CN112032377A - 一种快速响应的先导式安全阀及系统超压快速保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速响应的先导式安全阀及系统超压快速保护方法，先导式安全阀包括阀体、主阀芯、先导阀芯、先导弹簧、弹簧座、主弹簧、下弹簧组、上弹簧组、阀盖、调压手轮和先导出口通道；阀体的主阀芯能在下弹簧组和上弹簧组的限位下竖直方向移动；主阀芯内部开设有台阶式通孔，先导阀芯位于通孔的台阶凸起上方，先导阀芯的顶部顺次同轴固定有先导弹簧、弹簧座、主弹簧和调压手轮，先导阀芯和弹簧座均能在先导弹簧和主弹簧的作用下上下移动。本发明利用下弹簧组、上弹簧组、主弹簧和先导弹簧构成对主阀芯的初始预紧力，先导阀芯与主阀芯之间可根据系统压力自动实现接触或分离，响应速度快，能适应不同的系统压力，有效提升了系统的安全性。
Description
技术领域
本发明属于安全阀领域，特别涉及一种快速响应的先导式安全阀及系统超压快速保护方法。
背景技术
先导式安全阀是由主阀和体积小的先导阀组成的，是一种超压保护装置。工作原理是当阀门进口压力超过安全值时，流体压力作用在先导阀芯上，推动先导阀开启，从而使主阀上端压力降低，在压力差的作用下自动开启主阀对系统进行泄压，使系统压力恢复正常。
工业系统在向着大型化和集中化的趋势发展，一旦系统出现问题没有及时解决，就会发生事故危及操作人员的安全，而且会影响到社会产品的供应。先导式安全阀是保护系统安全的常用装置，为了能及时处理危及系统安全的问题，对先导式安全阀的开启速度要求越来越高。现有的先导式安全阀是把先导阀放在了主阀外侧，利用导管与主阀相连。液体必须要先打开先导阀才能打开主阀，而先导阀的泄流量无法保证系统压力可以及时迅速地降低，经常会因泄压速度过慢而导致系统出现爆炸、开裂等事故。现阶段的专利主要围绕先导式安全阀的密封结构和低压工况的使用进行结构上的改进，对提高先导式安全阀开启速度的专利比较少。
因此研究如何提高先导式安全阀的开启速度具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷，并提供了一种快速响应的先导式安全阀，先导阀芯与主阀芯之间可根据系统压力自动实现接触或分离，具有较快的响应速度，能快速适应不同的系统压力，可有效提高系统的安全性能。更进一步地，本发明还提供了一种基于快速响应的先导式安全阀的系统超压快速保护方法。
本发明所采用的具体技术方案如下：
一种快速响应的先导式安全阀，其包括阀体、主阀芯、先导阀芯、先导弹簧、弹簧座、主弹簧、下弹簧组、上弹簧组、阀盖、调压手轮和先导出口通道；
阀体的顶部可拆卸式固定有阀盖，阀体内部的进流通道处设有主阀芯，主阀芯的底部能将所在处的进流通道完全封闭；下弹簧组的一端与主阀芯底部连接固定，另一端与阀体内壁连接固定；上弹簧组的一端与主阀芯顶部连接固定，另一端与阀盖下端连接固定；下弹簧组和上弹簧组的位置在竖直方向上相互对应，主阀芯能在下弹簧组和上弹簧组的限位下竖直方向移动；
主阀芯内部沿轴向开设有由下到上逐渐扩大的台阶式通孔，所述通孔与进流通道相连通；先导阀芯位于通孔的台阶凸起上方，能通过与台阶凸起的配合关系将所述通孔完全关闭；先导阀芯的顶部顺次同轴固定有先导弹簧、弹簧座、主弹簧和调压手轮，所述弹簧座位于主阀芯的上方，能通过与主阀芯上表面的配合关系将通孔完全关闭；调压手轮位于阀体的外部，通过调压手轮能调整主弹簧的初始压缩量；先导阀芯和弹簧座均能在先导弹簧和主弹簧的作用下上下移动，且先导阀芯上移时能带动弹簧座上移；
