓣、閥座與膜片保護(hù)板視為不變形的剛體。

2.3 低溫低壓安全閥膜片密封結(jié)構(gòu)的有限元分析

本節(jié)將運(yùn)用有限元軟件Abaqus Standard模塊對(duì)低溫低壓安全閥膜片密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。遵循仿真模擬的通用步驟，先進(jìn)行部件模型的創(chuàng)建；再進(jìn)行仿真求解過(guò)程；接著對(duì)求解結(jié)果采用提取操作，并進(jìn)行分析優(yōu)化。

2.3.1 有限元模型建立

在進(jìn)行有限元仿真前先依據(jù)工況以及查閱相關(guān)文獻(xiàn)，確定相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)以及材料參數(shù)，具體參數(shù)如表2所示。本文以公稱(chēng)直徑為DN100的低溫低壓安全閥為例，選取其尺寸作為初始設(shè)計(jì)尺寸，進(jìn)行幾何模型的建立?？紤]到密封結(jié)構(gòu)屬于軸對(duì)稱(chēng)模型，為了提高計(jì)算效率，可對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，本節(jié)建立的模型為二維軸對(duì)稱(chēng)模型。所研究密封結(jié)構(gòu)主要由閥瓣、膜片、保護(hù)板、閥座組成。各部件裝配好的三維模型如圖3所示，簡(jiǎn)化后的有限元模型如圖4所示。

表2 閥門(mén)設(shè)計(jì)及材料參數(shù)Tab.2 Valve design and material parameters

圖3 膜片密封結(jié)構(gòu)的三維模型Fig.3 3D model of the diaphragm seal structure

圖4 膜片密封結(jié)構(gòu)的有限元模型Fig.4 Finite element model of diaphragm seal structure

有限元仿真過(guò)程包括密封過(guò)程與泄放過(guò)程，具體如下所述：(1)閥瓣、膜片、保護(hù)板組成的閥瓣組件在自身重力及彈簧力的作用下逐漸下沉，膜片與閥座接觸實(shí)現(xiàn)密封；(2)閥瓣組件在介質(zhì)壓力的作用下，閥瓣組件逐漸升起，膜片與閥座分離實(shí)現(xiàn)泄放。其中，閥瓣組件下壓深度過(guò)低，則膜片有泄漏可能；下壓深度過(guò)大，則膜片有折斷破損可能。通過(guò)對(duì)圖4中膜片的下壓深度H進(jìn)行調(diào)整，分析不同下壓深度對(duì)于膜片應(yīng)力應(yīng)變的影響，并依據(jù)上文所述的密封判據(jù)，對(duì)膜片密封情況進(jìn)行判定，最終選取合理的下壓深度。

創(chuàng)建完整的軸對(duì)稱(chēng)模型及分析步驟，主要包含以下要點(diǎn)。

(1)定義部件屬性。其中，膜片材料為FEP塑料材料，而閥瓣、保護(hù)板、閥座材料為304，其剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出FEP塑料材料。故本次仿真中將閥瓣、保護(hù)板、閥座作為剛體對(duì)待，在部件屬性的設(shè)置中將其設(shè)置為解析剛體而密封圈材料設(shè)置為可變形體。

(2)定義材料屬性。密封膜片材料為塑料材料，是一種超彈性材料，且該研究對(duì)象具有各向同性特性。故密封膜片材料定義為Mooney-Rivlin型式，已知其楊氏模量為7.8 MPa，經(jīng)驗(yàn)公式如式(5)(6)所示。

E=6(C10+C01)

(5)

C10=0.25C01

(6)

可得C01=1.04，C10=0.26，將兩個(gè)相關(guān)的型式參數(shù)C01,C10分別設(shè)定為1.04和0.26。先建立材料屬性，然后將其賦予密封膜片部件。

(3)設(shè)定并調(diào)整分析步。在定義完各項(xiàng)屬性之后，將會(huì)進(jìn)入分析步的設(shè)定中。在設(shè)定分析步時(shí)，軟件會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)分析步，稱(chēng)為初始分析步。在初始分析步中，可加入一些初始的邊界條件，為下一步運(yùn)算做準(zhǔn)備，主要包括位置邊界條件、載荷邊界條件與接觸邊界條件。

位置邊界條件：在對(duì)閥座、閥瓣、保護(hù)板此類(lèi)剛體結(jié)構(gòu)施加位置邊界條件前，需要定義其參考點(diǎn)(Rigid body reference point，簡(jiǎn)稱(chēng)RP)。對(duì)剛體的參考點(diǎn)添加位置邊界條件，閥座定義為完全固定。閥瓣及保護(hù)板則限制其X方向位移。對(duì)于可變形體FEP膜片，模擬實(shí)際安裝工況，設(shè)置其端部與閥瓣為綁定接觸。

