CN104451077B - 一种预冲击提高安全阀结构完整性的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种预冲击提高安全阀结构完整性的装置及方法，可广泛用于核电站、热电厂、化工厂的安全阀中。其装置包括一个固定在水平地面上的底座，一根导向杆垂直固定于底座中心，安全阀阀座通过导向杆对中放置在底座上，安全阀阀座的上表面设置有堆焊层密封面，一个落锤套装于导向杆上部，落锤底部到底座的距离为H，一个计数器安装在落锤的上方。其方法是利用此装置，通过落锤的冲击来降低安全阀阀座堆焊层的最大残余拉伸应力，以此减小裂纹的萌生和扩展，提高安全阀的结构完整性。

Description

一种预冲击提高安全阀结构完整性的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种提高安全阀结构完整性的装置及方法，尤指一种采用预冲击阀座堆焊层密封面来提高安全阀结构完整性的装置及方法。

背景技术

安全阀是一种防止***超压、保障人员安全和设备安全的主要压力释放装置；是锅炉、压力容器、压力管道上的主要安全附件，对锅炉、压力容器、压力管道的安全运行起到最后一道屏障保护作用。核电、热电、化工等领域的安全阀常常处于高温、高压的工况。安全阀经过若干次启闭后要仍能保持良好的密封。安全阀的泄漏在核电领域，例如对于核电稳压器安全阀是严格控制的。美国核电“三哩岛”核电事故就是由于稳压器安全阀开启后未能顺利地回座密封造成的。在化工领域，安全阀的泄漏在某些工况下将会造成人员中毒、***等重大事故。在安全阀实际运行中发现，堆焊的安全阀密封面及其附近区域经常会出现裂纹，这给安全阀的运行带来极大的安全隐患。所以，保证安全阀在长期运行和多次启闭后的结构完整性，确保安全阀的稳定运行是非常重要的。

在国内外关于安全阀的专利中，涉及到的基本都是安全阀远程控制的装置及方法、安全阀自动校验仪和具有某种特性的安全阀，没有涉及到如何降低安全阀堆焊层残余拉伸应力，从而提高安全阀的结构完整性的问题。因此，如何降低安全阀堆焊层残余拉伸应力，成为安全阀制造中亟待解决的一个问题。

综上所述，压力容器的安全运行迫切的需要良好性能的安全阀，而传统的堆焊、焊后热处理、切削加工之后，不可避免的会在安全阀堆焊层中产生残余拉伸应力，某种条件下会导致裂纹的萌生、扩展。本发明涉及的一种采用预冲击提高安全阀结构完整性的装置及方法，大幅度降低安全阀堆焊层的残余拉伸应力，有利于提高安全阀的结构完整性，延长安全阀的服役寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种预冲击提高安全阀结构完整性的装置及方法，其效果在于大幅度降低安全阀堆焊层的残余拉伸应力，提高安全阀阀座的服役寿命。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种预冲击提高安全阀结构完整性的装置，其特征在于，所述的装置包括：一个固定在水平地面上的底座，一根导向杆垂直固定于底座中心，安全阀阀座通过导向杆对中放置在底座上，安全阀阀座的上表面设置有堆焊层密封面，一个落锤套装于导向杆上部，落锤底部到底座的距离为H，一个计数器安装在落锤的上方。

所述落锤包括直线轴承、顶盖、圆筒座；圆筒座内部的沉孔的直径比直线轴承的外径大0.2mm，直线轴承同心地安装在圆筒座的沉孔中，直线轴承的高度与沉孔深度相同；顶盖和圆筒座通过螺栓联结固定，圆筒座底端的锥角为60°。

