背壓對液氨制冷系統(tǒng)用安全閥技術(shù)性能指標(biāo)影響的討論

趙昆玉 孫 琦 謝青延

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗研究院 深圳 518109）

背壓對液氨制冷系統(tǒng)用安全閥技術(shù)性能指標(biāo)影響的討論

趙昆玉 孫 琦 謝青延

（深圳市特種設(shè)備安全檢驗研究院 深圳 518109）

目前，國內(nèi)安全閥型式試驗裝置無帶背壓型式試驗系統(tǒng)，針對有背壓的封閉式安全閥仍采用不帶背壓型式試驗裝置（排放為大氣壓）進(jìn)行型式試驗；在日常校驗中，氨制冷用安全閥校驗環(huán)境是大氣環(huán)境下校驗，使用環(huán)境為帶背壓排放環(huán)境。這樣，由于使用與校驗環(huán)境條件的不同造成整定壓力等技術(shù)參數(shù)的偏差。以上兩個原因造成在設(shè)計、制造、型式試驗以及以后的使用監(jiān)管環(huán)節(jié)都存在安全閥使用的風(fēng)險，本文就可能存在的風(fēng)險進(jìn)行研究分析。

安全閥型式試驗裝置 背壓排放環(huán)境 整定壓力 液氨制冷

1 研究目的

2013年6月3日，位于吉林省長春市德惠市的吉林寶源豐禽業(yè)有限公司主廠房發(fā)生特別重大火宅爆炸事故，共造成121人死亡、76人受傷，17234m2廠房及主廠房內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備被損毀，直接經(jīng)濟(jì)損失1.82億元。事故發(fā)生的原因是：主廠房車間更衣室和毗連的配電室的上部電氣線路短路，引燃周圍可燃物。燃燒產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致氨設(shè)備和氨管道發(fā)生物理爆炸，致使該區(qū)域上方屋頂卷開，大量氨氣泄漏，介入了燃燒，火勢蔓延至主廠房的其余區(qū)域。

2013年8月31日，位于上海市豐翔路1258號的上海翁牌冷藏實業(yè)有限公司發(fā)生液氨泄漏事故，造成15人死亡，25人受傷。據(jù)調(diào)查，有關(guān)部門已初步認(rèn)定“8·31”重大事故直接原因，操作人員在進(jìn)行熱氨融霜時違章操作，引發(fā)液錘現(xiàn)象，壓力瞬間升高，致使存有嚴(yán)重焊接缺陷的壓縮機(jī)回氣集管封頭脫落，造成氨泄漏。

這兩起事故雖然與安全閥沒有直接聯(lián)系，但是，由于氨制冷系統(tǒng)用安全閥的特殊性（特殊性是使用介質(zhì)為易燃易爆有毒有害介質(zhì)，其使用的是封閉帶排放背壓的安全閥），需要引起大家重視。

氨制冷系統(tǒng)使用封閉帶排放背壓安全閥的存在的風(fēng)險主要由以下兩方面造成：

1）由于目前國內(nèi)安全閥型式試驗裝置無帶背壓型式試驗系統(tǒng)，針對有背壓的封閉式安全閥仍采用不帶背壓型式試驗裝置（排放為大氣壓）進(jìn)行帶背壓的型式試驗；

2）在日常校驗中，同樣不可能在一個背壓的校驗系統(tǒng)中進(jìn)行校驗，校驗環(huán)境同樣是大氣環(huán)境下校驗。這樣，由于使用與校驗環(huán)境條件的不同，也會造成整定壓力等技術(shù)參數(shù)的偏差。

以上兩個原因造成在設(shè)計、制造、型式試驗取證以及以后的使用監(jiān)管環(huán)節(jié)都存在安全閥使用的風(fēng)險。

廣東是氨制冷壓力容器的使用大戶，以深圳為例，共有大型氨制冷系統(tǒng)60余套(每套使用的安全閥大小共20余只)，考慮到其他小型氨制冷系統(tǒng)，僅深圳市就會有近3000個潛在風(fēng)險因素。如何消除這些危險因素，就是筆者項目研究之旨。

