預防在線校驗中安全閥突發(fā)頻跳和顫振的措施與方法

摘 要：安全閥突發(fā)頻跳和顫振的異常現(xiàn)象都是在安全閥開啟時發(fā)生，特別是生產過程中設備超壓或在線校驗過程中安全閥開啟時引發(fā)的頻跳和顫振，它直接威脅到設備安全和現(xiàn)場檢驗人員的人身安全。當前采用輔助開啟裝置（即安全閥在線校驗儀）進行校驗的方式越來越得到普及與應用，為避免和克服頻跳和顫振事故發(fā)生在在線校驗的過程中，本文做了如下的分析，并采取了相應的防范措施與方法。

關鍵詞：頻跳；顫振；卡阻

安全閥作為承壓裝置超壓保護的一個關鍵附件，一直以來被廣泛應用于核電站、垃圾焚燒發(fā)電站、大型石化行業(yè)及鍋爐、壓力容器、壓力管道等承壓設備及蒸汽系統(tǒng)中，為保證設備系統(tǒng)上的安全閥能處于安全準確有效的運行狀態(tài)顯得特別重要，在大型或超大型設備上運行的安全閥為保證每年至少能得到一次有效的校驗整定，在線校驗儀的應用得到了越來越廣泛的推廣。

安全閥是一種自動開啟關閉的閥門，一旦承壓裝置內部的壓力超過限定值時安全閥開啟泄放，為承壓裝置起到超壓保護的作用，一旦壓力恢復正常安全閥能自動關閉起到密封的作用，安全閥的工作狀態(tài)好壞直接影響到所保護的承壓裝置的安全。

因此，安全閥在性能上必須達到“準確開啟、適時全開、穩(wěn)定排放、及時關閉、可靠密封”的基本要求。針對承壓裝置上的安全閥的定期檢驗要求，必須按《安全閥安全閥技術監(jiān)察規(guī)程》中的規(guī)定執(zhí)行，檢驗周期每年至少一次。[ 1-5 ]

1 安全閥在線檢驗檢測方式

安全閥在線校驗是指閥門不需要從承壓裝置上拆卸下來，在實際運行狀態(tài)下對其進行的檢驗。

當前普遍采用的在線檢驗檢測方式有三種：

1.1 采用被保護系統(tǒng)內介質及其壓力進行試驗

該方式為升壓實跳方式，利用裝置內系統(tǒng)介質本身的壓力，升高至安全閥開啟狀態(tài)進行校驗，實跳方式具有一定的風險性，在這種情況下承壓裝置會面臨超壓風險，一旦發(fā)生頻跳或顫振直接威脅到承壓裝置和現(xiàn)場校驗人員的人身安全。

1.2 采用其他壓力源進行試驗

該方式要求現(xiàn)場被測安全閥必須具備進口端預留校驗管口，安全閥入口端配備有截止閥，采取隔絕手段來完成校驗。要求具備的條件多。如預先無預留接入口，改造需要花費一定的時間和成本，但校驗中發(fā)生頻跳或顫振現(xiàn)象比較容易處理。

1.3 采用輔助開啟裝置進行試驗

該方式利用輔助開啟裝置進行校驗，需要使用專業(yè)機電設備，對運行安全閥的彈簧進行提升操作，記錄相應數(shù)據(jù)，依靠工業(yè)用平板電腦計算出安全閥的開啟壓力值，達到校驗目標，一旦發(fā)生頻跳或顫振，其危害同在線實跳相當。

2 安全閥工作狀態(tài)下的動作原理

在線校驗技術的應用帶來校驗過程便捷的同時，也難于避免安全閥可能會在在校驗過程中突發(fā)頻跳和顫振事故，如因在線校驗過程中發(fā)生頻跳和顫振，將直接影響到承壓裝置的正常運行，嚴重的可能引發(fā)設備故障，導致機毀人亡等嚴重事故。我們經歷了長期的安全閥在線校驗工作，對安全閥在線校驗過程中突發(fā)性的頻跳、顫振事件進行了潛心的研究。