所述的底座通过轴向分布的螺栓孔固定在水平的地面上，导向杆通过底座中心的螺栓孔垂直固定于底座上。

所述落锤底部和底座的距离为H，H的取值为：

$H=\frac{{v_0}^2}{2g}+H_0---\left(1\right)$

其中，H₀为安全阀阀座的高度，v₀为预冲击速度，g为重力加速度。

所述预冲击速度v₀由下式计算：

$\mathrm{\σ}=\frac{{\mathrm{mv}}_0}{{({\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{st}}/g)}^{1/2}\left\{\arcsin \right[({\mathrm{\Δ}}_d/{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{st}}-1){(1+v_0^2/g{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{st}})}^{-1/2}]+\arcsin {(1+v_0^2/g{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{st}})}^{-1/2}\}\mathrm{BD}}---\left(2\right)$

其中，σ为0.3倍的密封面材料拉伸强度值和1.3倍阀瓣材料屈服强度的平均值。Δ_st为静载力作用下的阀瓣和阀座密封层的总变形量，Δ_d为阀瓣和阀座密封面遭受冲击后的最终变形量，g为重力加速度，B为阀瓣、阀座密封面的平均宽度，D为阀瓣、阀座密封面的平均直径。m为落锤质量，落锤的质量等于阀瓣、阀瓣座、阀杆的质量之和。

所述阀瓣和阀座密封面遭受冲击后的最终变形量Δ_d由下式计算：

${\mathrm{\Δ}}_d={\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{st}}(1+\sqrt{1+v_0^2/g{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{st}}})---\left(3\right)$

所述静载力作用下的阀瓣和阀座密封层的总变形量Δ_st由下式计算：

Δ_st＝Δ_st1+Δ_st2＝FH₁/(πB₁D₁E₁)+FH₂/(πB₂D₂E₂) (4)

其中，Δ_st1、Δ_st2分别为阀瓣、阀座密封层在静载力作用下的变形量，B₁、B₂分别为阀瓣、阀座密封面的宽度，D₁、D₂分别为阀瓣、阀座密封面的平均直径，H₁、H₂分别为阀瓣、阀座密封层的厚度，E₁、E₂分别为阀瓣、阀座材料的弹性模量。F为静载作用力，其大小等于安全阀的阀杆对阀瓣作用力与阀瓣、阀瓣座、阀杆的重力之和。

本发明公开了一种预冲击提高安全阀阀座结构完整性的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

(1)导向杆通过螺纹连接固定于底座上，并保持导向杆相对于底座的垂直度精度等级为5级；

(2)阀座堆焊密封面后，密封面经热处理、表面精车、表面研磨后套进导向杆放置在底座上；

(3)把落锤套进导向杆，使落锤底部到底座的距离为H；

(4)落锤下落，冲击阀座密封面，重复n次冲击过程；

(5)冲击结束后，对阀座的密封面进行研磨，表面粗糙度不大于0.01μm。

上述冲击次数n取值为1-4次，优选2次。

有益效果

本发明的积极效果在于：通过对安全阀堆焊层的预冲击，能使其残余拉伸应力大幅度降低，从而阻止裂纹的萌生和扩展，提高安全阀的服役寿命。预冲击之后，堆焊层径向、环向、轴向最大残余伸应力可分别降低为176MPa、279MPa、124MPa，提高了安全阀的结构完整性和服役寿命。