載荷邊界條件：通過(guò)對(duì)剛體的參考點(diǎn)施加載荷，模擬彈簧、重力、介質(zhì)力的合力。通過(guò)載荷的變化，實(shí)現(xiàn)閥瓣、FEP膜片及保護(hù)板的位置變化，模擬閥門(mén)的密封過(guò)程與泄放過(guò)程。初始分析步載荷為0，密封過(guò)程載荷力方向向下，泄放過(guò)程載荷力方向向上。

接觸邊界條件：位置邊界條件設(shè)置好后，將對(duì)其接觸邊界條件進(jìn)行設(shè)置。此處，需要對(duì)預(yù)先建立密封膜片與閥瓣、保護(hù)板、閥座的接觸邊界條件。包括接觸范圍與摩擦模型，此處有三點(diǎn)需要注意：①由于閥瓣、保護(hù)板、閥座相對(duì)密封膜片來(lái)說(shuō)視為剛體，故分別將閥瓣、保護(hù)板、閥座表面設(shè)置為主表面，密封膜片表面設(shè)置從表面；②考慮到密封膜片后期可能會(huì)有大變形狀態(tài)存在，為了防止接觸面定義不充分導(dǎo)致的計(jì)算收斂問(wèn)題發(fā)生，需要將密封膜片與閥瓣、保護(hù)板、閥座之間的接觸表面定義得更為寬泛；③在接觸屬性定義時(shí)，根據(jù)較為通用的做法，選擇摩擦模型為罰函數(shù)模型，密封膜片與閥瓣、保護(hù)板、閥座金屬表面的摩擦系數(shù)選擇0.3，并允許接觸后分離。

(4)對(duì)部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。閥瓣、保護(hù)板、閥座為剛體，不需要進(jìn)行網(wǎng)格劃分。對(duì)于不可壓縮以及近似不可壓縮材料，Abaqus軟件需要對(duì)其進(jìn)行雜交單元網(wǎng)格劃分。密封膜片所用材料具有不可壓縮特性，故其網(wǎng)格劃分方式選定為CAX4H四邊形雜交單元。依據(jù)密封膜片的受力及變形特點(diǎn)，劃分網(wǎng)格時(shí)布種密度采用由中間向兩邊遞減的方式。劃分完成的網(wǎng)格，需要通過(guò)網(wǎng)格質(zhì)量測(cè)試，并以此確定更合理的劃分尺寸。經(jīng)網(wǎng)格質(zhì)量測(cè)試后，選定合理的網(wǎng)格尺寸。

2.3.2 有限元結(jié)果分析

在對(duì)模型進(jìn)行了上文所述的前處理后，即可進(jìn)入有限元仿真步驟。在仿真步驟結(jié)束后，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理操作，包括觀察云圖情況以及密封接觸壓力等。本次仿真中將下壓深度H分為6種，分別為0.5,0.7,0.8,0.9,1.3,2 mm，其有限元應(yīng)力云圖結(jié)果依次如圖5所示。

圖5 膜片密封結(jié)構(gòu)有限元分析云圖Fig.5 Finite element analysis nephogram of diaphragm seal structure

通過(guò)圖5可知，在不同的下壓深度的情況下，膜片的應(yīng)力、應(yīng)變情況都有顯著變化。依據(jù)上文所述塑料膜片密封性能判據(jù)依據(jù)對(duì)膜片密封性能進(jìn)行分析，需要對(duì)比密封面接觸壓力與介質(zhì)壓力。首先，對(duì)密封面接觸壓力進(jìn)行提取，通過(guò)在接觸面建立一條分析路徑的方式提取接觸壓力，路徑建立如圖6所示。通過(guò)XY圖的方式，導(dǎo)出壓力提取結(jié)果其結(jié)果如圖7所示。

(a)

(b)圖6 膜片密封結(jié)構(gòu)的接觸面分析路徑設(shè)置Fig.6 Contact surface analysis path settings for diaphragm seal structures

圖7 膜片密封結(jié)構(gòu)的接觸面路徑應(yīng)力情況Fig.7 Path stress of contact surface of diaphragm seal structure

在仿真中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)閥瓣組件與與閥座處于壓緊狀態(tài)時(shí)(如圖5所示)，密封膜片密封面接觸壓力與下壓深度成正相關(guān)。

通過(guò)圖7中的壓力提取結(jié)果，可以得出在各下壓深度時(shí)接觸面的最大接觸壓力。將最大接觸壓力與介質(zhì)壓力進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖8所示。

圖8 最大接觸壓力與介質(zhì)壓力對(duì)比Fig.8 Comparison of maximum contact pressure and medium pressure

通過(guò)圖8可知，當(dāng)下壓深度大于0.85 mm的時(shí)候，最大接觸壓力大于介質(zhì)壓力，滿(mǎn)足密封判據(jù)PC≥P，此時(shí)可以認(rèn)為閥座閥瓣間的密封是可靠的。由此可以得出以下結(jié)論。