為了更好地解釋安全閥在在線校驗中發(fā)生頻跳或顫振現(xiàn)象，我們從安全閥的動作原理進行分析：

1）安全閥是一種自動閥門，當安全閥入口介質壓力超過工作壓力時會自動開啟，當壓力回到工作壓力或略低于工作壓力時，又自動關閉。由于多數(shù)工況條件下普遍采用的是彈簧直接載荷式安全閥，現(xiàn)以全啟式彈簧式安全閥的啟閉件閥瓣的受力情況作為分析對象進行說明。

2）當安全閥的整定壓力大于被保護系統(tǒng)的工作壓力，閥門處于關閉狀態(tài)，如圖1（a）所示。

此時建立如下的平衡關系式：

注：

P1為閥瓣上彈簧的作用力N；

P重為閥瓣上構件自身的重力N；

p為安全閥入口處的表壓力MPa；

S為與介質相接觸的閥瓣內表面面積m2；

Pm為密封面上所產生的密封比壓力N。

作用在閥瓣上的力有彈簧預緊力P1，彈簧、彈簧座、反沖盤、閥桿等零件重力P重（因與介質工作壓力相比較小，故可忽略，只有當開啟壓力很小時，才考慮）方向向下，介質的作用力p·S方向向上；閥座對閥瓣的托力（壓緊力）Pm，這個壓緊力在密封面上產生密封比壓力，保證了安全閥關閉件間有了必需的密封性。

3）當系統(tǒng)中的壓力p不斷升高時Pm在不斷減?。醋柚剐孤┑拿芊饽芰υ阶冊讲睿?，但此時閥瓣沒有離開閥座沒有產生位移，彈簧的作用力未發(fā)生變化，升高的壓力仍能保持閥瓣上下受的平衡力未被破壞（合力不為零）。

此時閥瓣在入口介質壓力的作用下，有向上作功的趨向，使得關閉件密封面上的密封比壓力隨之減少； 隨著介質壓力的進一步升高Pm=0（此時P1=p·S），安全閥達到開啟狀態(tài)，如圖1（b）所示。

4）此時一旦閥瓣稍微離開閥座，介質開始排出并匯集在反沖盤的壓力聚集室下，如圖2所示。當介質壓力p積聚到某一瞬間，利用作用在反沖盤式閥瓣擴大了的面積上的靜壓力以及流束的反沖作用力，安全閥便急速地打開到閥瓣的全開啟高度，如圖3所示，整個過程在瞬間完成。

5）當介質壓力p降低到小于彈簧的作用力P1時，閥瓣會在彈簧力的作用下迅速地回落到關閉位置，使關閉件間又產生了密封比壓力，阻止了介質從密封面間流出，安全閥又處在了新的密封關閉狀態(tài)，系統(tǒng)壓力又回到了正常工作狀況，如圖1（a）所示。

3 采用輔助開啟裝置進行安全閥在線校驗的基本原理

如果在安全閥處在正常運行的關閉狀態(tài)，從外部給安全閥閥桿施加一個向上的附加拉力ΔF，則彈簧預緊力P1除抵御介質作用力p，以及閥門密封面間產生的相互壓緊力Pm外，還會被附加拉力ΔF抵消，如圖4（a）所示。

隨著附加拉力ΔF的增大，密封面間的相互壓緊力Pm將逐漸減小。當附加拉力ΔF增大到一定值時，相互壓緊力Pm=0，此時安全閥完全達到被開啟的狀態(tài)，介質作用力p·S與附加力ΔF之和剛好抵消了彈簧預緊力P1，圖4（b）。