附图说明

图1装置示意图

其中，1：计数器，2：落锤，3：导向杆，4：安全阀阀座，5：底座，H：落锤底部到底座的距离。

图2落锤结构剖面示意图。

其中，6：顶盖；7：直线轴承；8：圆筒座

图3阀座结构示意图。

其中，9：堆焊层

图4为实例1在不同冲击次数下安全阀堆焊层最大环向、径向、轴向残余应力值。

图5实例2在不同冲击次数下安全阀堆焊层最大环向、径向、轴向残余应力值。

具体实施方式

为让本发明的目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例，并配合附图详细说明。

实施例1：

将预冲击提高安全阀结构完整性的装置采用如图1所示进行搭建。安全阀阀座高度H₀＝140mm，阀座堆焊层材料为Inconel718，抗拉强度为980MPa，阀座母材为316L，屈服强度为238MPa。根据σ为0.3倍的密封面材料拉伸强度值(σ＝294MPa)和1.3倍阀瓣材料屈服强度(σ＝309.4MPa)的平均值,即301.7MPa。采用的落锤质量为m＝3.12kg，由于Δ_st为静载力作用下的阀瓣和阀座密封层的总变形量，则Δ_st＝6.64×10^-8m，密封面的平均宽度B＝6mm，密封面的平均直径D＝40mm，由公式(2)、(3)，计算得到预冲击速度v₀＝3m/s。由公式(2)，得到每次落锤与阀座的高度为H＝600mm。对安全阀阀座进行预冲击，并采用中子衍射法对安全阀堆焊层经过预冲击1-4次之后残余应力进行测量，与预冲击之前的残余应力进行比较。

残余应力变化值如图4所示，初始环向、径向、轴向残余应力分别为393MPa、251MPa、194MPa，冲击一次之后环向、径向、轴向残余应力分别为296MPa、174MPa、120MPa，冲击二次之后环向、径向、轴向残余应力分别为279MPa、176MPa、124MPa，冲击三次之后环向、径向、轴向残余应力分别为271MPa、223MPa、91MPa，冲击四次之后环向、径向、轴向残余应力分别为285MPa、267MPa、106MPa。优选冲击次数为2次，冲击之后，堆焊层的最大环向残余应力从393MPa下降到279MPa，最大径向残余应力从251MPa下降到176MPa，最大轴向残余应力从194MPa下降到124MPa。可见，通过对安全阀阀座堆焊层的预冲击，能使堆焊层的残余拉伸应力降低，从而减小裂纹的萌生和扩展，提高安全阀的服役寿命。

实施例2：

将预冲击提高安全阀结构完整性的装置采用如图1所示进行搭建。安全阀阀座高度H₀＝140mm，阀座堆焊层材料为Inconel625，抗拉强度为760MPa，阀座母材为F316，屈服强度为205MPa。根据σ为0.3倍的密封面材料拉伸强度值(σ＝228MPa)和1.3倍阀瓣材料屈服强度(σ＝309.4MPa)的平均值，即268.7MPa。采用的落锤质量为m＝3.12kg，Δ_st为静载力作用下的阀瓣和阀座密封层的总变形量，则Δ_st＝9.68×10^-8m，密封面的平均宽度B＝6mm，密封面的平均直径D＝40mm，由公式(2)、(3)，计算得到预冲击速度v₀＝3.3m/s。由公式(2)，得到每次落锤与阀座的高度为H＝600mm。对安全阀阀座进行预冲击，并采用中子衍射法对安全阀堆焊层经过预冲击1-4次之后残余应力进行测量，与预冲击之前的残余应力进行比较。

残余应力变化值如图5所示，初始环向、径向、轴向残余应力分别为385MPa、233MPa、203MPa，冲击一次之后环向、径向、轴向残余应力分别为282MPa、168MPa、116MPa，冲击二次之后环向、径向、轴向残余应力分别为271MPa、154MPa、124MPa，冲击三次之后环向、径向、轴向残余应力分别为269MPa、197MPa、93MPa，冲击四次之后环向、径向、轴向残余应力分别为278MPa、232MPa、104MPa。优选冲击次数为2次，冲击之后，堆焊层的最大环向残余应力从385MPa下降到282MPa，最大径向残余应力从233MPa下降到168MPa，最大轴向残余应力从203MPa下降到116MPa。可见，通过对安全阀阀座堆焊层的预冲击，能使堆焊层的残余拉伸应力降低，从而减小裂纹的萌生和扩展，提高安全阀的服役寿命。

Claims (7)

1.一种预冲击提高安全阀结构完整性的装置，其特征在于，所述的装置包括：一个固定在水平地面上的底座，一根导向杆垂直固定于底座中心，安全阀阀座通过导向杆对中放置在底座上，安全阀阀座的上表面设置有堆焊层密封面，一个落锤套装于导向杆上部，落锤底部到底座的距离为H，一个计数器安装在落锤的上方；

