CN112253819B - 一种安全阀用双重锥面密封结构及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种安全阀用双重锥面密封结构及其应用,包括阀座、反冲盘和密封块,阀座为中空凸台结构,中空腔体顶端加工有大端朝上的环形锥面;密封块固定在阀座和反冲盘间,密封块下端加工有两个不同角度的锥面,第一锥面的锥角小于第二锥面的锥角,第一锥面与第二锥面相交形成了第一尖角,环形锥面在阀座的上表面形成第二尖角,初始密封时,第一尖角与阀座上的环形锥面接触密封,在长期承压以及低温收缩变形的影响下造成第一尖角下移时,阀座的第二尖角与密封块的第一锥面发生接触密封。本发明中密封块低温变形量小,且具有双角度的锥面密封结构,很好地解决了安全阀在低温工况下因收缩变形量大、密封比压不足导致的安全阀泄漏和提前起跳问题。
Description
技术领域
本发明属于安全阀设计技术领域,特别涉及一种安全阀用双重锥面密封结构及其应用。
背景技术
安全阀是压力容器和工艺系统重要的超压保护装置,介质超压时,阀门能自动开启排出额定量流体,压力降低时自动关闭并阻止介质流出。低温安全阀是安全阀产品的主要分支之一,主要应用于乙烯、多晶硅装置,低温氢、氧、氩等特殊气体的制造、存储和运输。由于介质易燃、易爆、价值昂贵的特点,对安全阀密封性的要求很高,通常较多地选用弹性密封结构的安全阀,以确保密封达到零泄漏。
常见的安全阀密封块结构见图1和图2,在低温工况下阀门会出现泄漏和提前起跳的问题。其原因主要有以下三点:
(i)在此密封结构中,安全阀的密封副是由金属阀座1和非金属密封块3构成。在相同低温下,密封块3的低温收缩量是金属零件的10倍多。所以在低温与超低温的工况下,密封块3受到低温影响收缩变形,反冲盘2开始下移,其位移量会大于阀座1与反冲盘2的间隙值X1,导致反冲盘2与阀座1相接触,金属与金属相碰撞,弹性密封失效,阀门泄漏;
(ii)图1中密封块3斜面和阀座1斜面的角度相同,两者的接触面即为阀门的密封面。此种密封形式,密封比压小。低温工况下,密封块收缩,密度增大,硬度增高,所需的密封比压增大,原有密封比压不足造成阀门泄漏。
(iii)在低温影响下,密封块收缩,阀门弹簧以下的所有零件向下移动,造成弹簧压缩量变小即簧预紧力减小,从而导致安全阀整定压力降低,安全阀提前起跳。
因而,有必要对安全阀密封结构进行深入研究,设计一种能满足安全阀低温性能要求的密封结构,在低温工况下,安全阀能够准确开启、密封可靠、稳定排放和及时关闭,避免出现泄漏和提前起跳问题。
发明内容
为了克服现有技术中的不足,本发明人进行了锐意研究,提供了一种密封块低温变形量小,且具有双角度的锥面密封结构,很好地解决了安全阀在低温工况下由于收缩变形量大、密封比压不足导致的安全阀泄漏和提前起跳问题,从而完成本发明。
本发明提供了的技术方案如下:
第一方面,一种安全阀用双重锥面密封结构,包括阀座、反冲盘和密封块,阀座为中空凸台结构,中空腔体顶端加工有大端朝上的环形锥面;密封块位于阀座和反冲盘之间,上端与反冲盘紧密贴合,下端与阀座的环形锥面接触,形成密封;其中,密封块的尺寸满足在低温工况下轴向收缩量小于反冲盘与阀座的间距。
进一步地,所述密封块的尺寸还满足密封块的轴向收缩量/安全阀开高<3%。
进一步地,所述密封块在压力0.1MPa~5MPa范围内时采用聚四氟乙烯类材料或聚酰亚胺类材料,5MPa以上时采用聚酰亚胺类材料。
进一步地,密封块通过螺纹连接件固定在反冲盘上,与反冲盘连为一体,反冲盘上开设有容纳螺纹连接件的螺纹孔。
进一步地,所述密封块下端加工有两个不同角度的锥面,第一锥面的锥角α小于第二锥面的锥角β,第一锥面与第二锥面相交形成了第一尖角,阀座上环形锥面在阀座的上表面形成了第二尖角,初始密封时,第一尖角与阀座上的环形锥面接触,第一尖角下移时,阀座的第二尖角与密封块的第一锥面发生接触。
进一步地,所述第一锥面的锥角α的角度范围为10°~60°;所述第二锥面的锥角β的角度范围为15°~75°。
第二方面,一种双重锥面密封结构在低温工况下安全阀中的应用,所述低温工况为温度-29~-253℃下的工况。
根据本发明提供的一种安全阀用双重锥面密封结构及其应用,具有以下有益效果:
(1)本发明提供的一种安全阀用双重锥面密封结构及其应用,在不同的压力状况下针对性的选用不同收缩率材料的密封块,材料的收缩率满足相应工况下密封块的尺寸加工;
(2)本发明提供的一种安全阀用双重锥面密封结构及其应用,根据不同材料的密封块轴向与径向收缩率设计了密封块尺寸,避免了由于密封块的收缩,反冲盘与阀座接触导致的密封失效问题,且使得低温变形引起的整定压力的变化能够满足标准偏差要求;
