鍋爐安全閥的故障分析及處理

王麗娟

(湖南工學(xué)院機械工程系)

鍋爐安全閥的故障分析及處理

王麗娟*

(湖南工學(xué)院機械工程系)

分析了安全閥在鍋爐應(yīng)用中出現(xiàn)閥門漏泄、閥體結(jié)合面滲漏、沖量安全閥動作后主安全閥不動作、沖量安全閥回座后沖量延遲回座時間過長以及安全閥的回座壓力低、頻跳和顫振等常見的故障原因，并針對故障原因提出了解決方法。

安全閥 鍋爐 故障分析 壓力容器

0 前言

安全閥是一種安全保護用閥，其作用是防止管路或裝置中的介質(zhì)壓力超過規(guī)定數(shù)值，從而達到安全保護的目的。

鍋爐安全閥屬于自動閥，主要用于鍋爐、壓力容器和管道上，它的啟閉件在外力作用下處于常閉狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備或管道內(nèi)的介質(zhì)壓力升高至超過規(guī)定值時自動開啟，通過向系統(tǒng)外排放介質(zhì)來控制管道或設(shè)備內(nèi)介質(zhì)壓力不超過規(guī)定數(shù)值。當(dāng)鍋爐中介質(zhì)壓力超過允許壓力時，安全閥自動開啟，排汽降壓，同時發(fā)出鳴叫聲報警，以防止事故的發(fā)生；當(dāng)介質(zhì)壓力回降到允許工作壓力或略低于允許工作壓力時又能自動 “回座”關(guān)閉，停止排放流體并保持密封。在鍋爐正常運行中，安全閥必須能夠保持密閉不漏。

安全閥按閥瓣開啟高度來分，可分為微啟式安全閥和全啟式安全閥。微啟式安全閥的開啟行程高度為≤0.05d0(最小排放喉部口徑)；全啟式安全閥開啟高度為≤0.25d0（最小排放喉部口徑）。

安全閥按結(jié)構(gòu)形式來分，可分為垂錘式、杠桿式、彈簧式和先導(dǎo)式 （脈沖式）。

安全閥按氣體排放方式來分，可分為全封閉式、半封閉式和敞開式。封閉式安全閥即排除的介質(zhì)不外泄，全部沿著出口排泄到指定地點，一般用于有毒和腐蝕性介質(zhì)。對于空氣和蒸汽用安全閥，多采用敞開式安全閥。

蒸汽鍋爐安全閥，一般選用敞開全啟式彈簧安全閥。在大容量鍋爐上，通常采用脈沖式安全閥。

對于安全閥產(chǎn)品的選用，應(yīng)按實際密封壓力來確定。對于彈簧式安全閥，在一種公稱壓力 （PN）范圍內(nèi)，具有幾種工作壓力級的彈簧，訂貨時除注明安全閥型號、名稱、介質(zhì)和溫度外，尚應(yīng)注明閥體密封壓力，否則按最大密封壓力供貨。

1 鍋爐安全閥常見故障及產(chǎn)生原因

1.1 閥門密封面漏泄

閥門密封面漏泄是指在正常工作壓力下，鍋爐安全閥的閥瓣與閥座密封面處發(fā)生超過允許程度的滲漏。安全閥的泄漏不但會引起介質(zhì)損失，還會使硬的密封材料遭到破壞。常用的安全閥其密封面都是金屬材料對金屬材料，盡管密封面的加工力求光潔平整，但是要做到在介質(zhì)帶壓情況下絕對不漏還是非常困難的。因此，對于工作介質(zhì)是蒸汽的安全閥，在規(guī)定壓力值下，如果在出口端肉眼看不見也聽不出有漏泄，就認(rèn)為密封性能是合格的。

