安全阀是压力容器、压力管道上使用最为广泛的一种安全装置。在船舶动力装置海水系统中, 为了防止系统压力超过允许的极限值, 确保系统的安全运行, 设置了弹簧直接作用式安全阀。在使用过程中, 这类安全阀出现了泄漏、腐蚀和可靠性等问题, 不能满足使用要求, 因此对其进行了改进。
船用海水安全阀主体材料一般采用ZCu16Si14 Ⅰ或ZCuAl10Fe3 , 这些材料在实际使用环境条件下抗腐蚀的能力比较差。当阀门外表面接触舱底水和污水等有杂质的介质时, 容易受到腐蚀。而弹簧直接作用式安全阀的整定值和回座压力调整不方便, 在回座压力低于系统正常工作压力时, 对系统工作的可靠性、安全性造成不利影响。
根据阀门存在的问题, 确定从阀门的材料和结构上进行改进:
1、材料选择
(1) 阀体材料 由于安全阀阀体选用的铸造铜合金抗腐蚀能力较差, 造成介质沿密封边界泄漏。因此将安全阀的所有零部件(除了垫片、紧固件和弹簧外) 材料都更换为HDR (一种双相不锈钢) 。HDR 抗氯离子腐蚀性能和抗应力腐蚀性能优良, 具有较好的耐海水冲刷腐蚀(管子流速可达7m/ s 以上) 和较强的耐砂侵蚀性能, 其良好的焊接、冷弯等综合加工性能是舰船海水管路系统的首选材料。
(2) 密封面材料 为了提高阀门的密封性能, 阀门的阀瓣和阀座密封面均采用堆焊钴基硬质合金的方式(图1) 。使密封面有足够的刚度和强度, 当系统中没有介质压力时, 能承受弹簧产生的巨大比压力。而且钴基硬质合金具有良好的机械性能及磨削和研磨性能。且弹性变形能力也较好, 能承受阀瓣回座时的冲击。
(3) 弹簧材料 海水安全阀用弹簧需要满足稳定性、强度及耐海水腐蚀的要求, 因此在改进设计时, 选用In2 conel 作为适用海水介质的微启式安全阀的弹簧材料。在制作弹簧时, 通过时效处理和强压处理, 使其具有稳定的弹性和强度, 保证了安全阀动作的重复性。
2、结构改进
船用海水安全阀工作环境较差, 因此对于其密封性和抗振性要求较高。为了保证安全阀对于外界的严格隔离, 在阀体和阀盖连接处、阀盖和保护罩连接处设置了垫片, 而且阀盖和保护罩在连接部位以外的部位都采用封闭状态。这样使整个安全阀除了进口和排放口以外, 没有使介质外泄的部位。
为了提高安全阀的抗振性能, 除了为安全阀配置了必须的弹簧和弹簧座, 还配置了合理的密封面定位系统。即用整体阀杆贯穿整个弹簧内部, 弹簧两端用弹簧座对夹。阀杆的上端外套调整螺杆, 调整螺杆具有调整弹簧的预压缩量, 协助弹簧和其他部件使阀门在低于整定压力时保持关闭状态。而且通过其内圆柱面与阀杆上端的间隙配合, 对阀杆上端有很好的导向作用。阀杆下端是球形的堆焊硬质层, 与阀瓣锥面(或球面) 相配合, 不但保证了阀杆上端能在调整螺杆内圆柱面内部顺滑移动, 而且当阀体倾斜或受到振动而使得阀杆中心线偏离密封面中心线时, 可以通过球面与锥面(球面) 的接触, 自动校正, 使阀杆中心线与密封面中心线重新重合。保证阀杆对密封面的作用力始终处于中心位置, 从而使密封面各处的受力都比较均匀。在阀瓣外围设置了导向套, 使阀瓣只能沿着垂直于密封面的圆柱面内运动。
在多个零件的相互制约和作用下, 安全阀在振动和倾斜的情况下仍然能够达到较好的密封效果。同时也有利于阀门准确地开启、稳定地排放和及时的回座, 使安全阀具有良好的抗振能力。除此之外, 在安全阀的阀座上设置了调节圈, 使其能够较好的调节回座压力。
改进的海水安全阀采用新的结构形式, 更换了阀体、弹簧及密封面材料, 经过冷态和热态试验, 其性能满足了使用要求, 解决了原安全阀使用中存在的问题。