此時閥瓣尚未產生位移，彈簧壓縮比還未改變，作用在閥瓣上的彈簧預緊力P1還是保持不變，由公式（1）、（2）可以得出：

公式（3）兩邊同時除以S，得到安全閥在線定壓的基本公式：

注：ps為安全閥在線整定的壓力值。

安全閥在線校驗技術就是根據(jù)公式（4）實現(xiàn)的[ 6 ] 。

4 在線校驗中安全閥可能發(fā)生頻跳或顫振，其原因分析如下

安全閥頻跳是指安全閥閥瓣快速異常地來回運動，運動中閥瓣接觸閥座；安全閥顫振是指安全閥閥瓣快速異常地來回運動，運動中閥瓣不接觸閥座。

并不是每次進行安全閥在線校驗都會發(fā)生頻跳或顫振現(xiàn)象，但設備運行中由于所處的環(huán)境或同時遭受周邊諸多因素的影響，實施安全閥在線實跳時偶然性發(fā)生頻跳或顫振現(xiàn)象還是存在的，而采用輔助開啟裝置進行安全閥在線校驗同樣也有可能偶然性發(fā)生頻跳或顫振，這是安全閥調校過程中所不允許出現(xiàn)的，因此我們對在線校驗時偶然發(fā)生頻跳和顫振的原因進行了深入的分析和研究，與同行共勉，而采用其他壓力源進行在線試驗偶發(fā)頻跳和顫振容易處理在這不作討論。

1）被保護系統(tǒng)壓力不穩(wěn)定造成在線校驗過程中發(fā)生頻跳和顫振，從圖5可以看出，當安全閥開啟或閥桿被輔助開啟裝置拉起時，因設備內部介質本身存在著壓力迫使介質從閥瓣與閥座的縫隙間沖出，聚集在壓力聚集室形成向上托舉反沖盤的力，當介質壓力快速往外泄放時，一旦系統(tǒng)的壓力不穩(wěn)定，反沖盤托舉作用減少或消失，反沖盤和閥瓣在彈簧力的作用下快速跌落，安全閥關閉，此時安全閥入口處介質的壓力再次聚集上升，又一次頂開閥瓣，介質快速往外泄放，如果系統(tǒng)壓力還是激烈波動且出現(xiàn)周而復始狀態(tài)，將造成閥瓣頻繁的開閉，引起頻跳和顫振的發(fā)生。

2）長期使用的安全閥排放口或連接管積液、積垢或被堵，安全閥排放管口橫截面積將會減小，安全閥開啟時排放可能就不會順暢，會造成頻跳和顫振發(fā)生：安全閥排放管口的最低位置常設置有旁路接管，用于排放積液。如果平時疏于管理，用于排放積液的管路被堵造成排放管道阻力過大，介質排放時有過大的背壓，排放出的介質還回并在壓力聚集室聚集，反沖盤沒能起到反沖作用，托舉效果消失，反沖盤和閥瓣在彈簧力的作用下快速跌落，安全閥關閉。其過程同上面論述的一樣，將引發(fā)頻跳和顫振的發(fā)生。

另一方面，排放口通徑變小，超壓介質無法及時排放而被反彈回來，可能造成水擊現(xiàn)象，嚴重的可能引起安全閥閥體或接管爆裂，直接影響到設備安全和人身安全。

3）閥桿變形，圖5①中可以看出，彈簧作用力P1是靠閥桿傳遞到反沖盤和閥瓣上，一旦閥桿變形，垂直向下的彈簧作用力P1將產生一個側向分力，導向套與反沖盤之間的活動間隙、反沖盤與閥瓣之間的活動間隙都有可能因側向分力的作用產生卡阻現(xiàn)象，彈簧作用力無法垂直傳遞到閥瓣上，造成閥瓣和閥座密封面接觸不均勻，密封面排放出來的介質將會跑偏，造成安全閥開啟時介質排放不穩(wěn)定而引起頻跳和顫振的發(fā)生。

4）由圖5③中可以看出，如敞開式結構的安全閥一方面有利于彈簧等構件的散熱，但彈簧暴露在外，長期接觸并受到高溫、高腐蝕性介質的影響，引起腐蝕變形，原本彈簧的剛度發(fā)生變化，因腐蝕彈簧線徑粗細不均，當安全閥開啟或被輔助開啟裝置拉起時，隨著彈簧位移的變化，彈簧的作用力并沒有按“胡克定律”的線性規(guī)律變化，反沖盤和閥瓣在不穩(wěn)定的彈簧力的作用，在附加拉力ΔF拉起的過程中造成了閥瓣與閥座之間產生頻跳和顫振。

