安全閥密封試驗(yàn)壓力體現(xiàn)節(jié)能原則

李林賢

(陜西省石化壓力容器檢驗(yàn)站 西安 710054)

安全閥密封試驗(yàn)壓力體現(xiàn)節(jié)能原則

李林賢

(陜西省石化壓力容器檢驗(yàn)站 西安 710054)

以90%整定壓力作為安全閥的密封試驗(yàn)壓力，會(huì)造成密封試驗(yàn)壓力小于最大工作壓力的可能性，并因此引起在低于最高工作壓力時(shí)安全閥密封泄露可能超標(biāo)的質(zhì)疑。文章從密封的環(huán)節(jié)、泄露概率以及安全閥的選型三個(gè)方面，說(shuō)明這種質(zhì)疑是不必要的。并從調(diào)整密封試驗(yàn)壓力會(huì)造成安全閥制造成本上升的角度，指出標(biāo)準(zhǔn)中安全閥密封試驗(yàn)壓力的規(guī)定符合我國(guó)特種設(shè)備安全所提倡的節(jié)能原則。

安全閥 密封試驗(yàn)壓力 泄露超標(biāo) 節(jié)能原則

安全閥密封試驗(yàn)壓力是進(jìn)行密封試驗(yàn)時(shí)的進(jìn)口靜壓力［1］。它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值,通過(guò)在該規(guī)定壓力下測(cè)量密封面的泄漏率來(lái)對(duì)安全閥的密封性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。在安全閥校驗(yàn)工作中,多年來(lái)存在著一個(gè)爭(zhēng)議,就是如果嚴(yán)格按照GB/T 12243—2005《彈簧直接載荷式安全閥》的規(guī)定,以90%整定壓力作為密封試驗(yàn)壓力的取值,就會(huì)存在安全閥密封試驗(yàn)壓力小于最大工作壓力的可能性,這種可能性會(huì)造成在大于密封試驗(yàn)壓力和小于最高工作壓力的小區(qū)間內(nèi),安全閥密封泄露超出標(biāo)準(zhǔn)要求的情況發(fā)生。并且因此產(chǎn)生密封試驗(yàn)壓力的選取應(yīng)參考最高工作壓力的提議。

關(guān)于密封試驗(yàn)壓力的規(guī)定,是不是標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)潛在缺陷,大家有沒有必要在安全閥密封試驗(yàn)時(shí)對(duì)密封試驗(yàn)壓力進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整?下面將從密封的環(huán)節(jié)、泄露概率以及安全閥選型三個(gè)方面來(lái)說(shuō)明,這種調(diào)整是不必要的。

1 安全閥密封試驗(yàn)壓力的取值爭(zhēng)議和關(guān)聯(lián)因素

GB/T 12243—2005對(duì)密封試驗(yàn)壓力的規(guī)定見表1。

表1 密封試驗(yàn)壓力的規(guī)定

1.1 關(guān)于安全閥密封試驗(yàn)壓力的爭(zhēng)議

筆者選擇具有代表性的兩篇論文中的相關(guān)論述作為參考,來(lái)說(shuō)明彈簧式安全閥密封試驗(yàn)壓力引起爭(zhēng)議的焦點(diǎn)。

例一:根據(jù)GB/T 12243—2005的規(guī)定,在整定壓力大于0.3MPa的情況下,安全閥密封試驗(yàn)壓力,一般取90%的整定壓力,但是按照規(guī)定所取的密封試驗(yàn)壓力有可能小于最高工作壓力。例如,某燃?xì)夤居幸慌_(tái)泵,其設(shè)計(jì)壓力16MPa,最大工作壓力14.5MPa,該公司委托校驗(yàn)時(shí),要求將安全閥的整定壓力按照設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行校驗(yàn)。如果按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,密封試驗(yàn)壓力應(yīng)該為16×90%=14.4MPa。在最大工作壓力14.5MPa工作時(shí),安全閥即使沒有起跳,卻也存在密封泄露大于標(biāo)準(zhǔn)要求的可能性。

所以安全閥密封試驗(yàn)壓力不能僅僅按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的90%整定壓力進(jìn)行取值,為了達(dá)到密封要求,其取值還必須要大于設(shè)備的最高工作壓力。這樣才會(huì)避免在安全閥進(jìn)行密封試驗(yàn)時(shí),密封試驗(yàn)壓力小于最高工作壓力的情況發(fā)生［2］。

例二:在石油化工企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中,壓力容器的最高工作壓力和安全閥的整定壓力之差,小于0.03MPa或10%整定壓力的情況是很難避免的。