位于主阀芯上方的阀体腔室中开设有与主阀出口流道连通的先导出口通道，先导弹簧、主弹簧、下弹簧组和上弹簧组均能在竖直方向上压缩且初始状态下均处于压缩状态；初始状态下，主阀芯的底部与阀体内部贴合且贴合处封闭，先导阀芯与台阶凸起配合将所述通孔完全关闭，弹簧座的底部与主阀芯上表面贴合且贴合处封闭。
作为优选，所述下弹簧组和上弹簧组中弹簧的数量为多个。
进一步的，所述下弹簧组和上弹簧组中弹簧的数量均为四个，且下弹簧组和上弹簧组中的弹簧沿主阀芯周向等角度均匀分布。
进一步的，所述下弹簧组与上弹簧组中弹簧的刚度均相同，且上弹簧组的初始压缩量比下弹簧组的小。
作为优选，所述阀体的顶部与阀盖之间通过螺钉或双头螺栓连接固定。
作为优选，所述主阀芯底部的阀体上开设有安装孔，安装孔用于放置下弹簧组。
作为优选，所述主阀芯与阀体之间通过密封填料进行密封，以保证密封效果。
作为优选，所述阀体的底部安装固定有法兰。
作为优选，所述先导阀芯为底部逐渐缩小的阀芯结构，能够部分伸入台阶凸起形成的孔道内与台阶凸起配合，实现主阀芯内部通孔的完全关闭。
本发明的另一目的在于提供一种基于上述任一所述先导式安全阀的系统超压快速保护方法，其具体如下：
S1：系统压力在正常范围内时，先导阀芯在先导弹簧的作用下与主阀芯紧密接触，保证密封；主阀芯在下弹簧组、上弹簧组、主弹簧和先导弹簧的预紧力作用下与阀体紧密接触，防止流体流入，先导式安全阀处于关闭状态；
S2：当系统压力超出安全范围且上升幅度未超出额定阈值时，流体推动先导阀芯向上移动，同时向上移动的先导阀芯带动弹簧座与主阀芯脱离；流体经先导式安全阀下部进口处流入进流通道，进入主阀芯内部的通孔，经弹簧座与主阀芯之间的空隙，流入先导出口通道，最后经主阀出口流道流出；
S3：在S2的基础上，当系统压力继续上升时，主阀芯在系统压力、下弹簧组的预紧力和先导阀芯泄流后造成的向上压力差作用下，克服上弹簧组的预紧力与主阀芯的重力向上移动，离开阀体；流体能通过主阀芯和阀体之间的空隙，经主阀出口流道流出；
S4：在S2或S3的基础上，当系统压力不再上升恢复正常范围时，经先导出口通道泄流后的先导阀芯会向下移动，回落至初始状态位置，主阀芯与阀体紧密接触，先导式安全阀恢复关闭状态；
S5：当系统压力超出安全范围且上升幅度超出额定阈值时，流体直接推动主阀芯向上移动，使主阀芯在下弹簧组的作用力下离开阀体；流体能通过主阀芯和阀体之间的空隙，经主阀出口流道流出；
S6：在S5的基础上，当系统压力不再上升恢复正常范围时，主阀芯会向下移动回落至初始状态位置，先导式安全阀恢复关闭状态。
本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
本发明先导式安全阀的先导阀芯处的密封面远离主流液体，受到液体冲刷破坏的量较少，能较好地保持良好的密封效果；而主阀芯开口处的密封结构采用与阀体之间填料密封，避免液体反复冲刷造成的破坏，同时在阀体上开弹簧室可以进一步阻止流体的泄露，密封效果较好；
