刘觅

摘 要：介绍了安全阀弹簧的工作原理及其设计。采用符合ASME VIII的方法进行设计，满足ASME标准所要求的设计参数，达到相应的设计要求和产品表现能力以及使用效果。

关键词：安全阀；弹簧；起跳压力

安全阀用于保护压力容器或者高压管道，以防超压发生爆炸等危害，广泛应用于电力与石油化工行业。

弹簧是安全阀的重要零部件之一，影响着安全阀的动作和性能。它与安全阀的静态特性和动态特性密切相关。在安全阀设计时，要保证开启灵活，在规定的压力下，排出额定流量；当排至关闭压力时，及时关闭，保证密封。弹簧质量和性能的好坏直接影响到安全阀的整体性能，因此弹簧的设计在安全阀的整体研发中占有非常中要的地位。本文主要介绍圆柱螺旋压缩弹簧的设计和相关计算方法，同时在弹簧的设计过程中也要给予弹簧刚度/预压缩量/工作行程这三个重要参数的保证。

1 弹簧的设计

在安全阀除弹簧外的其他零件设计完成后，需要根据阀体、喷嘴、阀盖等组成的特有流道，设计相应的弹簧来满足阀门的启闭要求。这其中涉及到机械、流体等各个方面的实时动态的影响，因此单纯计算和仿真无法满足设计要求，需要通过实验的方法确定两个及以上的样本弹簧的工作范围，然后再通过实验数据，推导出其他所有整定压力范围内的弹簧的数据。

1.1 样本弹簧A和B的工作范围

1.1.1 测试得出整定压力范围

将弹簧A和B分别装入安全阀中，将阀门安装在测试管道中，通过测试得到阀门的最小整定压力和最大整定压力，以及相关的流量和流量效率等数值。为了保证测试环节的准确，测试管道以及测试温度和流量传感器的采用都尽可能的按照美国NB实验室的要求来设计。管道的流量也要足够大，可以让阀门能够持续的全开，以便能够采集到相关的数据。

最小整定压力是保证实际阀门流量效率不小于目标设计流量效率的压力。

最大整定压力是由调节螺钉拧到最底端所能达到的压力。

1.1.2 计算弹簧系数SF

弹簧系数是表征同一系列安全阀整定压力和弹簧刚度关系的一个重要指标，如果是同一系列阀门或者同一张ASME证书下的阀门，应尽可能的使各个弹簧的SF数值在不超过5%，保证有类同的阀门性能。

1.1.3 整合弹簧系数

弹簧系数最小值为A和B两个弹簧的最小弹簧系数的最大值：

F min = 最大值（FMIN_A，FMIN_B）

弹簧系数最大值为A和B两个弹簧的最大弹簧系数的最小值：

F max = 最小值（FMAX_A，FMAX_B）

1.2 ASME 标准对于弹簧的要求

1.2.1 15%-80%原则

弹簧在阀门全开时的压缩量应不大于弹簧静态压缩量的80%，阀门关闭时的压缩量不小于弹簧静态压缩量的15%（如下图所示）。

当弹簧压缩量超过80%，则处于压缩量-弹簧弹力的非线性区间内。如果使用在此区域的弹簧，就无法保证在使用上述弹簧系数时，阀门有稳定和一致的开启和关闭性能。

同理，当弹簧压缩量小于15%，仍然是在非线性区间内，因此在阀门关闭时，压缩量不应小于静态压缩量的15%。

如果压缩量比值不大于80%并且不小于15%，即为满足安全阀弹簧的线性区 间工作的要求，也满足ASME标准的弹簧设计要求。

1.3 应力验算

弹簧在压缩时受到剪应力，因此需要验算弹簧所受到的应力是否超过许用剪应力。为了达到稳定的自由高度，在弹簧加工完成后，需要将弹簧在室温情况下至少预压并三次。预压并完成后，在室温下测量弹簧的自由高度，这被称为弹簧的初始自由高度。测量完成后，再做三次压并。放松弹簧后，等待十分钟，再次测量弹簧高度，这被称为最终自由高度。如果弹簧能够恢复原高度的99.5%以内，则合格；如果弹簧恢复后，总高与压并之前的高度差距在0.5%以上，则不合格。因此，在计算弹簧剪应力的时候，应该以弹簧压并做为设计条件。

