制氧機(jī)安全閥在線校驗(yàn)技術(shù)的研究與應(yīng)用

呂國(guó)鋼等

摘 要：為了保障制氧機(jī)組安全閥的工藝性和安全性得到有效、可靠的保證，通過(guò)安全閥在線校驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用，既可以保持機(jī)組連續(xù)運(yùn)行，又可以節(jié)省大量人力、物力，較少校驗(yàn)成本，檢測(cè)得到符合實(shí)際工況條件下的整定壓力值，因此，具有同等條件的制氧機(jī)組的安全閥采用安全閥在線校驗(yàn)技術(shù)是可行和可靠的。

關(guān)鍵詞：制氧機(jī) 安全閥 在線校驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TH134 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（a）-0125-02

本鋼氧氣廠作為本鋼集團(tuán)公司內(nèi)易燃易爆重點(diǎn)?；飞a(chǎn)單位，承壓類特種設(shè)備較多，相應(yīng)的安全閥數(shù)量也多，全廠各類安全閥總計(jì)200余只，其中大部分為空分冷箱系統(tǒng)所用。該廠主力運(yùn)行機(jī)組6、7、8號(hào)制氧機(jī)組為德國(guó)林德公司制造生產(chǎn)，設(shè)備常年運(yùn)行，偶爾停機(jī)，而冷箱系統(tǒng)并不停，但是需要保持正壓，防止?jié)窨諝膺M(jìn)入塔內(nèi)。安全閥校驗(yàn)只能在設(shè)備中修（5年一次）和大修（10年一次）期間進(jìn)行，不符合的安全閥每年至少進(jìn)行一次校驗(yàn)的周期要求。為解決這一問(wèn)題，本鋼特種設(shè)備檢驗(yàn)檢測(cè)站建議采用安全閥在線校驗(yàn)技術(shù)。結(jié)合制氧機(jī)運(yùn)行狀況復(fù)雜，介質(zhì)狀態(tài)不同，運(yùn)行壓力變化大，檢測(cè)部位落差大等特點(diǎn)，由本鋼特檢站編制確實(shí)可行的校驗(yàn)方案。經(jīng)廠方領(lǐng)導(dǎo)及設(shè)備、安全等相關(guān)部門確認(rèn)后，為盡最大程度降低校驗(yàn)工作可能對(duì)設(shè)備運(yùn)行造成影響，安全閥在線校驗(yàn)均安排于機(jī)組臨檢修前，甚至停機(jī)（設(shè)備充氣保護(hù)）時(shí)進(jìn)行。自2012年10月份起陸續(xù)開展安全閥在線校驗(yàn)工作，試驗(yàn)性對(duì)后備系統(tǒng)20只安全閥在工況條件下進(jìn)行在線校驗(yàn)，效果良好。2013年3月～9月安全閥在線校驗(yàn)總數(shù)146只，安全閥在線校驗(yàn)占比為73%。2014年5月—10月安全閥在線校驗(yàn)總數(shù)177只，安全閥在線校驗(yàn)占比為88.5%。2015年5月7、8號(hào)機(jī)校驗(yàn)94只。其余安全閥由于結(jié)構(gòu)形式（閥桿不外露）和安裝位置不適宜（工藝管道與安全閥太近，夾具的框架無(wú)法安裝）安全閥在線校驗(yàn)，因此只能在停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行離線校驗(yàn)。

1 安全閥在線校驗(yàn)應(yīng)用

1.1 安全閥在線校驗(yàn)的概念

所謂安全閥的在線校驗(yàn)就是在使用狀態(tài)下對(duì)安全閥的開啟壓力進(jìn)行檢測(cè)、整定的過(guò)程。

1.2 安全閥在線校驗(yàn)應(yīng)具備的條件

（1）合格、準(zhǔn)確、專業(yè)的校驗(yàn)設(shè)備；（2）配備專職的校驗(yàn)人員；（3）完善的安全閥在線校驗(yàn)作業(yè)規(guī)程；（4）安全閥在線校驗(yàn)所需要的輔助條件。

1.3 安全閥在線校驗(yàn)基本原理

彈簧安全閥的開啟、關(guān)閉動(dòng)作是依靠其進(jìn)口端的介質(zhì)壓力變化和彈簧預(yù)緊力來(lái)使閥芯自動(dòng)開啟及關(guān)閉。當(dāng)介質(zhì)壓力（內(nèi)壓）升高到提升力比彈簧預(yù)緊力大時(shí)，閥芯克服彈簧預(yù)緊力自動(dòng)開啟，泄放多余的介質(zhì)，使內(nèi)壓下降，又由于彈簧力的作用，當(dāng)內(nèi)壓降至安全值時(shí)，閥芯自動(dòng)關(guān)閉，泄放停止。我們先了解下列的符號(hào)：Fd —彈簧預(yù)緊力；P0 —安全閥入口壓力（系統(tǒng)介質(zhì)壓力）；S —介質(zhì)作用在閥瓣上的有效密封面積；f —閥門密封件（閥瓣與閥座）之間的相互壓緊力；Ps —安全閥的開啟壓力；Δ F —作用于安全閥閥瓣一個(gè)向上的附加提升力。為簡(jiǎn)化起見，我們來(lái)考察一個(gè)處于關(guān)閉狀態(tài)且正常運(yùn)行的安全閥的受力狀況（圖1a）。

