介绍了气控碟形弹簧式安全阀的设计原理、阀门结构、碟簧的设计及安全阀研制过程。
一、概述
气控碟形弹簧式安全阀是安装在电站锅炉过热器或再热器集箱上，作为一种直接向大气排出过量蒸汽的特殊专用阀门。当锅炉异常超压时，阀门自动打开并排出过量蒸汽，压力恢复正常后，阀门再行关闭并阻止介质继续排放。安全阀一般采用圆柱形压缩弹簧，而碟形弹簧在我国安全阀产品设计上却很少采用。由于安全阀性能参数的要求，由此在设计上很难满足弹簧的细长比要小于3.7（自由高度与弹簧中径之比）,而弹簧指数（中径与钢丝直径之比）应在4~8范围内选取的要求。而碟形弹簧则不受此限制，且热稳定性佳，从安全阀设计结构上可以大幅度节约原材料。安全阀上部结构为活塞式气控装置，需外接0.6MPa的气源控制安全阀紧急时开启或关闭用。
二、任务由来
我厂于2001年9月份为某电厂50MW锅炉系统配套生产了两台高温高压电站安全阀，型号为A62Y-P55140V，DN100。阀体材料为WC6,内件材料为1Cr18Ni9Ti。安全阀性能参数如表B1。

　三、研制过程
气控碟形弹簧安全阀总体方案如图1所示。

1.安全阀内部设计成双调节圈结构,下调节圈设置在阀座上,上调节圈设置在导向套上,使其匹配合理,充分起到调节回座压力及排放压力的作用。在设计时尤其要注意导向套的长度，一定要使排放帘面积大于流道喉部面积，否则将严重影响阀门的排放。
2.阀瓣结构如图2所示。

a)阀杆支撑点A，设计时应考虑重心尽量向下，以保持系统的稳定性；垫块球面处堆焊硬质合金，增加硬度及耐磨性。
b)阀杆下部加工有螺纹，设计成防飞出结构，符合标准的要求。
c)为了增加上下调节圈的调节性能及使阀瓣有良好的反冲性能，阀瓣外径与密封面中径之比应保持在1.7左右。
d)阀瓣下端设计成锥面，主要是为了增加接触面积，提高升力。为了增强高温时阀门的密封性能，阀瓣密封面设计成热变形弹性结构，如图3所示。
3.阀门流道直径的确定
阀门喉径是一个重要参数，主要是根据锅炉或容器的排量确定。介质或使用的工况不同，选用的公式也不相同。依据《压力容器安全技术监察规程》附件5所列公式，当11MPa≤Pd≤22MPa,按过热蒸汽公式计算。
Ws=5.25KAPdKsh
式中：W------额定排放量，Kg/h
K------排量系数，全启式安全阀K=0.7
A------喉部直径，mm2A=0.785d02
d0------阀门喉径，mm
Pd------排放压力（绝压），MPaPd=1.03Pk+0.1
Pk-----整定压力，MPa
Ksh------蒸汽过热修正系数，查《蒸汽性质表》Ksh=0.76
按上述公式计算，经过调整d0取70mm。
4.碟形弹簧的设计
首先分析阀瓣受力，这是一个动态过程。在密封状态，阀瓣上下受两个力，向上受介质推力，向下受弹簧压力。此时两个力平衡，碟簧受力最小，由于篇幅有限，不再一一列出公式，经计算得Pmin=69791.4N。在阀门打开阀瓣升高到最高时，此时为一个瞬间平衡，受力最大，计算得Pmax=102757N。在计算时应考虑到阀瓣开启后，阀瓣受介质作用的面积有所增加，所受的力也就不一样。
阀门喉径d0=70mm,全启式安全阀开启高度为do/4=17.5mm。
在P1=Pmax-Pmin=32966N作用下，碟簧压缩17.5mm。计算时假定碟簧受静载荷P1=32966N时的变形量为17.5mm,碟簧导杆的直径为90mm。
按导杆尺寸条件，在GB/T1972中，选取内径d=92mm碟簧三种，尺寸如B2表。

　　由表B2可见采用单个碟簧不能满足要求，经简单校核计算可采用A系列碟簧对合组合，所谓对合组合就是由n个相向同规格的一组碟簧组成。
由（A2）式：Pc=
式中：Pc------碟簧压平时载荷，N
E-------弹簧模量，E=2.06x105N/mm2
u-------泊松比，u=0.3
t-------碟簧厚度，mm
ho------压平时变形量，mm
K1------计算系数，K1=

C------直径比，C=D/d

K4------计算系数，K4=
C1------计算系数，C1=
C2------计算系数，C2=由上述参数，经计算C=2，则K1=0.69;C1=4.16,C2=5.325,则K4=0.8。
所以，Pc==1.04x105N
P1/Pc=3.2966x104/1.04x105=0.32
由图A1（见《弹簧设计手册》131页），A系列h0/t=0.43,根据P1/Pc=0.32,查出f/h0=0.27,变形量f1=0.27ho=0.27x4=1.08mm,因此为满足变形量为17.5mm,所需碟簧片数最小为：
n=fz1/f1=17.5/1.08=16.2取偶数18片。
其实阀瓣从起跳到排放、然后回座，这是一个动态过程。碟簧在Pmin和Pmax之间循环工作。上述过程是以静态来计算的，所以碟簧初步确定后，还要校核其寿命是否在持久寿命范围内。
考虑到调节整定压力时的预压缩量，及阀门的通用性，最终碟簧取22片。碟簧如图4所示。碟簧材料60Si2MnA,成形后必须进行淬火、回火处理，硬度控制在HRC42-52范围内。碟簧强压处理后自由高度应稳定，表面进行防腐处理。

四.试验
气控碟形弹簧式安全阀先后共生产了六台，出厂前均按GB12243-89《弹簧直接载荷式安全阀》标准进行出厂性能试验。壳体强度试验、整定压力试验、密封性能试验均符合标准要求。对上部气控装置用0.6MPa的压缩空气进行了试验，即在整定压力Pk的75%~90%范围内对密封性及开启灵敏度进行调试，密封性好，动作灵敏，符合要求。对阀体、碟簧、阀座等重要零件进了无损探伤，均符合标准要求。
阀门体形匀称，外观质量好。在电厂进行设备调试，锅炉开炉时，我厂派技术人员会同当地技术监察部门及电厂工作人员对阀门进行性能测试，各项指标均符合标准要求。
五.结语
该阀实地使用后，用户反映比较满意。由于篇幅有限，我们仅对重点部分进行了简略的分析，在此仅抛砖引玉，供大家参考。