1.4 新弹簧设计

在已有弹簧A和B的基础上，设计新弹簧C 时，首先调节弹簧的刚度，根据下列公式计算得出最小和最大整定压力，并且使得最小整定压力与A或者B弹簧的最大整定压力一致；其次，调整弹簧的线径和弹簧直径，使得弹簧C满足15%-80%的原则；并且，同时要满足应力验算的要求。以此类推，可以设计出D、E、F等弹簧，直到达到最大的整定压力要求。同理，比A和B压力小的弹簧也是类似的设计原则，保证新弹簧的最大整定压力与A或者B弹簧的最小整定压力一致。但是请注意，整定压力无法无限小，因为到一定程度后，这几个弹簧技术指标就会产生矛盾，那么就达到了该安全阀的最小整定压力。整定压力也无法无限大，因为整定压力越大，所需要的弹簧就会越粗越高，需要验证阀盖是否有足够的内径装下弹簧和弹簧垫片，阀盖是否有足够的高度装下弹簧和弹簧垫片。

最小整定压力=弹簧刚度SpringRateFmax*阀门直径SeatDiameter

最大整定壓力=弹簧刚度SpringRateFmin*阀门直径SeatDiameter

2 其他弹簧设计要点

除了以上的设计要求外，弹簧本身的设计要点也需要考虑在内，包括可制造性、制造成本和材料等因素。

2.1 弹簧参数

2.1.1 弹簧系数

弹簧系数决定了弹簧的强度，弹簧所引起的应力和可制造性以及制造成本。

弹簧系数低于4，弹簧无法制造；弹簧系数在4和5之间的时候，制造难度大，成本高；当弹簧系数高于12时，数值越高，越难制造；当数值超过25时，则是会有非常昂贵的制造成本。

弹簧系数Spring index=弹簧中径/线径，此值最好在6到12之间。

当现有弹簧的弹簧系数不在6到12之间时，如果需要降低弹簧系数，那么弹簧的强度就会增加，需要增加线径或者降低外径；如果需要增加弹簧系数，那么弹簧的强度就会降低，需要减少线径或者增加外径。

2.1.2 弹簧稳定性比值

弹簧稳定性比值决定了弹簧在压缩时是否会弯曲或者扭曲变形。

弹簧稳定性比值=弹簧高度/弹簧中径

当弹簧稳定性比值大于4的时候，在阀门起跳时就有弹簧弯曲的风险，因此在设计弹簧的过程中，要保证此值小于4。

2.2 弹簧材料

弹簧的材料也是弹簧设计过程中需要重点考虑的因素。如果不考虑防腐性能的情况下，17/7PH是一个很好的选择，材料的机械性能很好；如果考虑防腐性能要求，则考虑304、316、Alloy750等具有防腐蚀性能的材料。如果有NACE要求，则可以考虑Alloy750。

当弹簧设计完成后，如果根据客户的要求要更换其他材料时，是需要额外的验证。弹簧供应商有可能无法使用新材料来制造出合格的弹簧，这个时候需要将弹簧的线径或者圈径进行微调。

2.3 弹簧一致性

弹簧设计过程中，一些尺寸最好能够共用，这样可以减少零件数量，来降低库存金额和库存管理难度。

例如，在弹簧线径和材料的选择上，尽可能的事先征询弹簧厂的意见，使用常用的线径和材料，这样可以明显降低弹簧成本。另外，由于弹簧大小不同所造成的弹簧垫片和阀盖的尺寸的变化，也应该尽可能的控制，使得零件数量不会太过于零散。

3 结语

综上所述，安全阀弹簧的设计的考虑因素众多，既需要在阀门全开时达到规定流量，还要求在回落状态时，得到合理的启闭压差；不仅满足ASME标准，还同时满足应力验算等要求。希望此文能够抛砖引玉，供阀门设计工程人员参考，在日积月累的设计工作中，慢慢总结出自己的心得与经验。

参考文献：

[1]ASME BPVC-VIII-1-2017 锅炉及压力容器规范.第八卷：压力容器 第一册：压力容器建造规则，UG-136（a）（2），101.

[2]张德友.安全阀的选用与计算[J].中国石油和化工标准与质量，2012，（06）：228+204.