本发明的先导式安全阀可以根据流体压力的不同选择不同的开启方式，提高了开启速度，保证系统拥有足够的安全性；而且流体压力的增加幅度可以通过改变调压手轮进行调节；
本发明将先导阀芯放在主阀芯内部，利用下弹簧组、上弹簧组、主弹簧和先导弹簧构成对主阀芯的初始预紧力，先导阀芯与主阀芯之间可根据系统压力自动实现接触或分离，响应速度较快，能快速适应不同的系统压力，有效提升了系统的安全性。
附图说明
图1是本发明先导式安全阀的结构示意图；
图中：1、法兰；2、阀体；3、下弹簧组；4、密封填料；5、主阀芯；6、先导阀芯；7、先导弹簧；8、弹簧座；9、上弹簧组；10、双头螺栓；11、阀盖；12、主弹簧；13、调压手轮；14、螺钉；15、先导出口通道。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图1所示，在本实施例中，提供了一种快速响应的先导式安全阀，该先导式安全阀包括阀体2、主阀芯5、先导阀芯6、先导弹簧7、弹簧座8、主弹簧12、下弹簧组3、上弹簧组9、阀盖11、调压手轮13和先导出口通道15，下面对各部件的结构及部件之间的连接关系进行具体说明。
阀体2的顶部固定有阀盖11，阀体2与阀盖11之间可拆卸式连接，阀体2的底部和阀体2主阀出口流道的出口端处均固定安装有法兰1。在本实施例中，阀体2的顶部与阀盖11之间通过螺钉14或双头螺栓10连接固定，阀体2与法兰1之间通过焊接连接固定。阀体2内部的进流通道处设有主阀芯5，主阀芯5的底部能将所在处的进流通道完全封闭。在本实施例中，主阀芯5底部能将所在处进流通道的横截面完全覆盖，且主阀芯5与阀体2内部的连接处封闭，流体无法通过。主阀芯5与阀体2之间通过环形的密封填料4进行密封，以保证密封效果，避免流体对密封结构的直接冲刷破坏。
下弹簧组3固定设置于主阀芯5的底部，下弹簧组3的一端与主阀芯5底部连接固定，另一端与阀体2内壁连接固定。在本实施例中，为了保证更好的密封效果，可以在主阀芯5底部的阀体2上开设有安装孔，安装孔用于放置下弹簧组3，下弹簧组3能够完全被压缩收进安装孔内，从而使得主阀芯5底部与阀体2能够实现贴合接触。除此之外，该安装孔可以使流体流入时压力增大，产生负压差，阻止流体进一步流入，保证密封效果。
上弹簧组9固定设置于主阀芯5的顶部，上弹簧组9的一端与主阀芯5顶部连接固定，另一端与阀盖11下端连接固定。下弹簧组3和上弹簧组9的位置在竖直方向上相互对应，主阀芯5能在下弹簧组3和上弹簧组9的限位下竖直方向移动。下弹簧组3和上弹簧组9中弹簧的数量为多个，在本实施例中，下弹簧组3中弹簧和上弹簧组9中弹簧的数量均为四个，且下弹簧组3和上弹簧组9中的弹簧沿主阀芯5周向等角度均匀分布。下弹簧组3与上弹簧组9中弹簧的刚度均相同，且上弹簧组9的初始压缩量比下弹簧组3的小，保证主阀芯5在先导阀芯6打开后受到的合力较小且方向向下，因此当系统压力达到一定程度时，主阀芯5能在下弹簧组3的作用力下快速上移，增强了响应速度。