所述落锤包括直线轴承、顶盖、圆筒座；圆筒座内部的沉孔的直径比直线轴承的外径大0.2mm，直线轴承同心地安装在圆筒座的沉孔中，直线轴承的高度与沉孔深度相同；顶盖和圆筒座通过螺栓联结固定，圆筒座底端的锥角为60°。

2.如权利要求1所述的一种预冲击提高安全阀结构完整性的装置，其特征在于：所述的底座通过轴向分布的螺栓孔固定在水平的地面上，导向杆通过底座中心的螺栓孔垂直固定于底座上。

3.如权利要求1所述的一种预冲击提高安全阀结构完整性的装置，其特征在于，所述的落锤底部到底座的距离H的取值为：

$H=\frac{{v_0}^2}{2g}+H_0$

其中，H₀为安全阀阀座的高度，v₀为预冲击速度，g为重力加速度。

4.如权利要求3所述的一种预冲击提高安全阀结构完整性的装置，其特征在于，所述的预冲击速度v₀由下式计算得到：

$\mathrm{\σ}=\frac{{\mathrm{mv}}_0}{{({\mathrm{\Δ}}_{st}/g)}^{1/2}\[\arcsin ({\mathrm{\Δ}}_d/{\mathrm{\Δ}}_{st}-1){(1+v_0^2/{\mathrm{g\Δ}}_{st})}^{-1/2}+\arcsin {(1+v_0^2/{\mathrm{g\Δ}}_{st})}^{-1/2}\]BD}$

其中，σ为0.3倍的密封面材料拉伸强度值和1.3倍阀瓣材料屈服强度的平均值，Δ_st为静载力作用下的阀瓣和阀座密封层的总变形量，Δ_d为阀瓣和阀座密封面遭受冲击后的最终变形量，g为重力加速度，B为阀瓣、阀座密封面的平均宽度，D为阀瓣、阀座密封面的平均直径，m为落锤质量，落锤的质量等于阀瓣、阀瓣座、阀杆的质量之和。

5.如权利要求4所述的一种预冲击提高安全阀结构完整性的装置，其特征在于，所述的阀瓣和阀座堆焊层密封面遭受冲击后的最终变形量Δ_d由下式计算得到：

${\mathrm{\Δ}}_d={\mathrm{\Δ}}_{st}(1+\sqrt{1+v_0^2/{\mathrm{g\Δ}}_{st}}),$

所述的所述静载力作用下的阀瓣和阀座密封层的总变形量Δ_st由下式计算：

Δ_st＝Δ_st1+Δ_st2＝FH₁/(πB₁D₁E₁)+FH₂/(πB₂D₂E₂)

其中，Δ_st1、Δ_st2分别为阀瓣、阀座密封层在静载力作用下的变形量，B₁、B₂分别为阀瓣、阀座密封面的宽度，D₁、D₂分别为阀瓣、阀座密封面的平均直径，H₁、H₂分别为阀瓣、阀座密封层的厚度，E₁、E₂分别为阀瓣、阀座材料的弹性模量，F为静载作用力，其大小等于安全阀的阀杆对阀瓣作用力与阀瓣、阀瓣座、阀杆的重力之和。

6.一种采用权利要求1所述装置的预冲击提高安全阀结构完整性的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)导向杆通过用螺纹连接固定于底座上，并保持导向杆相对于底座的垂直度精度等级为5级；

(2)阀座堆焊密封面后，密封面经热处理、表面精车、表面研磨后套进导向杆放置在底座上；

(3)把落锤套进导向杆，使落锤底部到底座的距离为H；

(4)落锤下落，冲击阀座密封面，重复n次冲击过程；

(5)冲击结束后，对阀座的密封面进行研磨，表面粗糙度不大于0.01μm。

7.如权利要求6所述的一种采用权利要求1所述装置的预冲击提高安全阀结构完整性的方法，其特征在于：所述方法步骤(4)中n取值为1-4次。