5）由圖5④中可以看出，敞開式安全閥除彈簧暴露在外，導向套與反沖盤之間的活動間隙、反沖盤與閥瓣之間的活動間隙都會因落灰、積垢影響到閥瓣、反沖盤在導向套內的上下活動，動作不暢會出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，彈簧作用力因卡阻無法及時傳遞到閥瓣上，反沖盤和閥瓣在不穩(wěn)定的彈簧力的作用，造成頻跳和顫振的發(fā)生。

6）從（圖5）我們清楚地看到，彈簧的預緊力是靠被壓縮的彈簧把力傳遞到閥桿使之下壓，把力傳遞到閥瓣密封面上使閥瓣與閥座形成密封比壓最后起到密封的作用。

但是有過在線校驗經驗的人士都非常清楚，在線助跳技術是通過向上提拉閥桿，此時的閥瓣是在介質內壓力的作用下被被動頂起的，假如閥瓣卡阻或銹死在導向套內，而校驗前未能有效發(fā)現(xiàn)，此時的閥桿雖然被強制提拉上來，但閥瓣可能沒有緊跟閥桿被頂起，這將造成安全閥開啟的假象，這時雖然安全閥閥瓣有微啟并泄放出少量的介質，但這種微啟特征并不明顯，終將導致儀器的誤讀、誤判，更別說在吵雜環(huán)境下依賴聲音判別法來捕捉開啟瞬間的準確性了，這種事情的發(fā)生也是現(xiàn)場校驗非常擔心的事情，給整定值帶來很多不確定的因素。

如果校驗員無法及時捕捉到開啟的瞬間，可能繼續(xù)施力向上提拉閥桿，在此情況下閥桿有可能被過度拉起，微啟泄放出的少量介質聚集在聚集室，但無法使反沖盤正常托舉引起閥門頻繁開閉，造成頻跳和顫振的發(fā)生。

5 預防在線校驗中安全閥突發(fā)頻跳和顫振的措施與方法

從上面分析的情況可以看出，安全閥實施在線校驗出現(xiàn)偶發(fā)性的頻跳和顫振不僅對系統(tǒng)設備危害極大，同時危及到現(xiàn)場校驗人員的人身安全，因此對安全閥實施在線校驗工作之前，應該制定一套行之有效的校驗方案和緊急事故應急處理措施，從實施校驗的技術手段入手卻應該做到如下幾點要求：

（1）確?，F(xiàn)場監(jiān)護、帶好通信設備與壓力中控室保持通信暢通，隨時監(jiān)控確保校驗過程中系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，除了應制定一套完整的校驗方案和緊急事故應急議案外，被檢用戶還必須派專業(yè)技術人員全程監(jiān)護協(xié)助安全閥在線校驗工作的進行，特別是熱電聯(lián)產發(fā)電系統(tǒng)，一方面要確保汽輪機組的正常運行，還必須保證周邊熱力用戶的連續(xù)化生產要求。因此，確保系統(tǒng)壓力穩(wěn)定是避免安全閥在線校驗突發(fā)頻跳和顫振事故發(fā)生最基本的前提條件。

（2）進行在線校驗前應了解掌握被檢單位對安全閥的日常維護和巡回檢查工作記錄是否存在問題，問題是否得到及時的解決，特別是長期使用的安全閥排放口或連接管積液、積垢或被堵現(xiàn)象經常都有存在，校驗前都要得到徹底解決，檢查時可在系統(tǒng)壓力低于工作壓力的70%以下進行檢查性的手動排放試驗，查明安全閥的動作是否靈活可靠，排放管口是否固定牢固，介質排放是否順暢，積液連接管是否暢通，在確保安全無誤的情況下展開下一步工作。