主阀芯5内部沿轴向开设有由下到上逐渐扩大的台阶式通孔，通孔与进流通道相连通。先导阀芯6位于通孔的台阶凸起上方，能通过与台阶凸起的配合关系将通孔完全关闭。在本实施例中，先导阀芯6为底部逐渐缩小的阀芯结构，先导阀芯6能够部分伸入台阶凸起形成的孔道内，与台阶凸起配合从而实现主阀芯5内部通孔的完全关闭。先导阀芯6的顶部顺次同轴固定有先导弹簧7、弹簧座8、主弹簧12和调压手轮13，也就是说，先导阀芯6的顶部固定连接有能够竖直方向压缩的先导弹簧7，先导弹簧7的底部与先导阀芯6的顶部固定连接，先导弹簧7的顶部固定连接有弹簧座8，弹簧座8的底部与先导弹簧7的顶部固定连接，弹簧座8的顶部固定连接有能够竖直方向压缩的主弹簧12，主弹簧12的底部与弹簧座8的顶部固定连接，主弹簧12的顶部固定连接有调压手轮13。其中，弹簧座8位于主阀芯5的上方，能通过与主阀芯5上表面的配合关系将通孔完全关闭。在本实施例中，弹簧座8横向截面的外周要大于弹簧座8底面所在位置处的通孔尺寸，当弹簧座8与主阀芯5接触时，弹簧座8的底面能将所在位置处的通孔完全覆盖，且连接处封闭。调压手轮13通过杆件与主弹簧12的顶部固定连接，杆件贯穿阀盖11与位于阀体2的外部的调压手轮13相连接，且杆件与阀盖11之间形成螺纹连接，以便通过旋转调压手轮13能够调整主弹簧12的初始压缩量在固定值处。先导阀芯6和弹簧座8均能在先导弹簧7和主弹簧12的作用下上下移动，且先导阀芯6上移时能带动弹簧座8上移，实现先导式安全阀的泄压功能。先导阀芯6上移时，带动弹簧座8与主阀芯5分离，主阀芯5受到的作用力逐渐变小，使得主阀芯5易于打开。调节调压手轮13可以调整弹簧12的初始压缩量，从而改变系统流体压力的安全范围值。
位于主阀芯5上方的阀体2腔室中开设有与主阀出口流道连通的先导出口通道15，先导弹簧7、主弹簧12、下弹簧组3和上弹簧组9均能在竖直方向上压缩且在初始状态时均处于压缩状态，以保证主阀芯5处密封结构有足够的初始预紧力。在初始状态下，主阀芯5的底部与阀体2内部贴合且贴合处封闭，先导阀芯6与台阶凸起配合将通孔完全关闭，弹簧座8的底部与主阀芯5上表面贴合且贴合处封闭。
基于上述先导式安全阀的系统超压快速保护方法，具体如下：
S1：当系统压力在正常范围内时，先导阀芯6在先导弹簧7的作用下会与主阀芯5紧密接触，保证了密封效果。主阀芯5在下弹簧组3、上弹簧组9、主弹簧12和先导弹簧7的预紧力作用下与阀体2紧密接触，从而防止了流体流入。此时，先导式安全阀处于关闭状态，系统无需先导式安全阀进行泄流保护就可以实现正常运行。
S2：当系统压力超出安全范围且上升幅度未超出额定阈值时，额定阈值指的是系统向上的压力仅能克服主弹簧12和先导弹簧7的预紧力以及先导阀芯6的重力作用使得先导阀芯6上移，而无法克服上弹簧组9的预紧力和主阀芯5的重力作用使得主阀芯5上移。在该种情况下，流体推动先导阀芯6向上移动，同时向上移动的先导阀芯6带动弹簧座8与主阀芯5脱离。此时，流体经先导式安全阀下部进口处流入进流通道，进入主阀芯5内部的通孔，经弹簧座8与主阀芯5之间的空隙，流入先导出口通道15，最后经主阀出口流道流出。
S3：在S2的基础上，当系统压力继续上升时，主阀芯5在系统压力和先导阀芯6泄流后造成的向上压力差作用下，克服上弹簧组9的预紧力与主阀芯5的重力向上移动，主阀芯5在下弹簧组3的作用力下离开阀体2。此时，流体能通过主阀芯5和阀体2之间的空隙，经主阀出口流道流出。
需要说明的是，根据主弹簧12和先导弹簧7预紧力大小的不同，在主阀芯5向上移动时，先导阀芯6有可能与主阀芯5贴合，此时流体只能从主阀芯5和阀体2之间的空隙，经主阀出口流道流出。除此之外，先导阀芯6有可能不与主阀芯5贴合，此时流体部分从主阀芯5和阀体2之间的空隙经主阀出口流道流出，另一部分的流体经弹簧座8与主阀芯5之间的空隙流入先导出口通道15，最后经主阀出口流道流出。