造成閥門漏泄的原因主要有以下三種情況：

（1）油垢、水垢或結(jié)晶物等臟物雜質(zhì)落到密封面上，在密封面上粘住或腐蝕密封面，造成閥芯與閥座間有間隙，致使閥門密封面滲漏。

（2）密封面制造質(zhì)量差。材質(zhì)、加工精度及閥體各零件裝配質(zhì)量沒有滿足技術(shù)要求，熱處理工藝不當(dāng)，閥瓣與閥座材質(zhì)不滿足實際運行所需的高溫、高壓及防腐等要求。

（3）密封面檢修質(zhì)量差。在閥門檢修過程中，閥芯閥座的研磨達不到質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求；許多安全閥由于多年來的檢修，閥芯與閥座密封面已經(jīng)研磨得很薄，密封面的硬度也大大降低，從而造成密封性能下降。

1.2 閥體結(jié)合面滲漏

閥體結(jié)合面滲漏是指上下閥體間結(jié)合面處的滲漏現(xiàn)象，造成這種滲漏的主要原因有：

（1）結(jié)合面的螺栓預(yù)緊力不夠，造成結(jié)合面密封不好。

（2）閥體結(jié)合面的齒形密封墊不符合標(biāo)準(zhǔn)。例如，齒形密封墊徑向有輕微溝痕，平行度差，齒形角過大或過小等缺陷，都會造成密封失效，從而使閥體結(jié)合面滲漏。

（3）閥體結(jié)合面的平面度太差或被硬的雜質(zhì)墊住造成密封失效。

1.3 沖量安全閥動作后主安全閥不動作

脈沖式安全閥的主安全閥不動作對運行中的鍋爐危害是非常大的。若運行中的壓力容器及壓力管道其介質(zhì)壓力超過額定值而主安全閥不動作，就會使設(shè)備超壓運行，極易造成設(shè)備損壞及重大事故。

主安全閥的動作原理：當(dāng)承壓容器內(nèi)的壓力升至沖量安全閥（也叫副閥）的調(diào)整壓力時，沖量安全閥動作，介質(zhì)從容器內(nèi)通過管路沖向主安全閥活塞室內(nèi)，在活塞室內(nèi)將有一個微小的擴容降壓。假如此時活塞室內(nèi)的壓力為P1，活塞節(jié)流面積為Shs，此時作用在活塞上的力f1為：

假如此時承壓容器內(nèi)的介質(zhì)壓力為P2，閥芯的面積為Sfx，則此時介質(zhì)對閥芯向上的作用力f2為：通常安全閥的活塞直徑較閥芯直徑大，所以有Shs＞Sfx。 此外，P1≈P2。

假如將彈簧通過閥桿對閥芯向上的拉力設(shè)為f3，將運動部件與固定部件間的摩擦力 （主要是活塞與活塞室間的摩擦力）設(shè)為fm，則主安全閥動作的先決條件是f1＞f2+f3+fm。即只有作用在活塞上的作用力f1略大于作用在閥芯上使其向上的作用力f2、彈簧通過閥桿對閥芯向上的拉力f3及運動部件與固定部件間的摩擦力fm之和時，主安全閥才能啟動。

主安全閥不動作主要與以下三方面因素有關(guān)：

（1）閥門運動部件有卡阻現(xiàn)象。產(chǎn)生原因：裝配不當(dāng)，臟物及雜質(zhì)混入，零件腐蝕，活塞室表面光潔度差，表面損傷，表面有溝痕、硬點等缺陷，所有這些因素都可能造成運動部件與固定部件間摩擦力fm增大，在其他條件不變的情況下，f1＜f2+f3+fm，以致主安全閥不動作。

（2）主安全閥活塞室漏氣量大。當(dāng)閥門活塞室漏氣量大時，作用在活塞上的作用力f1偏小，在其他條件不變的情況下，f1＜f2+f3+fm，所以主安全閥不動作。引起活塞室漏氣量大的主要原因是閥門本身的氣密性差、活塞環(huán)尺寸不符合要求或活塞環(huán)磨損過大達不到密封要求。