安全閥雖小，意義重大。為防止類似于“吉林寶源豐”及“上海液氨泄漏”事故的再次發(fā)生，全國各級、各地政府高度重視。2016年，深圳市人民政府把氨制冷行業(yè)的安全生產(chǎn)作為“深圳市2016年16個專項整治行動”。由此可見，氨制冷系統(tǒng)用安全閥在安全生產(chǎn)中的重要性不言而喻。

2 研究方法

2.1 研究基礎(chǔ)

深圳市特種設(shè)備安全檢驗研究院是國內(nèi)三家安全閥型式試驗單位之一，作為國內(nèi)唯一一家既是安全閥型式試驗單位，也是鍋爐、壓力容器、壓力管道用安全閥校驗的法定檢驗機(jī)構(gòu)，對安全閥設(shè)計、制造、檢驗及使用過程的全過程都參與了監(jiān)管。

針對氨制冷用安全閥，筆者關(guān)注多年。經(jīng)過多年的工作實踐，從型式試驗及日常使用監(jiān)管的角度出發(fā)，其對我國氨制冷用安全閥安全使用存在的風(fēng)險有不同角度的看法。

為切實做好風(fēng)險分析，筆者在2013年申請了國家質(zhì)檢總局科技計劃項目《帶附加背壓力安全閥（蒸汽、氣體）型式試驗裝置的開發(fā)研究》2014QK038，該科研項目是解決帶附加背壓力安全閥型式試驗裝置的開發(fā)研究，該平臺已完成的安全閥帶背壓型式試驗有：氨制冷用彈簧直接載荷式安全閥、波紋管安全閥及先導(dǎo)式安全閥。通過平臺的建設(shè)，使氨制冷用彈簧直接載荷式安全閥打破常規(guī)，直接采用帶背壓型式試驗裝置進(jìn)行帶背壓的型式試驗，提供了一個全新的技術(shù)研究平臺。

筆者應(yīng)用此平臺進(jìn)行氨制冷用彈簧直接載荷式安全閥的研究，具體研究方法如下：

1）通過氨制冷用彈簧直接載荷式安全閥在排放環(huán)境為大氣環(huán)境和背壓環(huán)境中動作性能和排放性能不同技術(shù)測試指標(biāo)的比對，探究其原理、本質(zhì)；

2）通過氨制冷用彈簧直接載荷式安全閥在背壓環(huán)境中（模擬真實的排放工作環(huán)境）動作性能和排放性能不同技術(shù)測試指標(biāo)的比對，探究其原理、本質(zhì)；

2.2 氨制冷安全閥在背壓環(huán)境中的工作原理及影響因素

安全閥排放側(cè)的壓力稱為背壓力，背壓力根據(jù)產(chǎn)生的原因和機(jī)理不同分為排放背壓力和附加背壓力，具體為：

1）排放背壓力：指介質(zhì)通過安全閥流入排放系統(tǒng)時在閥門出口處形成的壓力。或安全閥排放時，因排放側(cè)阻力在安全閥出口形成的壓力。

2）附加背壓力：指裝置運(yùn)行時在安全閥出口處存在的靜壓力。它是由其他壓力源在排放系統(tǒng)中引起。

目前，針對安全閥排放側(cè)排向大氣的形式，只要安全閥排放管的安裝符合國家安全技術(shù)規(guī)范的要求，排放背壓力形成的壓力較小，不足以引起影響安全閥的性能。因此，本文研究重點關(guān)注類似于氨制冷裝置安全閥運(yùn)行過程中產(chǎn)生附加背壓力的影響。

針對彈簧直接載荷式安全閥在文獻(xiàn)《克服變動背壓對安全閥動作性能影響的新途徑》[1]中有總結(jié)：

1）常規(guī)彈簧直接載荷式安全閥口徑越大或背壓越高對閥門動作性能影響越大。隨著背壓的增加，閥門的整定壓力提高。所以，常規(guī)彈簧直接載荷式安全閥不能用在背壓超過10%整定壓力的場合。