S4：在S2或S3的基础上，当系统压力不再上升且恢复正常范围时，经先导出口通道15泄流后的先导阀芯6会向下移动，回落至初始状态位置，主阀芯5与阀体2紧密接触，先导式安全阀恢复关闭状态。
S5：当系统压力超出安全范围且上升幅度超出额定阈值时，流体直接推动主阀芯5向上移动，使主阀芯5在下弹簧组3的作用力下离开阀体2。此时，流体能通过主阀芯5和阀体2之间的空隙，经主阀出口流道流出。
S6：在S5的基础上，当系统压力不再上升恢复正常范围时，主阀芯5会向下移动回落至初始状态位置，先导式安全阀恢复关闭状态。
当系统压力再次升高，且超出安全范围时，先导式安全阀会根据实际状态重复上述过程。
本发明的工作原理为：阀门处于关闭状态时，流体从下侧进口进入，处在主阀芯前端，下弹簧组3与上弹簧组9弹簧刚度均相同，同一组内的弹簧刚度也相同，但上弹簧组9的初始压缩量比下弹簧组3的小，则主阀芯的预紧力由先导弹簧7和主弹簧12提供，预紧力的大小与先导阀芯6开启时的压力大小有关，可根据需要可以旋转调压手轮13进行设置。
本发明将先导阀芯放在主阀芯内部，利用下弹簧组、上弹簧组、主弹簧和先导弹簧构成对主阀芯的初始预紧力，先导阀芯与主阀芯之间可根据系统压力自动实现接触或分离，响应速度较快，能快速适应不同的系统压力，有效提升了系统的安全性。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种快速响应的先导式安全阀，其特征在于，包括阀体(2)、主阀芯(5)、先导阀芯(6)、先导弹簧(7)、弹簧座(8)、主弹簧(12)、下弹簧组(3)、上弹簧组(9)、阀盖(11)、调压手轮(13)和先导出口通道(15)；
阀体(2)的顶部可拆卸式固定有阀盖(11)，阀体(2)内部的进流通道处设有主阀芯(5)，主阀芯(5)的底部能将所在处的进流通道完全封闭；下弹簧组(3)的一端与主阀芯(5)底部连接固定，另一端与阀体(2)内壁连接固定；上弹簧组(9)的一端与主阀芯(5)顶部连接固定，另一端与阀盖(11)下端连接固定；下弹簧组(3)和上弹簧组(9)的位置在竖直方向上相互对应，主阀芯(5)能在下弹簧组(3)和上弹簧组(9)的限位下竖直方向移动；
主阀芯(5)内部沿轴向开设有由下到上逐渐扩大的台阶式通孔，所述通孔与进流通道相连通；先导阀芯(6)位于通孔的台阶凸起上方，能通过与台阶凸起的配合关系将所述通孔完全关闭；先导阀芯(6)的顶部顺次同轴固定有先导弹簧(7)、弹簧座(8)、主弹簧(12)和调压手轮(13)，所述弹簧座(8)位于主阀芯(5)的上方，能通过与主阀芯(5)上表面的配合关系将通孔完全关闭；调压手轮(13)位于阀体(2)的外部，通过调压手轮(13)能调整主弹簧(12)的初始压缩量；先导阀芯(6)和弹簧座(8)均能在先导弹簧(7)和主弹簧(12)的作用下上下移动，且先导阀芯(6)上移时能带动弹簧座(8)上移；
位于主阀芯(5)上方的阀体(2)腔室中开设有与主阀出口流道连通的先导出口通道(15)，先导弹簧(7)、主弹簧(12)、下弹簧组(3)和上弹簧组(9)均能在竖直方向上压缩且初始状态下均处于压缩状态；初始状态下，主阀芯(5)的底部与阀体(2)内部贴合且贴合处封闭，先导阀芯(6)与台阶凸起配合将所述通孔完全关闭，弹簧座(8)的底部与主阀芯(5)上表面贴合且贴合处封闭。