（3）主安全閥與沖量安全閥匹配不當(dāng)，沖量安全閥的蒸汽流量太小。沖量安全閥的公稱通徑太小，致使流入主安全閥活塞室的蒸汽量不足，推動活塞向下運動的作用力f1不夠，即f1＜f2+f3+fm，致使主安全閥閥芯不動。這種現(xiàn)象多發(fā)生于主安全閥和沖量安全閥兩者中有一個更換時，由于考慮不周而造成匹配不當(dāng)所致。

1.4 沖量安全閥回座后主安全閥延遲回座時間過長

（1）主安全閥活塞室的漏汽量大，雖然沖量安全閥回座了，但存在于管路中和活塞室中的蒸汽的壓力仍很高，推動活塞向下的力仍很大，所以造成主安全閥回座遲緩。這種故障多發(fā)生于A42Y-P5413.7VDg100型安全閥上，因為這種型號的安全閥活塞室氣封性良好。

消除這種故障的方法主要是開大節(jié)流閥的開度和加大節(jié)流孔徑。節(jié)流閥開度的增大與節(jié)流孔徑的增加都使留在脈沖管內(nèi)的蒸汽迅速排放掉，從而降低活塞室內(nèi)的壓力，使其作用在活塞上向下的推力迅速減小，這樣閥芯在集汽聯(lián)箱內(nèi)蒸汽介質(zhì)向上的推力和主安全閥自身彈簧向上的拉力作用下迅速回座。

（2）主安全閥的運動部件與固定部件之間的摩擦力過大也會造成主安全閥回座遲緩。解決這種問題的方法就是將主安全閥運動部件與固定部件的配合間隙控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。1.5 安全閥的回座壓力低

安全閥回座壓力過低將造成大量的介質(zhì)超時排放，造成不必要的能量損失。這種故障多發(fā)生在200 MW機組所使用的A49H型彈簧脈沖安全閥上，主要是由以下幾個因素造成的：

（1）彈簧脈沖安全閥的蒸汽排泄量大，這種形式的沖量安全閥在開啟后，介質(zhì)不斷排出，推動主安全閥動作。

一方面，沖量安全閥的壓力因主安全閥的介質(zhì)排出量不夠而繼續(xù)升高，造成脈沖管內(nèi)的蒸汽沿汽包或集汽聯(lián)箱繼續(xù)流向沖量安全閥而使沖量安全閥持續(xù)動作。

另一方面，由于此種型式的沖量安全閥其介質(zhì)流通是經(jīng)由閥芯與導(dǎo)向套之間的間隙流向主安全閥活塞室的，介質(zhì)沖出沖量安全閥的密封面，在其周圍形成動能壓力區(qū)，將閥芯抬高，使沖量安全閥持續(xù)排放。蒸汽排放量越大，閥芯部位動能壓力區(qū)的壓強越大，作用在閥芯上的向上推力就越大，沖量安全閥就越不容易回座。

（2）閥芯與導(dǎo)向套的配合間隙不適當(dāng)，配合間隙偏小。在沖量安全閥啟座后，此部位瞬間節(jié)流形成較高的動能壓力區(qū)，將閥芯抬高，從而延遲回座時間。當(dāng)容器內(nèi)的壓力降到較低時，動能壓力區(qū)的壓力減小，沖量安全閥才回座。

消除這種故障的方法是認(rèn)真檢查閥芯及導(dǎo)向套各部分尺寸，配合間隙過小時，減小閥瓣密封面直往式閥瓣阻汽帽直徑或增加閥瓣與導(dǎo)向套之間徑向間隙，以此來增加該部位的通流面積，使蒸汽流經(jīng)時不至于過分節(jié)流，避免局部壓力升高形成很高的動能壓力區(qū)。

（3）各運動零件摩擦力大，有些部位出現(xiàn)卡澀。

1.6 安全閥頻跳

安全閥頻跳是指安全閥回座后，壓力稍一升高，安全閥又將開啟，反復(fù)多次出現(xiàn)。安全閥的機械特性要求其在整個動作過程中，在達到規(guī)定的開啟高度時，不允許出現(xiàn)卡阻、顫振和頻跳現(xiàn)象。發(fā)生頻跳對安全閥的密封極為不利，極易造成密封面泄漏。安全閥頻跳主要與安全閥回座壓力過高有關(guān)。

