安全閥在線校驗技術與應用

（神華榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719300）

安全閥在線校驗技術與應用

王朋

（神華榆林能源化工有限公司，陜西 榆林 719300）

安全閥是特種設備重要安全附件，也是保護系統(tǒng)和設備最后一道防線，其廣泛應用在電力行業(yè)、石化行業(yè)以及冶金行業(yè)中。安全閥的主要功能在于系統(tǒng)壓力大于預定安全值后開啟泄壓，壓力回歸正常后自動關閉密封，動作性能要求準確開啟、適時全開、穩(wěn)定排放、及時關閉以及可靠密封。按照TSGZF001-2006《安全閥安全技術監(jiān)察規(guī)程》中的相關條例，安全閥應當每年定期進行至少一次校驗。安全閥在線校驗指的是在不拆卸狀態(tài)下直接實施校驗的方法。本文分析了安全閥在線校驗技術的原理、技術流程以及實際應用。

安全閥；在線校驗；技術應用

1 安全閥在線校驗的必要性

安全閥在線校驗屬于近年來的一種新技術，主要應用于各種鍋爐、壓力容器設備的各種彈簧直接載荷式安全閥的開啟壓力測試。由于在線測量安全閥開啟壓力時，生產(chǎn)裝置無需要求設備停車操作，企業(yè)生產(chǎn)可以正常運行。因此在在線校驗技術成功應用后，引起了工業(yè)界特別是現(xiàn)代化流程工業(yè)的極大興趣，也被廣泛的應用在化工和電力行業(yè)中。相關資料表明，安全閥在線校驗技術的推廣應用有效處理了其在實際運行過程中一直存在的問題，如不停車現(xiàn)場在線定壓等，能夠在很大程度上促進整體生產(chǎn)運行的長周期和穩(wěn)定性，實現(xiàn)安全閥不拆卸直接在線校驗，降低校驗成本，屬于對安全閥離線校驗的補充，該技術的推廣能夠獲得很好的經(jīng)濟與社會效益。

按照《安全閥安全技術監(jiān)察規(guī)程》中的相關規(guī)定，在安全閥校驗遇到困難時應選擇輔助開啟裝置在線校驗安全閥。電力行業(yè)標準DL/T959-2005《電站鍋爐安全閥應用導則》中也針對使用安全閥在線定壓儀實施校驗進行了規(guī)定，純機械彈簧式安全閥和碟形彈簧安全閥能夠選擇安全閥在線定壓儀實施校驗。校驗調整能夠在機組啟動或帶負荷運行時開展。根據(jù)承壓設備安全閥校驗過程中可能存在的問題，選擇在線校驗儀對安全閥實施在線校驗屬于非常有效的辦法。在壓力系統(tǒng)中對安全閥進行現(xiàn)場在線校驗的主要優(yōu)勢在于經(jīng)濟性與便利性較高，能夠隨時實施校驗，無需對安全閥進行拆卸，另外在現(xiàn)場實施校驗也能夠在壓力系統(tǒng)中沒有壓力的情況下實施校驗，從而防止出現(xiàn)壓力系統(tǒng)超壓的高風險。

2 安全閥在線校驗儀器

目前國內(nèi)主流安全閥在線校驗儀器研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)有兩家，一是北京邦備，二是沙陀。同時國外安全閥生產(chǎn)廠家也有自己的專業(yè)在線校驗儀器。下面我們簡要介紹北京邦備與沙陀設備兩家公司所開發(fā)的安全閥在線校驗儀器。

北京邦備機電技術有限公司研發(fā)生產(chǎn)的NSH型安全閥在線定壓儀，利用安全閥開啟時附加外力變化曲線中出現(xiàn)的兩個特征點，來對安全閥整定壓力以及回座壓力實施測量。這一在線校驗辦法必須提前輸入校驗時系統(tǒng)內(nèi)部壓力，同時此內(nèi)部壓力不能用儀器測量。在具體的應用過程中作為測量附加外力的壓力傳感器屬于精密元件，很容易受到環(huán)境中溫濕度等各種因素的影響，而安全閥在線校驗的現(xiàn)場環(huán)境相對復雜，所以可能造成測量結果和實驗室結果的差異性。NSH型安全閥在線定壓儀基本結構如下圖1所示。