這里可以看出，類似于液氨制冷用安全閥一般都為彈簧直接載荷式安全閥，其排放環(huán)境為帶背壓排放環(huán)境。在對類似于液氨制冷用安全閥日常校驗時，采用的是背壓為大氣環(huán)境進(jìn)行校驗，但在使用時，確安裝在排放背壓環(huán)境中。這樣，在實際使用環(huán)節(jié)，安全閥的實際整定壓力提高了，可能會造成安全閥的整定壓力大于壓力容器的設(shè)計壓力，相關(guān)壓力容器的安全運(yùn)行就得不到保證，其危害可想而知。

2）由于閥瓣上方承受背壓的面積較大，因此，背壓對閥瓣上方的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于對閥瓣下方的影響，這樣，隨著背壓的上升閥門的回座壓力也會上升。

這里可以看出，類似于液氨制冷用安全閥在使用過程中，由于回座壓力的上升，可能會出現(xiàn)安全閥頻跳等不安全因素。

3）在文獻(xiàn)《背壓對安全閥性能的影響》[2]中，在安全閥開啟后，由于排放壓力大于背壓力，背壓力對閥瓣底部的影響與未開啟時一樣，這樣，隨著背壓的上升閥門的排放壓力也會上升，相對于開高就會降低，同樣，排放量會降低。

這樣，由于排放壓力的升高，相對于原有工作壓力下，其開高降低，排放量相應(yīng)減少。這樣，會造成因排量不足設(shè)備超壓甚至爆炸。

究其原因，造成安全閥在排放背壓環(huán)境其整定壓力、回座壓力及排放壓力提高的根本原因是由于安全閥在未開啟狀態(tài)下，閥瓣上下作用面積不等，上面積大于下面積的影響造成的，因此，彈簧直接載荷式安全閥在一定的背壓環(huán)境中不能應(yīng)用，其使用風(fēng)險值得分析研究。

1.針對采購預(yù)算的不合法性，在采購預(yù)算過程中，高校存在隨意追加或削減預(yù)算的現(xiàn)象，要強(qiáng)化檢察高校在政府采購時預(yù)算的合法性。高校預(yù)算部門的組成之一就是政府采購預(yù)算部門，主管部門在進(jìn)行部門預(yù)算批準(zhǔn)時，涵蓋了部門的政府采購預(yù)算。所以，高校有必要申報政府采購的預(yù)算流程、批準(zhǔn)、并且對臨時預(yù)算程序的增設(shè)進(jìn)行嚴(yán)格審查。重點審查在預(yù)算過程中，重點審查是否存在任何額外或預(yù)算削減，以及補(bǔ)充或減少過程是否按照所需的批準(zhǔn)程序處理。

3 實驗?zāi)芰?、實驗結(jié)果及分析

3.1 實驗?zāi)芰榻B

背壓系統(tǒng)試驗裝置是深圳特檢院新開發(fā)的帶附加背壓力安全閥型式試驗裝置，裝置的設(shè)備參數(shù)見表1。

表1 背壓試驗裝置設(shè)備參數(shù)表

背壓型式試驗裝置能力如下：

空氣系統(tǒng)：系統(tǒng)最大工作壓力≤24MPa；系統(tǒng)最大流量≤80t/h；

背壓系統(tǒng)：系統(tǒng)最大背壓力≤9.98MPa；系統(tǒng)最大試驗口徑≤DN200mm

背壓系統(tǒng)試驗設(shè)備如圖1、圖2所示。

3.2 系統(tǒng)的背壓的控制能力介紹

圖1 背壓系統(tǒng)（背壓容器）

圖2 背壓試驗閥門背壓側(cè)連接情況

在整個背壓系統(tǒng)中，背壓容器的選型尤為重要。背壓容器容積小，則系統(tǒng)壓力波動大，系統(tǒng)對背壓的控制能力有限，系統(tǒng)測量誤差較大；背壓容器容積足夠大，系統(tǒng)對背壓的控制能力大，系統(tǒng)測量誤差較小，但投資大，更重要的是不符合現(xiàn)實使用情況。為此，系統(tǒng)背壓的控制能力設(shè)計思路如下：

關(guān)于背壓罐容積的選型主要是考慮試驗裝置調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)速度與反映時間及升壓氣量能夠滿足最大試驗閥門DN150的需要。

