1、泰 山 學 院本 科 畢 業 設 計石油鉆井剪銷式安全閥（34Mpa 、6等級 ）所 在 學 院 機械與工程學院 專 業 名 稱 機械設計制造及其自動化 申請學士學位所屬學科 工 學 年 級 二一一級（3+2） 學生姓名、學號 周佳2011170228 指導教師姓名、職稱 季紹琨 副教授 完 成 日 期 二零一三年五月 摘 要 安全閥是保障石油化工設備正常運行的重要組成部分，它的啟閉件受外力作用下處于常閉的狀態，當設備或管道內的介質壓力升高，超過規定值時，它會自動開啟，通過向系統外排放介質來防止管道或設備內介質壓力超過規定數值。安全閥屬于自動閥類，主要用于鍋爐、壓力容器和管道上，控制壓力不超過

2、規定值，由此對人身安全和設備運行起重要的保護作用。安全閥在系統中起安全保護作用。當系統壓力超過規定值時，安全閥打開，將系統中的一部分氣體/流體排入大氣/管道外，使系統壓力不超過允許值，從而保證系統不因壓力過高而發生事故。安全閥結構主要有三大類：剪銷式、彈簧式和杠桿式。彈簧式是指閥瓣與閥座的密封靠彈簧的作用力。杠桿式是靠杠桿和重錘的作用力。隨著大容量的需要，又有一種脈沖式安全閥，也稱為先導式安全閥，由主安全閥和輔助閥組成。此外，隨著使用要求的不同，有封閉式和不封閉式。 關鍵詞 ： 安全閥,剪銷,密封,限壓,石油鉆井 ABSTRACT Protection of the safety valve

3、is a safety valve, opening and closing parts of its external force is normally closed by the state, when the device or media pressure inside the tubes increases, exceeds the value of open automatically, through the medium outside the system to prevent discharge within the medium pressure piping or e

4、quipment exceeds the set value. Safety valves are automatic valves, mainly used for boilers, pressure vessels and piping, control pressure does not exceed the value of personal safety and equipment operation play an important protective role. Safety valve in the system play a security role. When the

5、 system pressure exceeds the set value, the valve opens, the system part of the gas / fluid into the atmosphere / channels, the system pressure does not exceed the allowable value, thus ensuring the system is not an accident due to excessive pressure. Also known as relief valve, or pressure relief v

6、alve, but there are some differences between it and the relief valve. Icon for the safety valve of some typical structure. Figure a safety valve for the piston, the spool is a flat. Air pressure acting on the piston A, when the pressure exceeds the spring force to determine the safety value, the pis

7、ton A is the top open, part of the compressed air into the atmosphere from the valve port; when the air pressure below the safety value, the spring-driven Pistons down, close the valve port. The valve sealing surface is clean Valve structure has three major categories: shear pin-type, spring and lev

8、er type. Spring is the valve seal and valve seat by spring force. Leveraged rely on leverage and weight of the force. With the large capacity needs, but also a pulse-type safety valve, also known as pilot safety valve, safety valve from the main and auxiliary valve. Emissions depends on the safety v

9、alve seat diameter and height of the valve opening can also be divided into two types. Key words: pressure limiting valve, shear,pin,seal,oil drilling目 錄1 引言-11.1 簡介-21.2 安全閥的工作原理-21.3安全閥的密封防腐性能 -21.4安全閥的優點 -21.5安全閥安裝前應注意事項-22 搖臂設計-32.1搖臂材料的選擇-32.2銷位置的計算-33 安全銷設計-43.1安全銷所受剪力的原理說明-43.2銷的材料的選擇-54法蘭盤設計