(3)本发明提供的一种安全阀用双重锥面密封结构及其应用,密封块具有双重锥面结构密封形式由原有的“面密封”变为“线密封”,阀门的密封比压增大,解决有阀门密封比压较小导致低温阀门密封泄漏的问题。同时双重锥面结构设计具有双重密封的效果,当第一道线密封失效后,第二道线密封依然会起到密封作用,解决了密封块长期承压或者低温收缩造成第一道密封失效的问题,保证了安全阀在低温工况下的密封可靠。
附图说明
图1示出常见锥面塑料块密封结构示意图;
图2示出常见锥面塑料块密封结构低温收缩后示意图;
图3示出低温安全阀用双重锥面密封结构示意图;
图4示出密封块角度示意图;
图5示出第一道密封示意图;
图6示出第二道密封示意图。
附图标号说明
1-阀座、2-反冲盘、3-密封块、4-螺纹连接件、5-第一尖角、6-第二尖角。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明,本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
根据本发明的第一方面,提供了一种安全阀用双重锥面密封结构,如图3所示,包括阀座1、反冲盘2和密封块3,阀座1为中空凸台结构,中空腔体顶端加工有大端朝上的环形锥面;密封块3位于阀座1和反冲盘2之间,上端与反冲盘2紧密贴合,下端与阀座1上端的环形锥面接触,形成密封;其中,密封块3的尺寸满足在低温(-29~-253℃)工况下轴向收缩量X小于反冲盘2与阀座1的间距X2。
进一步地,密封块3的尺寸满足密封块的轴向收缩量X/安全阀开高<3%。
进一步地,密封块3在压力0.1MPa~5MPa范围内时采用聚四氟乙烯类材料或聚酰亚胺类材料,5MPa以上时采用聚酰亚胺类材料。
本发明中,首先根据不同压力选择不同非金属材料的密封块3,经过比较分析不同的非金属材料在不同压力下的低温特性,最终确定整定压力在0.1MPa~5MPa范围内时采用聚四氟乙烯类材料,5MPa以上采用聚酰亚胺类材料。
其次,根据非金属材料的收缩率进行密封块的结构尺寸设计,密封块的轴向收缩量X=轴向收缩率*密封块高度+径向变形量(径向收缩率*密封块直径)所引起的密封块轴向位移尺寸,在保证轴向收缩量X小于反冲盘2与阀座1间距X2的要求下,合理的设计了密封块的尺寸,避免了由于密封块3的收缩,反冲盘2与阀座1接触导致的密封失效问题;并且密封块3的轴向收缩量X/安全阀开高<3%,所以在低温下密封块的收缩量是小于3%开高的,整定压力的变化也满足了标准要求。
本发明一种优选实施方式中,密封块3通过螺纹连接件4固定在反冲盘2上,与反冲盘2连为一体,反冲盘2上开设有容纳螺纹连接件4的螺纹孔。螺纹连接件包括但不限于螺栓、螺钉。
本发明中,如图4至图6所示,密封块3下端加工有两个不同角度的锥面,第一锥面的锥角α小于第二锥面的锥角β,第一锥面与第二锥面相交形成了第一尖角5,阀座1上环形锥面在阀座的上表面(即腔体上缘)形成了第二尖角6,初始密封时,第一尖角5与阀座1上的环形锥面接触,形成“第一道线密封”,在长期承压以及低温收缩变形的影响下造成第一尖角5下移时,阀座1的第二尖角6与密封块3的第一锥面发生接触形成“第二道线密封”,即当第一道线密封失效后,第二道线密封依然会起到密封作用,保证了安全阀能在低温和超低温工况下的保持整定稳定和良好密封。
具体地,如图4所示,密封块3设计成双角度锥面结构,如图5所示密封形式为由原有的“面密封”变为“线密封”,阀门的密封比压增大,解决了阀门密封比压较小导致低温阀门密封泄漏的问题。同时,如图6所示,双角度锥面结构设计具有双重密封的效果,即当第一道线密封失效后,第二道线密封依然会起到密封作用,如上所述,解决了密封块3长期承压或者低温收缩造成第一道密封失效的问题,保证安全阀在低温工况下密封可靠。
进一步地,第一锥面的锥角α的角度范围为10°~60°。
第二锥面的锥角β的角度范围为15°~75°。
根据本发明的第二方面,提供了一种双重锥面密封结构在低温工况下安全阀中的应用,所述低温工况为温度-29~-253℃下的工况。
实施例
实施例1
0.1MPa~5MPa低压工况
一种安全阀用双重锥面密封结构,包括阀座1、反冲盘2和密封块3,阀座1为中空凸台结构,中空腔体顶端加工有大端朝上的环形锥面,环形锥面在阀座的上表面形成了第二尖角6;密封块3位于阀座1和反冲盘2之间,通过螺钉固定在反冲盘2上,密封块3下端加工有两个不同角度的锥面,第一锥面的锥角α(35°)小于第二锥面的锥角β(65°),第一锥面与第二锥面相交形成了第一尖角5,初始密封时,第一尖角5与阀座1上的环形锥面接触密封,在长期承压以及低温收缩变形的影响下造成第一尖角5下移时,阀座1的第二尖角6与密封块3的第一锥面发生接触密封。