(1)公稱(chēng)直徑為DN100的低溫低壓安全閥，滿(mǎn)足表2的材料及參數(shù)時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)需要保證下壓深度大于0.85 mm才能保證閥門(mén)的密封性能。

(2)當(dāng)該規(guī)格安全閥的最大工作壓力小于0.038 MPa時(shí)，下壓深度大于0.85 mm仍然可以保證閥門(mén)的密封性能。

(3)當(dāng)該規(guī)格安全閥的最大工作壓力大于0.038 MPa時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整圖8中介質(zhì)壓力曲線至相應(yīng)數(shù)值，依據(jù)其與接觸面最大壓力的交點(diǎn)，快速得到合適的下壓深度。

(4)FEP材料在24 ℃時(shí)，拉伸強(qiáng)度為20～26 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率為300%～360%[17]。設(shè)計(jì)時(shí)需要保證膜片不會(huì)因下壓深度過(guò)深而破損，由圖8可知，在下壓深度為0.85～2 mm時(shí)，膜片所受應(yīng)力顯然是小于拉伸強(qiáng)度的，即膜片不會(huì)破損。

3 樣機(jī)試驗(yàn)

為驗(yàn)證有限元仿真結(jié)果的合理性，進(jìn)行低溫低壓安全閥密封試驗(yàn)，研究不同下壓深度時(shí)安全閥的密封性能。試驗(yàn)方法遵循API 527《標(biāo)準(zhǔn)泄壓閥的閥座密封度》。先在安全閥出口法蘭處安裝水泡計(jì)，并通過(guò)減壓閥緩慢升高安全閥入口處壓力至密封試驗(yàn)壓力；然后保持入口處壓力不變，持續(xù)3 min；最后觀測(cè)安全閥的密封性，觀測(cè)時(shí)間不少于1 min。密封試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，密封試驗(yàn)圖片如圖9所示。通過(guò)密封試驗(yàn)結(jié)果可知，下壓深度會(huì)影響膜片的密封性能，有限元仿真結(jié)果具有一定的合理性。

表3 低溫低壓安全閥密封試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Low temperature and low pressure safety valve sealing test data

圖9 低溫低壓安全閥密封試驗(yàn)Fig.9 Low temperature and low pressure safety valve sealing test

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于液氮、液氧、LNG儲(chǔ)罐類(lèi)低溫低壓工況的使用要求，進(jìn)行了一種低溫低壓安全閥的膜片式密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，擴(kuò)展了彈簧直接載荷式安全閥的使用范圍，其關(guān)鍵技術(shù)如下。

(1)全新的密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：閥瓣組件與閥座間采用膜片軟密封結(jié)構(gòu)型式，可以適用于低溫低壓工況下的嚴(yán)苛的工作環(huán)境，保證安全閥的密封性能，實(shí)現(xiàn)無(wú)泄漏。

(2)更大的密封中徑設(shè)計(jì)：增大閥瓣組件與閥座間的密封中徑，增大介質(zhì)對(duì)閥瓣組件的作用面積，提高了安全閥的開(kāi)啟力，可以更好的適用于低壓工況。

(3)全通徑的流道設(shè)計(jì)：閥座流道結(jié)構(gòu)采用全通徑的設(shè)計(jì)，即使閥門(mén)為微啟式的開(kāi)啟狀態(tài)，也擁有較大的介質(zhì)排量。

(4)緊湊且輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：由于閥門(mén)為微啟式安全閥，將閥門(mén)的承力與導(dǎo)向結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，使整閥的結(jié)構(gòu)更為緊湊，減小了閥門(mén)的體積，降低了制造成本，實(shí)現(xiàn)了安全閥的輕量化。

(5)在完成了低溫低壓安全閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，通過(guò)有限元軟件Abaqus對(duì)閥門(mén)啟閉過(guò)程進(jìn)行了仿真模擬。以閥瓣組件的下壓深度作為分析對(duì)象，對(duì)比不同下壓深度的結(jié)構(gòu)中膜片的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)。通過(guò)建立分析路徑的方式，對(duì)關(guān)鍵密封面的接觸壓力進(jìn)行提取，并依據(jù)密封判定準(zhǔn)則得出合理的下壓深度。在該下壓深度，既可以實(shí)現(xiàn)安全閥的有效密封，又保證膜片處于較優(yōu)應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)，減小了膜片破損的可能性。最終得到結(jié)論，公稱(chēng)直徑為DN100的低溫低壓安全閥，膜片厚度為0.25 mm，在最大工作壓力不超過(guò)0.038 MPa時(shí)，下壓深度應(yīng)最小應(yīng)不低于0.85 mm，并且下壓深度不宜過(guò)大，以免超過(guò)FEP材料的拉伸強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率，導(dǎo)致膜片發(fā)生破損。

本文的設(shè)計(jì)及仿真方法可推廣至各規(guī)格、各結(jié)構(gòu)的低溫低壓安全閥，為膜片式密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供思路。