由于安全閥從起跳、排放至回座期間，會往背壓儲罐排放大量的介質(zhì)（以空氣為例），為了維持背壓儲罐內(nèi)的壓力穩(wěn)定，須開啟調(diào)節(jié)閥將多余的介質(zhì)排出，而調(diào)節(jié)閥的開啟需要一定的響應(yīng)時間。假設(shè)在調(diào)節(jié)閥還未有動作的前提下，即背壓儲罐在試驗時無介質(zhì)輸出的情況下，如果此時背壓罐容積的大小能夠滿足試驗時，背壓罐的壓力穩(wěn)定（一般認(rèn)為超壓不超過10%）。則在調(diào)節(jié)閥動作的狀態(tài)下該背壓罐仍能滿足試驗的要求。

假設(shè)在進(jìn)行試驗時，背壓罐進(jìn)口端有空氣輸入，此時試驗容器即為一個進(jìn)口的壓力容器，如圖3所示。假定背壓罐容積為v（m3），排放前背壓罐內(nèi)空氣的密度為ρ1（m3/kg），質(zhì)量為m1，被試安全閥的排量為G（kg /s），在經(jīng)過定量的排放時間t（s）后，背壓罐內(nèi)空氣的密度為ρ2（m3/kg），質(zhì)量為m2，可得以下方程：

聯(lián)立以上三方程可得：v=Gt/(ρ2-ρ1)

圖3 排放背壓罐示意圖

●3.2.2 排放背壓罐容積選型核算

以本項目設(shè)計的帶附加背壓力安全閥型式試驗裝置的規(guī)模選取最高參數(shù)的安全閥來進(jìn)行體積核算（即：若背壓罐的容積能滿足最高參數(shù)安全閥的試驗要求，則其同樣能滿足普通參數(shù)的安全閥的試驗要求），所選取的高參數(shù)安全閥如下：DN100，喉徑65mm，整定壓力4.0MPa，排放背壓2.0MPa，額定排量系數(shù)0.5。

根據(jù)《安全閥 一般要求》（GB/T 12241—2005）中規(guī)定的空氣系統(tǒng)安全閥型式試驗排量計算方法：

式中：

Wtg——理論排量，kg/h；

Pd——實際排放壓力（穩(wěn)壓），MPa；

A ——流道面積，mm2；

C ——絕熱指數(shù)函數(shù)，C取2.7；

M ——?dú)怏w的分子量，kg/kmol，取28.96；

Z ——壓縮系統(tǒng)，Z取1；

T ——實際排放溫度，K，取常溫；

則DN100空氣介質(zhì)安全閥的理論排量：

安全閥的額定排量系數(shù)取為0.5，則DN100空氣介質(zhì)安全閥的實際排量

取調(diào)節(jié)閥響應(yīng)時間t = 0.5s，試驗前表壓2.0MPa 下(絕壓2.1MPa)對應(yīng)的空氣密度ρ1為24.591kg/m3；按照10%的超壓計算，試驗時，表壓2.2MPa下（絕壓2.3MPa）對應(yīng)的空氣密度ρ2為26.933kg/m3，將數(shù)據(jù)代入公式

因此，背壓罐的容積核算至少為1.7m3，考慮到后期可能繼續(xù)提高試驗裝置的能力，將背壓罐的容積確定為2m3。

背壓系統(tǒng)背壓控制能力的核心就是在背壓式安全閥測試過程中能提供一個相對穩(wěn)定的背壓測試環(huán)境。該背壓系統(tǒng)在高參數(shù)安全閥，參數(shù)如下：DN100，喉徑65mm，整定壓力4.0MPa，排放背壓2.0MPa，額定排量系數(shù)0.5的測試及背壓控制方面，能滿足±10%的目標(biāo)。值得說明的是：目前國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)沒有提出背壓波動范圍±10%，此指標(biāo)是參照在GB/T 24921.1—2010《石化工業(yè)用壓力釋放閥的尺寸確定、選型和安裝》中給我們推薦背壓閥門的使用情況：當(dāng)背壓力≤10%整定壓力時采用彈簧直接載荷式安全閥。但是，此評價指標(biāo)是否合理需進(jìn)一步研究，但不影響此次以下的試驗過程。