圖1 NSH型安全閥在線定壓儀結構圖

北京沙陀特檢科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)的ST-2000型在線儀，其液壓油缸以及壓力傳感器都使用立柱框架式安裝，機械夾具結構原理與浙江工業(yè)大學化工機械設計研究所研究開發(fā)的安全閥在線校驗機械夾具大致相同，兩根立柱的支架設計無法確保液壓油缸的垂直度，難以確保附加外力方向以及安全閥拉桿方向位于水平直線，會對測量結果的精準度造成一定程度的影響，同時此儀器的附加裝置相對較多，攜帶起來也不是非常方便。

3 安全閥在線校驗技術的原理

對彈簧式安全閥來說，開啟和閉合的操作基本上都是憑借其中進口端的介質壓力變動，加之基本的彈簧預緊力，讓其中的閥芯進行開啟或者閉合動作。未開啟之前，安全閥預緊力和系統(tǒng)截止壓力保持平衡。在系統(tǒng)內(nèi)壓持續(xù)上升至提升力超出彈簧預緊力的情形下，閥芯會隨之克服彈簧預緊力自動開啟，排出系統(tǒng)的介質，使得系統(tǒng)內(nèi)壓持續(xù)降低。而由于彈簧力所造成的影響，在系統(tǒng)內(nèi)壓下降到安全值的時候（等于小于彈簧預緊力），閥芯又隨之關閉，系統(tǒng)介質泄放停止，彈簧預緊力和系統(tǒng)介質內(nèi)壓又達到一個新的平衡。根據(jù)上述機理我們可以假設，進行在線測量和調整時，如果外界存在對應的向上附加力，則系統(tǒng)介質內(nèi)壓和附加力之和能夠克服彈簧預緊力的狀態(tài)下，閥芯也能夠跟隨進行開啟操作，從而在不存在介質作用的離線狀態(tài)下，僅僅憑借有關的附加力而克服預緊力，閥芯也可以實現(xiàn)開啟操作，能夠看到，如果能對其中的附加力實施準確的測定，就可以根據(jù)已知的閥芯和工作壓力，更準確的得到開啟壓力數(shù)據(jù)，這就是在線校驗技術的設計機理。

向下作用于閥瓣中的對應彈簧預緊力為Dd，用于對抗相關的介質作用力PO·S，另外一些則應用于對抗密封件壓緊力f之中，可以保證安全閥保持密封狀態(tài)（如下圖1a）。而隨著介質壓力的逐漸增加，f慢慢降低，在實際壓力數(shù)值達到對應開啟壓力Ps的狀態(tài)下，f為零，此時安全閥開啟，滿足：

詳細信息如下圖2的標識。

圖2 在線調校原理

圖2中Fd為彈簧預緊力，PO為安全閥入口壓力，S 為介質作用在閥瓣上的有效面積，f 為閥瓣與閥座之間的相互壓緊力，Ps 為開啟壓力，ΔF 為安全閥閥瓣一個向上的附加拉力。

如果憑借外部作用，而為相關閥瓣提交對應的附加拉力ΔF ，那么除開抵抗相關介質作用力和壓緊力，有關預緊力還應當克服對應的附加拉力（詳細信息如圖2c所示）。隨著實際附加拉力的逐漸增加，實際存在壓緊力逐漸縮減。在壓緊力接近于零的狀態(tài)下，密封閥會逐漸抵達開啟狀態(tài)，此時實際作用和附加力的總和，正好能夠克服對應的預緊力（詳細信息如圖2d），即：

在以上公式中，對應的預緊力Fd為常數(shù)，由此我們能夠計算得到：

以上等式兩側同時除以S，可以得到在線定壓公式：

4 安全閥在線校驗關鍵技術

（1）安全閥在線校驗判開準則。對安全閥實施在線校驗時，在線校驗裝置所帶來的附加外力逐漸增加，當附加外力和系統(tǒng)自身介質作用力總和與彈簧預緊力相同時，閥瓣微微打開，因為介質作用面積即刻增加，造成系統(tǒng)自身介質作用第一時間增加，附加外力瞬時降低，當閥瓣達到關閉點后，因為介質作用面積瞬間減小，導致系統(tǒng)自身介質作用力第一時間減小，為確保閥瓣受力平衡，附加外力瞬間反彈，進而產(chǎn)生第二特征點B。如下圖3所示，特征點判開法按照安全閥開啟時附加外力產(chǎn)生的A與B兩個特征點對整定壓力實施測量。選擇特征點法來實施安全閥在線校驗需要承壓設備中存在一定的介質，對處在整修或是內(nèi)部不存在介質的設備，在線校驗過程中附加壓力變化曲線一般不存在特征點A與B，所以特征點判開法在應用過程中依舊會存在局限性，同時不具備統(tǒng)一的標準認可。