反冲盘2与阀座1的间距X2=0.55mm,密封块3采用聚四氟乙烯类材料PCTFE,尺寸为宽12mm,厚度为3mm,在-29~-253℃工况下的轴向收缩量X<0.0045mm,小于反冲盘2与阀座1的间距X2,且轴向收缩量X/安全阀开启高度(2.5mm)<3%。
常温下安全阀采用以下低压整定压力,用液氮对安全阀预冷,预冷后安全阀的整定压力如下表1所示,可知,整定压力为低压时,采用本发明中双重锥面密封结构,能够使低温下整定压力与常温下整定压力相当,避免了低温工况下安全阀出现泄漏的问题。
表1
序号 | 常温整定压力(MPa) | 低温(-196℃)整定压力(MPa) |
1 | 1.5 | 1.5 |
2 | 2.5 | 2.49 |
3 | 3.5 | 3.48 |
4 | 4.5 | 4.48 |
实施例2
5MPa以上中高压工况
一种安全阀用双重锥面密封结构,包括阀座1、反冲盘2和密封块3,阀座1为中空凸台结构,中空腔体顶端加工有大端朝上的环形锥面,环形锥面在阀座的上表面形成了第二尖角6;密封块3位于阀座1和反冲盘2之间,通过螺钉固定在反冲盘2上,密封块3下端加工有两个不同角度的锥面,第一锥面的锥角α(30°)小于第二锥面的锥角β(70°),第一锥面与第二锥面相交形成了第一尖角5,初始密封时,第一尖角5与阀座1上的环形锥面接触密封,在长期承压以及低温收缩变形的影响下造成第一尖角5下移时,阀座1的第二尖角6与密封块3的第一锥面发生接触密封。
反冲盘2与阀座1的间距X2=0.55mm,密封块3采用聚酰亚胺类材料Vespel SP-21,尺寸为宽12mm,厚度为3mm,在-29~-253℃工况下的轴向收缩量X<0.002mm,小于反冲盘2与阀座1的间距X2,且轴向收缩量X/安全阀开启高度(2.5mm)<3%。
常温下安全阀采用以下中高压整定压力,用液氮对安全阀预冷,预冷后安全阀的整定压力如下表2所示,可知,整定压力为中高压时,采用本发明中双重锥面密封结构,能够使低温下整定压力与常温下整定压力相当,避免了低温工况下安全阀出现泄漏的问题。
表2
序号 | 常温整定压力(MPa) | 低温整定压力(MPa) |
1 | 7 | 7 |
2 | 10 | 10 |
3 | 15 | 14.9 |
4 | 20 | 19.8 |
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明,不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解,在不偏离本发明精神和范围的情况下,可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进,这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (6)
1.一种安全阀用双重锥面密封结构,其特征在于,包括阀座(1)、反冲盘(2)和密封块(3),阀座(1)为中空凸台结构,中空腔体顶端加工有大端朝上的环形锥面;密封块(3)位于阀座(1)和反冲盘(2)之间,上端与反冲盘(2)紧密贴合,下端与阀座(1)的环形锥面接触,形成密封;密封块(3)下端加工有两个不同角度的锥面,第一锥面的锥角α小于第二锥面的锥角β,第一锥面与第二锥面相交形成了第一尖角(5),阀座(1)上环形锥面在阀座的上表面形成了第二尖角(6),初始密封时,第一尖角(5)与阀座(1)上的环形锥面接触,第一尖角(5)下移时,阀座(1)的第二尖角(6)与密封块(3)的第一锥面发生接触;其中,密封块(3)的尺寸满足在低温工况下轴向收缩量小于反冲盘(2)与阀座(1)的间距,所述低温工况为温度-29~-253℃下的工况。
2.根据权利要求1所述的安全阀用双重锥面密封结构,其特征在于,所述密封块(3)的尺寸还满足密封块的轴向收缩量/安全阀开高<3%。
3.根据权利要求1所述的安全阀用双重锥面密封结构,其特征在于,所述密封块(3)在压力0.1MPa~5MPa范围内时采用聚四氟乙烯类材料或聚酰亚胺类材料,5MPa以上时采用聚酰亚胺类材料。
4.根据权利要求1所述的安全阀用双重锥面密封结构,其特征在于,密封块(3)通过螺纹连接件(4)固定在反冲盘(2)上,与反冲盘(2)连为一体,反冲盘(2)上开设有容纳螺纹连接件(4)的螺纹孔。
5.根据权利要求1所述的安全阀用双重锥面密封结构,其特征在于,第一锥面的锥角α的角度范围为10°~60°;
第二锥面的锥角β的角度范围为15°~75 °。
6.一种权利要求1至5之一所述的双重锥面密封结构在低温工况下安全阀中的应用,所述低温工况为温度-29~-253℃下的工况。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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