向下作用于閥瓣的彈簧預(yù)緊力Fd，一部分用來(lái)抵抗介質(zhì)作用力P0·S，另一部分產(chǎn)生閥門密封件之間的相互壓緊力f，該力足以保持安全閥呈密封狀態(tài)。隨著介質(zhì)壓力的提高，密封件間的相互壓緊力亦隨之減少，當(dāng)介質(zhì)壓力達(dá)到開啟壓力Ps時(shí)，相互壓緊力f等于零，安全閥開啟（圖1b）。

此時(shí)滿足：Fd = Ps · S （1），這個(gè)開啟狀況也就是安全閥離線校驗(yàn)的原理。

如果從外部作用給安全閥閥瓣一個(gè)向上的附加拉力ΔF（該文所指的在線調(diào)校技術(shù)是在安全閥入口帶壓情況下，借助外加力將安全閥開啟，以便測(cè)量其開啟壓力），則除抵抗介質(zhì)作用力與密封件間產(chǎn)生的相互壓緊力外，彈簧預(yù)緊力還需克服該附加拉力（圖1c）。

隨著附加拉力的增加，密封件間的相互壓緊力將逐漸減小。當(dāng)壓緊力f等于零時(shí)，安全閥密封完全喪失而達(dá)到開啟狀態(tài)，此時(shí)介質(zhì)作用力與附加力之和剛好克服彈簧預(yù)緊力（圖1d）。

安全閥開啟，此時(shí)滿足：Fd=P0·S +ΔF （2）

顯然在（1）（2）公式中，作用在閥瓣上的彈簧預(yù)緊力Fd=常數(shù)，則可以得出：Ps·S = P0·S +ΔF，等式兩邊同時(shí)除以S，就得到安全閥在線校驗(yàn)的基本公式：Ps = P0 +。安全閥在線調(diào)校技術(shù)就是根據(jù)這個(gè)公式實(shí)現(xiàn)的。

1.3.1附加拉力的確定

在線校驗(yàn)技術(shù)核心問(wèn)題是如何施加外力，如何測(cè)量和記錄外力，以及如何判別安全閥呈開啟狀態(tài)。不同的調(diào)校裝置在解決這些問(wèn)題時(shí)采用不同的辦法。作用在閥瓣上的外加力是通過(guò)延伸到閥外的閥桿施加的，這就保證了在線測(cè)量時(shí)裝置完全不接觸介質(zhì)，不受介質(zhì)壓力、溫度影響。施加外力的方式采用油壓千斤頂（油缸）。外加力測(cè)量一般為電阻應(yīng)變片式拉壓力傳感器，配以各種二次計(jì)量?jī)x器，如快速電子記錄器、單片機(jī)系統(tǒng)、微機(jī)等來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

1.3.2有效密封直徑的測(cè)量

現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)時(shí)閥體不能拆解， 閥門密封直徑數(shù)據(jù)無(wú)法進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。通常采用兩種方法。

⑴憑經(jīng)驗(yàn)曲線查找。現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)的安全閥為德國(guó)CROSBY閥，通常銘牌標(biāo)注喉徑，在前期準(zhǔn)備工作中對(duì)該品牌的多種規(guī)格備用閥或報(bào)廢閥通過(guò)解體測(cè)量密封直徑，建立密封直徑與喉徑關(guān)系曲線。因此，可以利用插入法在曲線上查找相應(yīng)喉徑的密封直徑。

⑵壓差法。利用壓差法確定有效密封直徑，即通過(guò)改變系統(tǒng)工作壓力，計(jì)算安全閥的整定壓力有效密封直徑。壓差法基本原理如下。

通過(guò)Ps = P0 +ΔF/S公式可發(fā)現(xiàn)，P0、S一般是已知的，ΔF可以通過(guò)安全閥在線調(diào)校儀測(cè)出，這時(shí)就可以計(jì)算出Ps。假設(shè)我們把S看作未知數(shù)，設(shè)：X=1/S，則Ps = P0 +ΔF/S可變?yōu)椋?

Ps-P0-ΔF·X=0，式中Ps、X為未知數(shù)，P0、ΔF為系數(shù)。為了計(jì)算出Ps、X，分別在工作壓力為P01、 P02時(shí)在線開啟安全閥，這時(shí)外加提升力分別是ΔF1、ΔF2，此時(shí)ΔF1、ΔF2 單位是千克，要轉(zhuǎn)換成牛（1Kg=9.8N）。

把以上系數(shù)代入Ps-P0-ΔF·X=0得方程組為：Ps-P01-ΔF1·X=0；Ps-P02-ΔF2·X=0

這時(shí)，如果

則可解方程得：X= （P02-P01）/（ΔF1-ΔF2）； Ps=（ΔF1· P02-ΔF2· P01）/（ΔF1-ΔF2）；S=（ΔF1-ΔF2）/（P02-P01）； 再由S=πd2/4得出：d= √4S/π.