（3）校驗前對安全閥的宏觀檢查工作必不可少，安全閥進行宏觀檢查時應認真查找安全閥閥體是否存在裂紋或嚴重腐蝕缺陷，接管聯(lián)接、焊接、固定是否牢固，避免安全閥開啟排放時引起強烈振動引發(fā)不可預測的事故。對敞開式安全閥可從開口處觀察彈簧、閥桿是否遭受嚴重腐蝕或生銹，是否存在有彎曲變形現(xiàn)象，觀察口內是否有異物存在，會否影響校驗結果。同時還可以從開口處觀察彈簧座是否落灰嚴重，會否影響在線校驗，也可用壓縮空氣進行吹掃，清除閥桿與彈簧座、反沖盤與導向套間隙間的雜物，消除活動間隙間的卡阻，避免存在校驗時安全閥動作的不靈活，事先做好一切準備工作，才能盡量大可能避免校驗中引發(fā)頻跳和顫振事故的發(fā)生。

（4）除在線實跳外，借助在線輔助開啟裝置的在線校驗方式對輔助開啟裝置的依賴性特別強，要求精準度特別高，這就要求我們對在線校驗儀的選擇、維護及精準度提出更高的要求，校驗前應該對在線儀器進行檢查比對（同在冷態(tài)條件下，與離線校驗結果進行比對）以確保其精準有效。在線輔助開啟裝置的工作原理中可以清楚地知道，在吵雜環(huán)境下如果校驗員無法及時捕捉到開啟的瞬間，可能繼續(xù)施力向上提拉，閥桿有被過度拉起的可能，為頻跳和顫振的發(fā)生提供了空間和條件。因此現(xiàn)場校驗人員平時應苦練內功提升自身校驗技術水平，這是任何儀器設備都無法替代的技能。

（5）一旦發(fā)生頻跳和顫振，現(xiàn)場人員應該沉著應對采取相應措施，及時消除引發(fā)頻跳和顫振原因或故障，參照（（1）～（4））分析的問題一一排查。當發(fā)生頻跳和顫振，閥瓣在導向套內來回高速頻繁上下運動，嚴重時閥瓣沖擊閥座，閥瓣或閥座密封面上的硬質合金層有可能被打裂或打碎，造成密封面密封失效，這是校驗工作所不允許發(fā)生的事情；且閥瓣在導向套內高頻上下運動，閥門進出口介質可能引發(fā)強烈振動或水擊現(xiàn)場，嚴重時引起安全閥殼體或聯(lián)接管管道暴裂造成嚴重事故。在線校驗中一旦出現(xiàn)有頻跳和顫振的苗頭，應暫停校驗工作，及時采取降壓或穩(wěn)定壓力的措施，待系統(tǒng)穩(wěn)定下來后再行校驗；如頻跳和顫振未能消除，應暫時停止或退出現(xiàn)場校驗工作，待系統(tǒng)設備檢修期間拆解安全閥進行認真檢查或送離線校驗。但目前很多高參數(shù)電站用安全閥都是采用焊接式聯(lián)接，安全閥的故障排除可待設備檢修時對安全閥進行在線拆解、維修、研磨，合格后再行現(xiàn)場校驗。

6 總結

其實造成頻跳和顫振的因素很多，有時是多種因素疊加影響，但這對我們在線校驗工作影響很大，給現(xiàn)場校驗帶來了很大的風險，如何克服和避免頻跳和顫振事故的發(fā)生，是我們安全閥在線校驗工作者應認真對待和努力研究的方向。本文提出的觀點、措施與方法希望能與同業(yè)人員學習、探討與共勉。

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[6] 張傳虎，劉琨，侯君達.電站鍋爐安全閥校驗新技術[J].中國電力，2001（5）：73-75.

作者簡介：

鄭志雄（1963-），男，高級工程師，（鍋、容、管）檢驗師，長期從事鍋爐、壓力容器檢驗及安全閥校驗工作。