筆者曾經(jīng)對(duì)某客戶的安全閥校驗(yàn)狀況進(jìn)行過(guò)統(tǒng)計(jì),在該化工公司煉油廠一年所校驗(yàn)的1483只安全閥當(dāng)中,存在上述現(xiàn)象的有32只,占總數(shù)的2.16%。這些安全閥在以90%整定壓力進(jìn)行密封試驗(yàn)時(shí),結(jié)果是符合要求的,但是由于安全閥本身的先天條件,很難保證其在最高工作壓力下的密封性能要求。因此僅按照GB/T 12242—89的規(guī)定進(jìn)行安全閥的校驗(yàn)和試驗(yàn),結(jié)果可能滿足不了實(shí)際生產(chǎn)的安全需要。所以在此類安全閥定期校驗(yàn)時(shí),安全閥所進(jìn)行的密封試驗(yàn),應(yīng)該將最高工作壓力作為密封試驗(yàn)壓力的取值參考［3］。

有文獻(xiàn)指出GB/T 12243—2005中規(guī)定的密封試驗(yàn)壓力有可能小于最大工作壓力,從而造成密封泄露可能性的擔(dān)憂。并在其后的論述中針對(duì)此狀況提出,以最大工作壓力為基準(zhǔn)進(jìn)行密封試驗(yàn)的對(duì)策。

擔(dān)憂之余,彈簧直接載荷式安全閥密封實(shí)驗(yàn)壓力的規(guī)定,需要不需要調(diào)整?

1.2 密封試驗(yàn)壓力的關(guān)聯(lián)因素

密封試驗(yàn)壓力存在的意義,在于驗(yàn)證安全閥回座后的密封性能。從大方面講,密封性能只與兩個(gè)因素有關(guān),一個(gè)是安全閥本身具備的密封能力;另一個(gè)是介質(zhì)的壓力。整定壓力是以介質(zhì)壓力為依托來(lái)進(jìn)行選定,因此與最高工作壓力有直接的關(guān)系;而密封試驗(yàn)壓力作為一個(gè)以整定壓力為基準(zhǔn)的規(guī)定值,與最高工作壓力有沒有直接的驗(yàn)證性關(guān)聯(lián),這才是以上兩個(gè)例子所持觀點(diǎn)是否成立的前提。

以90%整定壓力作為密封試驗(yàn)壓力這個(gè)取值的依據(jù),在目前的著作文獻(xiàn)中找不到相關(guān)的理論釋義,但是可以利用國(guó)內(nèi)國(guó)際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)密封試驗(yàn)壓力的規(guī)定內(nèi)容,采用排除法對(duì)密封試驗(yàn)壓力的關(guān)聯(lián)因素做出判斷。

按照GB/T 12243—2005和ASME《鍋爐與壓力容器規(guī)范》(2013版)第Ⅷ卷制造的安全閥,其出廠試驗(yàn)密封性能指標(biāo)和API Std 527—2014《泄壓閥閥座的密封性》的要求都是相同的。但是在ASME《鍋爐與壓力容器規(guī)范》(2013版)第Ⅰ卷(動(dòng)力鍋爐建造規(guī)則)中,提出高性能蒸汽安全閥其密封試驗(yàn)壓力應(yīng)在最大工作壓力下進(jìn)行,不過(guò)同時(shí)以該閥門的回座壓力進(jìn)行了最高值的限制。高性能蒸汽安全閥是一種適用于蒸汽介質(zhì)的,可以在高溫高壓環(huán)境下通過(guò)結(jié)構(gòu)上的特殊設(shè)計(jì)來(lái)保證良好密封性能的閥門［4］。

GB/T 12243—2005的替代標(biāo)準(zhǔn) GB/T 12242—89的起草制定,參照采用的也是當(dāng)時(shí)的美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)?？梢娫谶@幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中,關(guān)于安全閥的密封性能試驗(yàn)不論從歷史沿襲,還是條款的內(nèi)容要求上都是等同的。有區(qū)別的是ASME《鍋爐與壓力容器規(guī)范》(2013版)第Ⅰ卷中對(duì)高性能蒸汽安全閥的密封試驗(yàn)壓力與最大工作壓力進(jìn)行了有限制的關(guān)聯(lián)。

從以上內(nèi)容可以有以下判斷:第一,既然是有限制的,它就不是決定性因素,那么這種最高工作壓力與密封壓力的直接關(guān)聯(lián)性就是不成立的;第二,這種限制性關(guān)聯(lián),即使只應(yīng)用于特定工況下的特定閥門,但至少說(shuō)明了最高工作壓力這個(gè)指標(biāo)進(jìn)入了標(biāo)準(zhǔn)制定時(shí)的考查范疇。但最終這個(gè)指標(biāo)沒有被納入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的統(tǒng)一要求,這個(gè)事實(shí)說(shuō)明了最高工作壓力和密封試驗(yàn)壓力沒有直接的關(guān)聯(lián)性,或者說(shuō)密封試驗(yàn)壓力的取值規(guī)定,已經(jīng)包含了對(duì)最高工作壓力的考量。所以說(shuō),最高工作壓力不能成為密封試驗(yàn)壓力的限制性因素。

