一种适应于在线检测装置的安全阀定压螺母预制件模型构想★

郭 炜，张倬权，谭 凯

（湖北特种设备检验检测研究院，湖北 武汉 430000）

引言

制冷系统内置式安全阀通常是将短管安装在管道或容器上，离线校验时，需要提前将制冷系统内部的冷媒排空或转移，造成很大的人力、物力消耗，同时还污染环境，在运输途中也易对设备造成二次安装误差。因此，对制冷系统内置式安全阀如何开展在线检测具有重要研究价值。近几年来，随着相关研究的不断深入，提出了一种新的在线检测方法，该方法指出可以利用专用装置穿过定压螺母给弹簧一个垂直向下的作用力，克服弹簧预紧力，从而测得安全阀整定压力的方式，实现制冷系统内置式安全阀在线检测，且该方法完全满足现行TSG ZF001-2006/XG1-2009《安全阀安全技术监察规程》所要求的“弹簧特性法”。但是，目前市场上并没有一款安全阀定压螺母能够满足该方法的应用。本文结合上述实际情况，拟设计一种可以用于该在线检测方法的安全阀定压螺母预制件模型，并通过对其进行受力仿真分析比对，验证模型的可实施性。

1 检测方法原理概述

制冷系统内置式安全阀是一种专门用于制冷设备的超压保护装置，其作用为：当设备运行压力升高超过允许值时，阀门能自动开启，并按照设备运行要求，排放额定量介质，防止设备压力持续升高，保护整个系统。

内置式安全阀和普通弹簧式安全阀结构上存在差异。普通的弹簧式安全阀在线检测原理是从外部作用给阀杆一个向上的附加拉力，克服弹簧的预紧力，从而测得安全阀的整定压力。而内置式安全阀由于本体无阀杆结构，其定压螺母以螺纹形式固定在阀体上，直接转动定压螺母来改变弹簧的受力情况，通过改变弹簧的受压或不受压状态从而调节整定压力。因此，现有在线检测技术方法是通过穿过定压螺母给弹簧一个垂直向下的作用力来克服弹簧的预紧力，从而测得安全阀的整定压力。将测试过程中的曲线拐点作为安全阀开启时的提升力大小，当附加力从0逐渐增大的过程中，其与内部介质向上的力之和与弹簧预紧力相等时，阀瓣微启，介质作用面积S增大，导致用来克服弹簧预紧力的内压作用力瞬间增大，从而使其外附加力瞬间减小，出现特征峰点。此时，峰点所用的外附加力数值即为安全阀开启时的附加力值△F，通过计算得出安全阀开启压力值Ps。根据以上“弹簧特性法”理论，不会将安全阀全部拉开，并且检测过程时间非常短，不会扰动工况。

2 内置式安全阀相关结构参数

市场上目前最常见的制冷系统内置式安全阀型号为SFA-22C150T和SFA-22C300T型，主要作为制冷机冷凝器、蒸发器配套的超压保护装置，两款产品的试验及性能均符合美国ANSI B16.34、ANSI/ASHRAE15-78及我国GB12241、GB12243等相关标准要求。

内置式安全阀结构简图如图1所示，主要零部件材料如下页表1所示。

表1 置式安全阀主要零部件材料明细

图1 内置式安全阀结构简图

3 模型设计

依据上述所提在线检测方法的原理与内置式安全阀的结构，提出一种可用于该检测方法的内置式安全阀定压螺母预制件。通过预先将定压螺母四周转孔，然后在在线检测过程中，将压杆通过定压螺母中心孔放入安全阀腔体，并压在阀瓣的中心位置，再将限位挡杆通过立柱条形孔、压杆上部条形孔穿入，再均匀拧紧两侧立柱上的限位螺母（螺母紧固时，要保证压杆水平状态），使压杆紧紧压住阀瓣。用专用扳手将安全阀的定压螺母逆时针旋转，即可拆卸。当定压螺母拆离安全阀后，将定压螺母提升上、下限位挡杆之间的区域后，安装下限位挡杆（方法同上限位挡杆）。下限位挡杆顶死阀瓣后，拆掉上限位挡杆，即可取出定压螺母。通过定压螺母套中孔套在压杆上，再按照同样方法将上限位挡杆安装好，并拧紧两侧立柱限位螺母，上限位挡杆固定好后，松开下限位挡杆螺母，直至取下下限位挡杆，再将定压螺母顺时针旋转拧紧、压缩弹簧，以实现在不影响弹簧受力的情况下，完成定压螺母的拆卸与安装，达到在线检测的目的。