這樣，就可以計(jì)算出安全閥的有效密封直徑，這種方法適用于系統(tǒng)壓力可變，尤其是系統(tǒng)開車過(guò)程中壓力逐漸上升時(shí)，具體實(shí)施時(shí)可讀現(xiàn)場(chǎng)壓力表。

安全閥在線調(diào)校中有效密封直徑的推算法，可避免要預(yù)知有效密封直徑，解決了無(wú)有效密封直徑不能在線校驗(yàn)安全閥的實(shí)際問(wèn)題，提高了在線調(diào)效的工作效率。

1.3.3 判開準(zhǔn)則

安全閥在線調(diào)校裝置的判開準(zhǔn)則是指在施加連續(xù)外力的過(guò)程中，判別閥瓣已達(dá)到開啟狀態(tài)的事實(shí)依據(jù)。安全閥開啟壓力的科學(xué)定義為“安全閥閥瓣在運(yùn)行條件下開始升起時(shí)的進(jìn)口壓力，在該壓力下，開始有可測(cè)量的開啟高度，介質(zhì)可呈現(xiàn)由視覺(jué)或聽覺(jué)感知的連續(xù)排放狀態(tài)”。實(shí)踐表明，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用，最常用的方法是用聽覺(jué)感知安全閥的開啟，即以開始聽到介質(zhì)的連續(xù)排放聲為判開準(zhǔn)則。

校驗(yàn)裝置采用音頻和位移（觸點(diǎn)）兩種方法，分別代表開啟壓力術(shù)語(yǔ)中聽覺(jué)、視覺(jué)兩種判開依據(jù)，通過(guò)這兩種方法都可以完成對(duì)安全閥開啟壓力的測(cè)量。

2 安全閥在線校驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

（1）在線校驗(yàn)免去安全閥拆、裝和運(yùn)輸環(huán)節(jié)，也可以避免安全閥回裝過(guò)程中接口發(fā)生泄漏的情況，提高可靠性提高。經(jīng)過(guò)多方詢問(wèn)和嘗試，該廠已經(jīng)建立起來(lái)安全閥在線校驗(yàn)的收單；

（2）對(duì)于氧氣介質(zhì)，在線校驗(yàn)可以免去安全閥校驗(yàn)后的脫脂去油工作，安全性提高；

（3）在線校驗(yàn)可在設(shè)備不停機(jī)狀態(tài)下運(yùn)行，不占用生產(chǎn)時(shí)間，能夠化解生產(chǎn)與檢驗(yàn)二者時(shí)間上的矛盾，避免了因停機(jī)造成的不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

（4） 雖然在費(fèi)用方面在線校驗(yàn)比離線校驗(yàn)稍高，但考慮包含人工費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)、機(jī)械費(fèi)用和停工損失等，則比在線校驗(yàn)費(fèi)用明顯偏低，且閥門越大性價(jià)比越高，如8號(hào)機(jī)粗氬塔安全閥，口徑DN300，在線校驗(yàn)費(fèi)用為6190元，如果按離線校驗(yàn)進(jìn)行，需要用300噸吊車，臺(tái)班費(fèi)加人工費(fèi)用不少于4萬(wàn)元。綜合起來(lái)看在線校驗(yàn)可以減少校驗(yàn)的間接成本。

（5）不受背壓影響，檢測(cè)出實(shí)際工況條件下安全閥整定壓力值。

3 結(jié)語(yǔ)

制氧機(jī)的工藝介質(zhì)多樣如氧氣、液氧、氮?dú)狻⒁旱翱諝獾染菨崈舻?，而且制氧機(jī)具有適宜的檢測(cè)平臺(tái)，閥門結(jié)構(gòu)合理，這些是安全閥能否進(jìn)行在線校驗(yàn)的必要條件。反之，該廠3、4號(hào)機(jī)沒(méi)有適宜的檢測(cè)平臺(tái)，5號(hào)機(jī)閥桿不外露，因而無(wú)法實(shí)現(xiàn)安全閥在線校驗(yàn)。通過(guò)近三年來(lái)對(duì)本鋼氧氣廠6、7、8號(hào)制氧機(jī)安全閥在線校驗(yàn)，結(jié)合歷次檢測(cè)結(jié)果的對(duì)比，同一位號(hào)的安全閥幾次的檢測(cè)結(jié)果相差不大，均在誤差許可的3%范圍內(nèi)，在使用周期內(nèi)沒(méi)有發(fā)生突跳、泄漏等異常情況，檢測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)可靠；安全閥的在線校驗(yàn)在保證安全的前提下為企業(yè)節(jié)省了大量的人力和物力，關(guān)鍵是減少了因設(shè)備停機(jī)所造成的經(jīng)濟(jì)損失。因此，我們認(rèn)為安全閥在線校驗(yàn)技術(shù)對(duì)制氧機(jī)安全閥的應(yīng)用是可行和可靠的。

參考文獻(xiàn)

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