1.7 安全閥的顫振

安全閥在排放過程中出現(xiàn)抖動現(xiàn)象，稱為安全閥的顫振。顫振的發(fā)生極易造成金屬疲勞，使安全閥的機械性能下降，造成嚴(yán)重的設(shè)備隱患。顫振的產(chǎn)生原因主要有：

（1）閥門的選用不當(dāng)，選用的閥門排放能力太大（相對于必須排放量而言）。

（2）進口管道的口徑太小，小于閥門的進口通徑，或進口管阻力太大。排放管道阻力過大，造成排放時產(chǎn)生過大的背壓，這也是造成閥門顫振的一個因素。

2 鍋爐安全閥故障的預(yù)防及處理

綜上所述鍋爐安全閥的常見故障及產(chǎn)生的原因，提出針對性的預(yù)防及處理措施如下：

（1）為防止安全閥閥瓣與閥座被油垢、水垢等臟物粘住或彈簧等零部件被腐蝕，防止安全閥排放管被油垢、水垢等臟物或其他異物堵塞，要經(jīng)常保持安全閥的清潔。消除油垢臟物的方法就是清除掉落到密封面上的臟物及雜質(zhì)。一般在鍋爐準(zhǔn)備停爐大小修時，首先要做安全閥跑砣試驗。如果在點爐后進行跑砣試驗并發(fā)現(xiàn)安全閥漏泄，可在跑砣后先冷卻20 min，然后再跑砣一次，對密封面進行沖刷。

（2）為防止由于裝配不當(dāng)或有關(guān)零件尺寸不合適而造成的安全閥漏泄現(xiàn)象，要保證閥芯頂尖孔與密封面同軸度。方法是檢查閥芯周圍配合間隙的大小及均勻性，保證閥芯頂尖孔與密封面同軸度，檢查各部位間隙，不允許抬起閥芯；根據(jù)圖紙要求適當(dāng)減小密封面的寬度，實現(xiàn)有效密封。

（3）為防止由于密封面損傷而造成的安全閥漏泄現(xiàn)象，最好的方法就是將原有密封面車削下去，然后按圖紙要求重新堆焊加工，以提高密封面的表面硬度。注意在加工過程中一定要保證加工質(zhì)量，如密封面出現(xiàn)裂紋、沙眼等缺陷，一定要將其車削掉，然后重新加工。新加工的閥芯閥座一定要符合圖紙要求。目前使用YST103通用鋼焊條堆焊加工的閥芯密封面效果就比較好。

（4）為防止由于密封面檢修質(zhì)量差而造成的安全閥漏泄現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)密封面的損傷程度采用研磨或車削后研磨的方法修復(fù)密封面。

（5）為防止閥體結(jié)合面滲漏，必須調(diào)整螺栓緊力，在緊螺栓時一定要按對角擰緊的方式進行，最好是邊緊邊測量各處間隙，將螺栓緊到緊不動為止，并使結(jié)合面各處間隙一致。

（6）在檢修時把好備件質(zhì)量關(guān)，采用合乎標(biāo)準(zhǔn)的齒形密封墊，以避免上下閥體間結(jié)合面處發(fā)生滲漏。

（7）對由于閥體結(jié)合面的平面度太差而引起閥體結(jié)合面滲漏的，其解決方法是將閥門解體，重新研磨結(jié)合面，直至符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。對由于雜質(zhì)墊住而造成密封失效的，應(yīng)在閥門組裝時認(rèn)真清理結(jié)合面，避免雜質(zhì)落入。

（8）為防止主安全閥不動作，檢修時要對活塞、脹圈及活塞室進行除銹處理，對活塞室溝痕等缺陷進行研磨，裝配前要將活塞室內(nèi)壁均勻地涂上鉛粉，并嚴(yán)格按次序?qū)﹂y門進行組裝。