因此,密封試驗(yàn)壓力的取值,只可能與閥門自身的密封性能直接相關(guān)。

2 密封、泄露概率及選型三個(gè)方面的探討

安全閥之所以能保護(hù)設(shè)備安全,是因?yàn)槿齻€(gè)指標(biāo):一是自動(dòng);二是超壓泄放;三是泄放前后的密封性。自動(dòng)是安全閥結(jié)構(gòu)要求的基本功能;整定壓力的校驗(yàn)過(guò)程,是對(duì)超壓泄放時(shí)安全閥動(dòng)作性能的驗(yàn)證;密封試驗(yàn)則是證明安全閥密封性能的試驗(yàn)。其中整定壓力是一個(gè)臨界值;而密封試驗(yàn)壓力是一個(gè)規(guī)定值。

2.1 密封涉及的環(huán)節(jié)

密封性能是安全閥穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵,也是安全閥設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)中的難點(diǎn)。從安全閥的工作原理出發(fā),安全閥密封試驗(yàn)看似僅對(duì)關(guān)閉件密封面進(jìn)行泄漏率檢查,但它至少包含了三個(gè)部分的驗(yàn)證:1)閥瓣與閥座密封面的密封性;2)動(dòng)作系統(tǒng)回座的有效性;3)彈簧的選型和當(dāng)下的穩(wěn)定性。在三者之間,密封面和彈簧是對(duì)密封性能進(jìn)行響應(yīng)的主要元件,密封面是保證密封的基礎(chǔ),彈簧的負(fù)荷則是密封穩(wěn)定的保障。彈簧在使用過(guò)程中,難免受到高溫高壓或者侵蝕腐蝕等因素的損傷,這個(gè)損傷會(huì)直接影響彈簧剛度的穩(wěn)定性。在密封試驗(yàn)的升壓過(guò)程中,由于沒有產(chǎn)生變形量,彈簧的負(fù)荷是不變的,但是保障密封的比壓力卻在逐漸變小,當(dāng)小到接近于最小密封比壓時(shí),脆弱的密封會(huì)對(duì)密封面的有效性和彈簧剛度的穩(wěn)定性做出敏感的響應(yīng)。因此,密封試驗(yàn)的本質(zhì),是對(duì)閥門的密封性能進(jìn)行寬容度方面的驗(yàn)證。以90% 整定壓力作為密封試驗(yàn)壓力的取值,參照了GB/T 12243—2005中4.6.8條的規(guī)定: “彈簧剛度的極限偏差為±10%。［5］”不同的是,標(biāo)準(zhǔn)中的要求是元件的選用和出廠要求,而在檢驗(yàn)中,更多的是對(duì)已經(jīng)使用過(guò)的閥門進(jìn)行密封性驗(yàn)證。

●2.1.1 密封面

安全閥的密封是依靠閥瓣與閥座密封面的微觀變形來(lái)實(shí)現(xiàn)的,引起和保持這種變形需要力的作用,這個(gè)施加在密封面上的力叫比壓力,它的大小是由彈簧的作用力和介質(zhì)壓力的差值來(lái)決定。如果想用較小比壓力來(lái)獲得理想地密封效果,就需要安全閥在密封結(jié)構(gòu)、密封面的材料、質(zhì)量和寬度等方面的全方位配合。

在工作狀態(tài)下,施加在密封面上的比壓力并不大,因此安全閥要保持密封性就成為設(shè)計(jì)和制造環(huán)節(jié)的主要難題。

●2.1.2 彈簧

彈簧直接載荷式安全閥密封比壓力的來(lái)源是彈簧的載荷。彈簧的選材和選型不只影響安全閥的動(dòng)作性能,同樣會(huì)影響密封性能。

在密封過(guò)程中,迅速有力的回座比逐漸緩慢的回座更有利于密封的建立［4］,但是回座時(shí)過(guò)大的沖擊則可能對(duì)密封面造成損害。因此密封實(shí)驗(yàn)也間接地對(duì)彈簧的選型和工作時(shí)的穩(wěn)定性做出了評(píng)價(jià)。