2.根据权利要求1所述的先导式安全阀，其特征在于，所述下弹簧组(3)和上弹簧组(9)中弹簧的数量为多个。
3.根据权利要求2所述的先导式安全阀，其特征在于，所述下弹簧组(3)和上弹簧组(9)中弹簧的数量均为四个，且下弹簧组(3)和上弹簧组(9)中的弹簧沿主阀芯(5)周向等角度均匀分布。
4.根据权利要求2所述的先导式安全阀，其特征在于，所述下弹簧组(3)与上弹簧组(9)中弹簧的刚度均相同，且上弹簧组(9)的初始压缩量比下弹簧组(3)的小。
5.根据权利要求1所述的先导式安全阀，其特征在于，所述阀体(2)的顶部与阀盖(11)之间通过螺钉(14)或双头螺栓(10)连接固定。
6.根据权利要求1所述的先导式安全阀，其特征在于，所述主阀芯(5)底部的阀体(2)上开设有安装孔，安装孔用于放置下弹簧组(3)。
7.根据权利要求1所述的先导式安全阀，其特征在于，所述主阀芯(5)与阀体(2)之间通过密封填料(4)进行密封，以保证密封效果。
8.根据权利要求1所述的先导式安全阀，其特征在于，所述阀体(2)的底部安装固定有法兰(1)。
9.根据权利要求1所述的先导式安全阀，其特征在于，所述先导阀芯(6)为底部逐渐缩小的阀芯结构，能够部分伸入台阶凸起形成的孔道内与台阶凸起配合，实现主阀芯(5)内部通孔的完全关闭。
10.一种基于权利要求1～9任一所述先导式安全阀的系统超压快速保护方法，其特征在于，具体如下：
S1：系统压力在正常范围内时，先导阀芯(6)在先导弹簧(7)的作用下与主阀芯(5)紧密接触，保证密封；主阀芯(5)在下弹簧组(3)、上弹簧组(9)、主弹簧(12)和先导弹簧(7)的预紧力作用下与阀体(2)紧密接触，防止流体流入，先导式安全阀处于关闭状态；
S2：当系统压力超出安全范围且上升幅度未超出额定阈值时，流体推动先导阀芯(6)向上移动，同时向上移动的先导阀芯(6)带动弹簧座(8)与主阀芯(5)脱离；流体经先导式安全阀下部进口处流入进流通道，进入主阀芯(5)内部的通孔，经弹簧座(8)与主阀芯(5)之间的空隙，流入先导出口通道(15)，最后经主阀出口流道流出；
S3：在S2的基础上，当系统压力继续上升时，主阀芯(5)在系统压力、下弹簧组(3)的预紧力和先导阀芯(6)泄流后造成的向上压力差作用下，克服上弹簧组(9)的预紧力与主阀芯(5)的重力向上移动，离开阀体(2)；流体能通过主阀芯(5)和阀体(2)之间的空隙，经主阀出口流道流出；
S4：在S2或S3的基础上，当系统压力不再上升恢复正常范围时，经先导出口通道(15)泄流后的先导阀芯(6)会向下移动，回落至初始状态位置，主阀芯(5)与阀体(2)紧密接触，先导式安全阀恢复关闭状态；
S5：当系统压力超出安全范围且上升幅度超出额定阈值时，流体直接推动主阀芯(5)向上移动，使主阀芯(5)在下弹簧组(3)的作用力下离开阀体(2)；流体能通过主阀芯(5)和阀体(2)之间的空隙，经主阀出口流道流出；
S6：在S5的基础上，当系统压力不再上升恢复正常范围时，主阀芯(5)会向下移动回落至初始状态位置，先导式安全阀恢复关闭状态。
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