10、-54.1法蘭盤強度計算及材料選擇-64.2法蘭盤連接螺栓校核-65閥桿設計-76組合密封圈結構設計-87箱體結構設計-98安全閥開啟壓力的調整-109安全閥常見故障及消除方法-1110補充說明-12參考文獻- -13致謝-141引言隨著全球經濟的發展,整個世界對于能源的要求與日俱增,供需矛盾也日益突出。我國地大物博,石油資源原本非常豐富,但隨著國民經濟的飛速發展,我國的能源形勢已變得越來越嚴峻,目前對石油的勘探和開發已經達到相當廣泛的程度,因此正日益向海洋區域開采。海洋采油法規規定;在油氣開采過程中,凡具有自噴或自溢能力的井都必須安裝井下安全閥。油氣井安裝井下安全閥系統后,一旦采油氣平臺出現

11、火災或遭受其他重大災害,油氣井就能夠自動關閉,從而避免嚴重的人員傷亡、井噴和海洋污染等惡性事故的發生。而我國井下安全閥大多依賴于進口,現有的技術還處于初始研究階段。1.1簡介 隨著現代化工業的快速發展，安全閥的需求量迅速增長。而對于現代化石油裝置來說，安全閥的使用量加大則需要各式各樣的安全閥。在日常使用中安全閥的開閉頻繁，然而由于結構設計、制造、使用、維修不當，會發生跑、冒、滴、漏現象，因此會引起爆炸、中毒、燙傷等重大人身傷害，或者造成產品質量比較低劣，能量消耗提高，設備腐蝕加快，物耗提高，環境造成污染，甚至造成工業停產等嚴重事故，已屢見不鮮，因此人們對高質量閥門的期望越來越高，同時也要求提高

12、安全閥的使用及維修水平，此時對于操作安全閥的工程技術人員、操作人員以及維修工作人員，提出更新更高的要求，除了要精心的設計、正確的操作安全閥、合理的選用同時也要及時維護、修理閥門，使安全閥的事故發生率降到最低限度，以保證人身及設備的安全。1.2 安全閥的工作原理安全閥由閥桿, 閥體、箱體、搖臂、剪銷及護罩等組成。泥漿壓力作用在閥體下端面, 閥體就受到一個向上的推力, 該推力由閥桿傳搖臂, 搖臂傳遞給轉軸和剪銷, 使剪銷受到剪切。當推力達到使剪銷受到的剪切應力大于剪銷材料的剪切強度極限時, 剪銷便被剪斷, 搖臂沿轉軸向上甩開,閥桿沖離閥座, 泥漿便從閥座孔沖出卸壓, 實現安全保護。搖臂上的每一個孔

13、都對應一個泥漿壓力值, 因此在施工中,只要根據施工技術要求, 確定泥漿壓力后, 把剪銷插入相應的孔中即可。1.3安全閥的密封防腐性能泥漿沖蝕、磨損所產生的劃痕造成閥芯和閥座間密封不嚴密，使得安全閥密封性能下降；密封面上留有雜質。雜質及雜質落到密封圈上，造成閥芯與閥座間有間隙，從而導致閥門滲漏；所以在解體、研修、回裝的過程中，都要防止雜物調入閥體。在計劃檢修中，有時拆下的閥芯及閥座密封面上有明顯的銹蝕、麻點，但仍能保持嚴密不漏。根據這些運行情況看，閥芯和閥座的正確結合比研修質量更重要。同時，當安全閥不泄露時，應盡可能延長檢修周期，減少檢修次數。針對泥漿酸堿性高，雜質多，腐蝕性強的特點，我們同時對

14、安全閥與管路連接處增加橡膠和密封膠。避免出現其他安全閥常見的“跑，冒，滴，漏”現象，對環境不會造成污染且易于管理。為防止作業環境中酸堿鹽性泥漿對安全閥的腐蝕，閥體采用不銹鋼材料，閥桿采用45鋼熱處理后鍍鉻，上閥體腔體內壁、法蘭盤內壁、搖臂、護罩內側均采用鍍鋅處理來改善。1.4安全閥的優點（1）開閉靈活（2）承壓活塞面積小（3）復位簡單（4）通用性好，可與多種泵聯接。1.5安全閥安裝前應注意事項（1）各種安全閥都應垂直安裝。（2）安全閥出口處應無阻力，避免產生受壓現象。（3）安全閥在安裝前應專門測試，并檢查其管密封性。（4）對使用中的安全閥應作定期檢查。 2搖臂設計2.1搖臂材料的選擇 采用40