閥瓣微動法按照國家相關標準中關于安全閥整定壓力的定義來判定安全閥開啟，即是附加外力作用下閥瓣逐漸上升，開始有可測量的開啟高度，另外系統(tǒng)中高壓介質因為閥瓣微動存在音頻激蕩，此時能夠判定安全閥處在開啟狀態(tài)。

（2）附加外力的施加。安全閥在線校驗時因為設備中介質壓力沒有達到安全閥開啟壓力，必須要附加外力讓安全閥開啟，同時對安全閥開啟瞬間時附加外力進行準確測量。施加的附加外力方向應當和安全閥閥桿方向保持一致，若出現(xiàn)偏差必然會造成安全閥開啟的力僅僅是附加外力沿閥桿方向上的一個分力，導致測量所獲得的附加外力比真實情況下偏高，對安全閥在線校驗測量精度產(chǎn)生影響。所以必須要盡快的研發(fā)出一套相匹配的支撐設備來給附加外力創(chuàng)造一個相對穩(wěn)定和可靠的環(huán)境，我們把這套支撐設備稱為安全閥在線校驗機械夾具。因為目前化工電力等行業(yè)所使用到的安全閥類型較多，結構尺寸各不相同，所以機械夾具應當具備一定的通用性，可以滿足各種型號的安全閥。

圖3 附加外力變化曲線

（3）閥瓣有效面積。當我們準確獲得安全閥開啟瞬間的附加外力之后，必須要按照公式Ph=Fs/Ay把附加外力轉化成為和設備中介質壓力相等同的工作壓力。公式中Ay指的是閥瓣面積，但針對安全閥的國家標準中并未對閥瓣結構給出較為清晰的定義，各個安全閥生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的安全閥閥瓣結構尺寸也可能存在一定的差異。所以現(xiàn)階段市場中對安全閥實施在線校驗時基本上都按照過去的經(jīng)驗把安全閥流道直徑加上3.5mm作為閥瓣直徑予以計算，即根據(jù)公式Ay=π(R1+3.5)2/4，而對應的國家標準規(guī)定中針對安全閥流道直徑做出了非常清楚的定義，流道直徑大小能夠直接按照生產(chǎn)企業(yè)設置在安全閥上的銘牌中讀取，閥瓣直徑和流道直徑如下圖4所示。

圖4 閥瓣直徑與流道直徑

5 安全閥在線校驗技術的基本流程

安全閥在線校驗基本流程為：第一，對作業(yè)人員實施安全教育培訓，查看作業(yè)人員的安全防護設備是否正常；第二，對檢測儀器進行查看，確保其處于正常運行狀態(tài)；第三，及時和調度人員取得聯(lián)系，保證遠傳壓力能夠和現(xiàn)場壓力相同，若出現(xiàn)偏差第一時間通知儀表人員實施校驗，校驗準確后應當以現(xiàn)場壓力為準；第四，對安全閥在線校驗儀實施安裝作業(yè)，詳細步驟為：①安裝機械夾具，拉力位移傳感器以及限位強關器；②將液壓控制系統(tǒng)和各組信號線進行連接；③開機查看各個組件的配合，同時設置好最大開啟高度；第五，安裝工作結束之后，輸入數(shù)據(jù)信息，由設備員和調度中心取得聯(lián)系之后對系統(tǒng)實際運行壓力進行核對，上報到安全閥校驗人員同時輸入主機；第六，對安全閥實施在線校驗，詳細步驟如下：①確定檢測方式；②選擇液壓提示系統(tǒng)提升閥桿；③顯示開啟壓力讀數(shù)；④進行反復三次檢測，取平均數(shù)作為開啟數(shù)據(jù)；⑤對不滿足開啟壓力的安全閥，選擇調壓螺母實施調整；⑥調整后再檢測，以符合規(guī)定開啟壓力為準；⑦對相關數(shù)據(jù)信息予以記錄；第七校驗結束后，作業(yè)人員應當對接受在線校驗的安全閥實施鉛封，由使用車間設備員上報調度中心，結束校驗。