但由于该方法需要对定压螺母进行转孔，因此，需要对其进行受力仿真分析，比对加工前后工件的受力情况，从而验证其可实施性。

3.1 无测试加工孔的定压螺母结构强度分析

由于制冷系统内置式安全阀存在规格不一，尺寸不一等实际情况，故本文优先以最常见规格定压螺母为研究对象。

受力情况为弹簧提供的支撑力，日常设备受力为50 kg，本次建模分析参数选择为受力60 kg。工作温度一般为常温，本次建模考虑工作状态下可能涉及的冷媒介质温度。

3.1.1 建模

利用Solidworks软件建立了无加工孔的的定压螺母的三维几何模型，如图2所示。

图2 无加工孔定压螺母几何模型

3.1.2 边界条件及网格划分

本次模拟工作采用ANSYS Workbench 2020软件进行，将模型导入Workbench后对其进行网格划分并设置边界条件。材料设置为铜，表面设置为固定约束表面，将底面与弹簧接触表面分割，用60 kg（588 N）的力直接施加在该表面上。模拟计算温度为常温（22℃），因冷媒介质的环境温度不高，不会影响材料的力学性能。故整个计算模型的温度就默认为环境温度，不会发生变化，环境温度与模型温度相同，其受力也基本无变化。

本次模拟的网格数为6 122 199个，网格节点个数为8 768 860，网格划分方式采用非结构化网格的划分方式。

3.1.3 模拟结果与分析

模拟结果表明，最大等效应力出现在定压螺母的螺纹面与定压螺母顶面交界处，其最大应力值为15.396 MPa，平均等效应力值为2.119 7 MPa。最大形变出现在中部圆环的边棱处附近，其最大值为0.000 435 83 mm，平均形变为0.000 204 34 mm。

3.2 带测试加工孔的定压螺母结构强度分析

3.2.1 几何模型

利用Solidworks软件建立了带4个直径4 mm测试加工孔的定压螺母三维模型，如图3所示。

图3 带孔定压螺母侧视图及后视面

3.2.2 边界条件及网格划分

本模拟工作采用ANSYS Workbench 2020软件进行，将三维几何模型导入Workbench后对其进行网格划分以及边界条件的设置。材料设置为铜，表面设置为固定约束表面，将底面与弹簧接触表面分割，用60 kg（588 N）的力直接施加在该表面上。本次模拟的网格数为5 998 952个，节点数为8 631 440个，网格划分方式采用非结构化网格的划分方式。

3.2.3 模拟结果与分析

上述模拟计算结果表明，最大等效应力出现在定压螺母的螺纹面与定压螺母顶面交界处，其最大应力值为14.804 MPa，平均等效应力值为2.152 8 MPa。最大形变处出现在弹簧与定压螺母的接触面附近，其最大值为0.000 441 02 mm，平均形变大小为0.000 203 39 mm。

3.3 带孔定压螺母与不带孔定压螺母模拟结果对比

在定压螺母上挖了四个测试加工孔后，结构强度仍能满足要求，其应力最薄弱位置出现在螺纹连接处。故加工后依然可以正常使用且对零件寿命无影响，该模型具有可实施性。带孔/不带孔定压螺图模拟结果对比如表2所示。

表2 模拟结果对比

4 结语

对于现行提出的穿过定压螺母给弹簧一个垂直向下的作用力来克服弹簧预紧力，从而测得内置式安全阀整定压力的制冷系统内置式安全阀在线检测方法。本文设计出了一种定压螺母预制件模型，并通过受力仿真分析、研究比对，验证了其可实施性。结合实际需求，可以进一步从不同定压螺母规格入手，在安全阀的制造组装阶段完成预先打孔设计，形成固定制造图纸，为安全阀制造厂家在在线检测的优化普及上提供参考。