15、Cr，淬火處理，表面鍍鉻處理。其硬度40-45HRC,其強度是S=345mpa，安全系數s=1.5。2.2銷位置的計算 由力臂平衡知：給閥桿到箱體連接銷的中心線的距離為l=35mm則： （公式1） 其中l=40 當p=34mpa，L1=156.8mm；當p=28.4mpa，L2=142mm；當p=23.5mpa，L3=118mm；當p=18.6mpa，L4=93mm；當p=14.7mpa，L5=74mm；當p=10.8mpa，L6=54mm；結構圖如下： 圖1搖臂 3安全銷設計3.1安全銷所受剪力的原理說明剪銷被剪斷時的應力, 隨控制泥漿壓力的下降而上升, 其主要原因可從兩個方面來探討：（1）

16、當剪銷穿在越靠近轉軸一端，控制壓力越低, 加工誤差及工件變形使剪臂向上轉起的角度越大, 則閥桿頂部就越靠近邊緣處接觸剪臂, 縮短了主動力臂,只有當剪銷穿在距轉軸最遠的孔中時, 受力才最接近理論計算值。（2）從理論上講, 不論剪銷穿在哪個孔中, 剪銷所受的剪力是不變的, 它受力后的變形也應是相等的。3.2銷的材料的選擇采用15#鋼，正火處理，S=225mpa，安全系數s=1.5則：許用剪切應力【】=7064.5mpa由于銷要先于箱體和搖臂發生破壞，從而保護箱體和搖臂不被沖破，所以銷的材料強度最弱。由以知得安全銷的直徑為10mm采用圓柱銷其長度為50mm。 圖2安全銷 4法蘭盤設計4.1法蘭盤強度

17、計算及材料選擇法蘭盤表面鍍鋅，底部加密封裝置。由于法蘭盤設計成錐螺紋用錐螺紋連接需要校核其強度是否滿足要求，其錐度采用1:16，材料用Q235 ，S=220 mpa ，安全系數S=1.5，【】=S/S=220/1.5=146.7mpa (公式2)其中d=40mm p=34.3mpa（最大壓力）d2是錐螺紋的小徑即d2=80mm，經計算強度滿足要求。4.2法蘭盤連接螺栓校核 采用8.8級螺栓，材料為45#鋼，調質處理，其強度S=370mpa，安全系數s=1.5，則【】=S/s=370/1.5=246.7mpamm（公式3） 即d=8.98mm13.835mm其強度滿足要求其中采用6個螺栓布置，平

18、均分布在圓周，采用直徑為16mm的螺栓小徑為13.835mm 圖3法蘭盤 5閥桿設計 采用40Cr，表面調質處理，其強度30-35HRC，S=345mpa，安全系數s=1.5 ，【】=S/s=345/1.5=230mpa其中直徑設為20mm則： （公式4） 滿足要求。圖4閥桿6組合密封圈的結構設計由于要求密封性能非常高，所以使用組合密封圈，使其密封性得到加強。圖中1件材料采用聚氨酯，2件材料為QT235-10，更使其密封性和其耐酸堿腐蝕性得到很大提高。 圖5 組合密封圈 7閥體設計材料采用合金工具鋼2Cr13，閥體與法蘭盤連接部分采用1:16的錐管螺紋連接，采用調質處理，硬度28-32HRC，