6 安全閥在線校驗技術優(yōu)點及相關問題

（1）安全閥在線校驗技術優(yōu)缺點。安全閥在線校驗的主要優(yōu)點包含了：首先是準確度較高，在安全閥的正常使用過程中進行校驗，不需要考慮溫度、背壓等其他環(huán)境影響因素，能夠有效避免在進行離線校驗過程中對整定壓力造成的影響；其次是經(jīng)濟性較高，在線校驗不會對設備的正常工作造成影響，能夠避免安全閥停用后所帶來的產(chǎn)值成本損失；最后是安全性較好，在線校驗能夠確保達到安全閥每年定期檢測一次的標準，防止系統(tǒng)壓力升壓實跳的高風險。

而安全閥在線校驗的缺點主要為：一方面在線校驗依舊存在一部分不確定性因素，危險性相對來說比離線校驗要大；另一方面是在線校驗無法對安全閥密封性能進行測試，無法校驗回座壓力。

（2）安全閥在線校驗技術應用中的關鍵問題。首先，配套閥桿多功能卡具安全閥在線校驗設備的基本原理一般是在安全閥閥桿上給予液壓拉力，進而讓閥門彈簧力降低，實現(xiàn)校驗目標。所以安全閥閥桿是十分關鍵的配置，現(xiàn)階段所采用的安全閥包含了諸多類型，其安全閥閥桿具體形狀與尺寸大小也各不相同，即便現(xiàn)階段依舊有很多不同類型的閥桿，但為促進安全閥在線校驗設備適用性的不斷提升，還應當盡快研制出現(xiàn)代化的配套閥桿多功能卡具。其次，對不同類型安全閥的閥座尺寸應當有充分的了解。安全閥閥座尺寸是實施在線校驗工作必須的數(shù)據(jù)信息，應當在實施在線校驗之前就應當有全面的了解，唯有充分掌握不同類型的安全閥閥座尺寸，才可以確保在線校驗所得到的結果具備較高的準確性。唯有處理好上述兩方面的問題，才可以保證安全閥在線校驗技術具備更高的適應性，才可以為在線校驗數(shù)據(jù)信息的準確性帶來較高的保障，才可以把傳統(tǒng)的安全閥拆卸下轉運到校驗設備實施校驗所存在的問題予以優(yōu)化和改善，才可以降低安全閥在線校驗過程中所消耗的人力物力財力，確保安全生產(chǎn)，實現(xiàn)安全閥在線校驗的最佳效益。

7 安全閥在線校驗技術的應用及前景

安全閥在線校驗技術是近年來應用較為廣泛的技術，它適用于鍋爐以及壓力容器等設備的彈簧式安全閥開啟壓力檢測，這是因為對開啟壓力實施在線測量時，裝置無需停止運行，生產(chǎn)作業(yè)能夠與測量作業(yè)共同進行。安全閥在線校驗設備目前在石油化工、電力、冶金等行業(yè)中都有了進一步的普及應用，比如說北京邦備機電公司研發(fā)生產(chǎn)的NSH型在線儀目前在很多電廠的安全閥校驗作業(yè)中普及應用；而北京沙陀石化公司研發(fā)生產(chǎn)的ST-2000型在線儀目前在中石化茂名分公司的安全閥校驗作業(yè)中得以應用；目前北京某電廠的汽機與鍋爐的大小修和日常維護保養(yǎng)過程中，采用安全閥校驗技術進行調試的彈簧式安全閥已經(jīng)接近1000余個，同時對部分安全閥實施升壓實跳驗證，得到的裝置重復性誤差以及測量誤差都不大于1%。這一指標與《電力工業(yè)鍋爐壓力容器監(jiān)察規(guī)程》中的相關標準相符合。與此同時神華集團榆林能源化工有限公司正利用北京邦備公司技術，針對其裝置的1490臺安全閥進行在線校驗，有效的降低了閥門拆裝以及吊裝運輸成本，對安全閥事故隱患實現(xiàn)了有效控制，獲得了巨大效益。

8 結語

綜上所述，選擇安全閥在線測試裝置對安全閥實施校驗與整定，在很大程度上轉變了傳統(tǒng)的校驗手段，讓安全閥調試與測量準確度有進一步的提升，也讓獲得的整定值更為可靠，操作更加規(guī)范，有效降低了勞動強度，也節(jié)省了大量的燃料與蒸汽，其安全性能與經(jīng)濟效益非常明顯，為各企業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展帶來了堅實的保障。

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