對主安全閥活塞室漏氣量大而產(chǎn)生的主安全閥不動作，其解決方法是對活塞室內(nèi)表面進行處理，更換合格的活塞及活塞環(huán)，在有節(jié)流閥的沖量安全裝置系統(tǒng)中關(guān)小節(jié)流閥開度，增大進入主安全閥活塞室的進汽量，在條件允許的情況下也可以通過增加沖量安全閥的行程來增加進入主安全閥活塞室內(nèi)的進汽量方法來推動主安全閥動作。

（9）針對主安全閥延遲回座時間過長的故障，其解決方法：一是通過開大節(jié)流閥開度和加大節(jié)流孔徑加以解決。節(jié)流閥的開度開大和節(jié)流孔徑的增大都使留在脈沖管內(nèi)的蒸汽迅速排放掉，從而降低活塞室內(nèi)的壓力，使其作用在活塞上的向下的推力迅速減小，閥芯在集汽聯(lián)箱內(nèi)蒸汽介質(zhì)向上的推力和主安全閥自身彈簧向上的拉力作用下迅速回座。二是認(rèn)真檢查各運動部件，嚴(yán)格按檢修標(biāo)準(zhǔn)對各部件進行檢修，將主安全閥運動部件與固定部件的配合間隙控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，減少主安全閥的運動部件與固定部件之間的摩擦力，消除卡澀的可能性。

（10）針對安全閥回座壓力低的故障，其解決方法：一是將節(jié)流閥關(guān)小，使流出沖量安全閥的介質(zhì)流量減小，以降低動能壓力區(qū)的壓力，從而使沖量安全閥回座。二是認(rèn)真檢查閥芯及導(dǎo)向套各部分尺寸，配合間隙過小時，減小閥瓣密封面直往式閥瓣阻汽帽直徑或增加閥瓣與導(dǎo)向套之間徑向間隙，以增加該部位的通流面積，使蒸汽流經(jīng)時不至于過分節(jié)流而使局部壓力升高，形成很高的動能壓力區(qū)。

（11）選用額定排量盡可能接近鍋爐必需排放量的安全閥，使進口管內(nèi)徑不小于閥門進口通徑，或者減小進口管道的阻力，這些方法都有利于消除安全閥的顫振。

（12）采用開大節(jié)流閥開度的方法亦可消除安全閥頻跳。節(jié)流閥開大后，通往主安全閥活塞室內(nèi)的汽源減少，推動活塞向下運動的力較小，主安全閥動作的機率就較小，從而可避免主安全閥連續(xù)啟動。

3 結(jié)束語

安全閥是鍋爐設(shè)備中的重要附件之一，對鍋爐的安全正常運行具有非常重要的作用。雖然目前電站鍋爐安全閥都是由主、輔閥配套組成的，并采用機械和熱工控制雙重保護，有些故障不易發(fā)生，但只有充分掌握安全閥的常見故障原因和消除方法，在故障發(fā)生時處理起來才能得心應(yīng)手，確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

[1]顧順符,潘秉勤.管道工程安裝手冊 [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1990.

[2]勞動人事部.蒸汽鍋爐安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S].北京:勞動人事出版社,1987.

[3]勞動人事部.壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 [S].北京:勞動人事出版社,1990.

Failure Analysis and Treatment for Boiler Safety Valve

Wang Lijuan

This paper analyzes common failures and causes in the application，such as valve leakage,the combination area of valve leakage,the no-acting of the main safety valve after the action of the pulse safety valve,pulse delay and long return time,the low pressure,frequent fluttering and vibration after safety valve returning,and other common causes of failure,and puts forward solutions to the problems.

Safety valve;Boiler;Failure analysis；Pressure vessel

KT 223

*王麗娟，女，1963年11月生，高級實驗師。衡陽市，421002。

2011-02-22)