19、可防止閥體內腔和閥桿腐蝕，提高了閥的靈敏度，增加了其強度。閥體內腔和閥桿均經過精加工光潔度均較高，維修保養方便。 圖6閥體 8箱體結構形狀設計 由于箱體受力較大，對材料的強度要求較高，因此材料選用ZG270-500。箱體內表面鍍鋅表面先涂H06-4環氧富鋅底漆，再涂環氧灰色云母氧化鐵面漆。圖7箱體 9安全閥開啟壓力的調整（1）安全閥出廠前，應逐臺調整其開啟壓力到用戶要求的整定值。若用戶提出安全銷工作壓力級，則按一般應按壓力級的下限值調整出廠。（2）使用者在將安全閥安裝到被保護設備上之前或者在安裝之前，必須在安裝現場重新進行調整，以確保安全閥的整定壓力值符合要求。（3）在銘牌注明的安全銷工作壓力

20、級范圍內，通過剪銷的不同位置，即可對開啟壓力進行調節。（4）為保證開啟壓力值準確，應使調整時的介質條件，如介質種類、溫度等盡可能接近實際運行條件。介質種類改變，特別是當介質聚積態不同時（例如從液相變為氣相），開啟壓力常有所變化。工作溫度升高時，開啟壓力一般有所降低。故在常溫下調整而用于高溫時，常溫下的整定壓力值應略高于要求的開啟壓力值。高到什么程度與閥門結構和材質選用都有關系，應以制造廠的說明為根據。（5）常規安全閥用于固定附加背壓的場合，當在檢驗后調整開啟壓力時（此時背壓為大氣壓），其整定值應為要求的開啟壓力值減去附加背壓值。（6）密封性試驗密封性試驗時，試驗壓力為最大公稱壓力45MPa，持

21、續時間5分鐘（GB50243）。10安全閥常見故障及消除方法（1）排放后閥桿不回座 這主要是閥桿安裝位置不正或被卡住造成的。應重新裝配。 （2）泄漏在設備正常工作壓力下，密封件與閥座密封面之間發生滲漏。 其原因有：密封件與閥座密封面之間有臟物。可重新安裝前清洗；如果還泄露，看密封件是否損傷。若密封件損傷，應該更換；閥桿彎曲、傾斜或者是杠桿與支點有偏斜而造成，使閥芯與座孔錯位。應重新裝配或者是更換；看看銷是否有損傷，若有損傷應更換。（3）到規定的壓力時卻不開啟定壓不準是造成這種情況的原因。看看銷的直徑、材料及其搖臂孔的位置是否正確。 （4）不到規定的壓力而開啟主要原因的是定壓不準；銷的疲勞、材料

22、及其搖臂孔的位置是否正確。應及時調整。11以上內容的幾點補充說明（1）鑄件應進行時效處理，清砂，修毛刺。（2）與箱蓋合箱后，分箱面邊緣分析，每邊錯位不超過2mm。（3）裝配前所有零件清洗，而搖臂表面鍍鉻處理。（4）各密封處不許漏氣、液體或固液混合物，尤其是法蘭盤與管道，活塞處密封性能會影響產品的性能以及其他因素。（5）安全銷件數6個，裝配時安裝裝一個，其他備用放在塑料袋中。 12總結與展望本文介紹了安全閥的結構和原理，并對剪銷式安全閥上的剪銷位置和控制壓力的關系進行了探討，分析了這種類型的安全閥工作中的的影響因素，對其各部件的強度和材料提出的具體意見。整個課題的研究工作，使我掌握了進行一般設計工作的思路和方法，這將對我今后的實際工作中打下了良好的基礎。更重要的是在課題的設計工作中加強了實際的動手實驗能力，掌握了理論和實踐相結合的設計工作方法。當然在課題設計工作中還存在一些不足和缺陷，我將在以后的工作和學習中逐漸完善。 參考文獻1 楊前驅.石油礦用泵銷軸式安全閥的計算方法J.石油鉆采機械通訊，1980 年第一期.2 王金蒲.安全閥的安裝、校驗和試驗J.勞動保護， 1981年12期.3 蔡爾輔.