3.3 試驗過程及結(jié)果分析

尤其是背壓的模擬控制能力，以及取得的初步成果，如觀測到帶背壓排放與大氣直排的差別。

為驗證氨制冷帶背壓排放安全閥與大氣排放安全閥的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)的差異，筆者準(zhǔn)備了兩只彈簧直接載荷式安全閥進(jìn)行型式試驗，安全閥型號：A42Y-25C，其技術(shù)參數(shù)分別為：

1）DN65、整定壓力1.50MPa、回座壓力1.28MPa、開啟高度6.0mm；

2）DN80、整定壓力1.45MPa、回座壓力1.23MPa、開啟高度10.00mm。

樣品的試驗數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

圖4

觀測到帶背壓排放與大氣直排的差別見表2，為樣品的試驗數(shù)據(jù)。簧直接載荷式安全閥有影響，針對試驗結(jié)果我們把背壓對安全閥性能參數(shù)的影響總結(jié)如下，見表3。

表2 背壓試驗試驗數(shù)據(jù)表MPa

表3 背壓對性能參數(shù)影響表

4 結(jié)論

從上文可以看出：以整定壓力為例，氨制冷用安全閥實際使用時其整定壓力會比預(yù)定的參數(shù)升高。由于筆者試驗樣品的數(shù)量有限，升高多少無法定量分析計算。

在氨制冷壓力容器使用過程中，一般情況下，壓力容器的設(shè)計壓力是我們整個壓力體系的最高允許壓力，設(shè)備運(yùn)行的工作壓力都不能超過容器的設(shè)計壓力，安全閥的整定壓力一般規(guī)定為：小于等于容器設(shè)計壓力，大于容器工作壓力。這樣，當(dāng)設(shè)計的氨制冷壓力容器上用的安全閥整定壓力在小于容器設(shè)計壓力一定小范圍的情況下，就可能會造成壓力容器日常使用過程中安全閥的實際整定壓力大于壓力容器的設(shè)計壓力，容器有超壓甚至爆炸的可能性。對此，為確保氨制冷用壓力容器的安全使用，筆者建議：

1）在型式試驗監(jiān)管環(huán)節(jié)，針對有背壓的封閉式安全閥采用帶背壓型式試驗裝置（排放為背壓環(huán)境）進(jìn)行帶背壓的型式試驗；

2）通過相關(guān)科研項目的研究，在我們?nèi)粘Ｐｒ炛?，引入整定壓力修正系?shù)，針對氨制冷安全閥不可能在背壓的校驗系統(tǒng)中進(jìn)行校驗造成整定壓力等技術(shù)參數(shù)的偏差進(jìn)行修正。

[1] 葉勤．克服變動背壓對安全閥動作性能影響的新途徑[J]．流體工程，1989，(03)：17-21+64.

[2] 閆正偉，金壽根．背壓對安全閥性能的影響[J]．中國化工裝備，2004，(01)：25-27+19.

表2試驗結(jié)果表明，由于結(jié)構(gòu)的原因，背壓對彈

Discussion on the Influence of Back Pressure on Technical Performance of Safety Valve Used in Liquid Ammonia Refrigeration System

Zhao Kunyu Sun Qi Xie Qingyan
(Shenzhen Institute of Special Equipment Inspection and Test Shenzhen 518109)

There is no safety valve type testing system with back pressure in China, while the type testing device without back pressure is still used in the type testing of a back pressure safety valve. In the daily inspection of safety valve, the valve used in liquid ammonia refrigeration system which is a back pressure safety valve is inspected in the atmospheric environment. Because of the different environmental condition, there are deviations exited in set pressure and other technical parameters. So there are risks exited in the design, manufacture, test and supervision. This paper is going to analyze the probably exiting risks.

Type testing device of safety valve Relief environment with back pressure Set pressure Liquid ammonia refrigeration system

X933.4

B

1673-257X(2017)05-0067-05

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.05.015

趙昆玉(1961～)，男，本科，高級工程師，從事承壓類特種設(shè)備安全檢驗與研究工作。

孫琦，E-mail: sunq@sise.org.cn。

2016-09-01）