●2.1.3 動(dòng)作系統(tǒng)的回座性能

安全閥起跳以后再次建立密封,比保持固有地密封狀態(tài),要困難得多［4］。介質(zhì)泄放時(shí)的沖擊、閥門頻跳、卡死、再加上偶然因素等等,都會(huì)對(duì)密封的重新建立造成影響。因此密封實(shí)驗(yàn)的實(shí)施,同樣也對(duì)動(dòng)作系統(tǒng)回座的靈敏度和準(zhǔn)確度進(jìn)行了驗(yàn)證。

●2.1.4 總體的成本影響

總的來(lái)說(shuō),要降低密封比壓力,提高密封壓力值,需要安全閥密封面、彈簧甚至整個(gè)動(dòng)作系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)、材料、加工質(zhì)量等方面的配合,它幾乎涉及安全閥整體構(gòu)造中的各個(gè)元件。

實(shí)際應(yīng)用中,針對(duì)不同的工作面,可以按照標(biāo)準(zhǔn)要求選擇不同形式適當(dāng)型號(hào)的安全泄放裝置進(jìn)行匹配。但是要在標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)密封試驗(yàn)壓力這一條款進(jìn)行提升,必然會(huì)涉及安全閥制造行業(yè)整體成本的上升。

2.2 密封泄露的概率

前文提到,密封試驗(yàn)壓力是一個(gè)針對(duì)密封實(shí)驗(yàn)的規(guī)定值,它不是臨界值。這就意味著實(shí)際的密封壓力要大于密封試驗(yàn)壓力。

參考例二中的數(shù)據(jù),安全閥密封試驗(yàn)壓力小于最高工作壓力的概率在2%左右,再考慮實(shí)際密封壓力大于密封試驗(yàn)壓力的因素,密封泄露超出標(biāo)準(zhǔn)要求的概率肯定小于2%。

再者,工作壓力是指在正常工作情況下,容器頂部可能達(dá)到的最高壓力［6］。既然是可能達(dá)到的,那么最高工作壓力也是一個(gè)機(jī)會(huì)值,它的發(fā)生不是常態(tài),而是存在著一定的概率。

綜合考慮以上兩個(gè)因素,將兩個(gè)概率疊加,那么密封實(shí)驗(yàn)合格以后,在大于密封試驗(yàn)壓力、小于最高工作壓力的這個(gè)小區(qū)間,安全閥密封泄露超標(biāo)的可能性會(huì)更小。

生產(chǎn)的運(yùn)行需要絕對(duì)的安全,而泄露則有可能造成安全事故。泄露超標(biāo)的概率再小,只要不是零,就存在安全隱患,作為以安全為目的的安全泄放裝置的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,更應(yīng)該科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。

前面討論中提出的概率概念,不是以概率小來(lái)否定安全措施的必要性,也不是試圖用減小概率的方法來(lái)達(dá)到保證安全的目的;而是在陳述安全基礎(chǔ)上的泄露超標(biāo)概率。這個(gè)安全基礎(chǔ),就是標(biāo)準(zhǔn)對(duì)安全泄放裝置的選型要求。

2.3 安全閥的選型要求

TSG ZF001—2006中B5.1(2)條規(guī)定:全啟式安全閥適用于排放氣體、蒸汽或者液體介質(zhì),微啟式安全閥一般適用于排放液體介質(zhì),排放有毒或者可燃性介質(zhì)時(shí)必須選用封閉式安全閥［7］。

其中清晰表達(dá)了,對(duì)于有毒、可燃性介質(zhì)必須選用全封閉式安全閥。這個(gè)要求已經(jīng)從根本上杜絕了有毒可燃介質(zhì)可能外泄的安全隱患,因此將前文所述的密封泄露可能性作為風(fēng)險(xiǎn)因素,是沒有必要的。

3 結(jié)論和建議

安全閥密封試驗(yàn)是在規(guī)定壓力下的試驗(yàn)。用90%整定壓力作為密封試驗(yàn)壓力來(lái)進(jìn)行密封試驗(yàn),其過(guò)程和要求足夠驗(yàn)證安全閥的密封性能。而且在選型環(huán)節(jié)已經(jīng)確保安全的前提下,為了避免一個(gè)已經(jīng)喪失危害性的、小概率的泄露超標(biāo),從而提高標(biāo)準(zhǔn)要求,最終造成整個(gè)行業(yè)的制造成本上升,是完全沒必要的,也不符合我國(guó)特種設(shè)備安全所提倡的節(jié)能原則。

例一、例二中的調(diào)整,會(huì)將一些本應(yīng)該合格的安全閥,因?yàn)榇嬖诔^(guò)密封試驗(yàn)壓力時(shí)的泄露超標(biāo)而被“不合格”化,造成一些不必要地浪費(fèi)。例子中雖然沒有報(bào)廢閥門的成本數(shù)據(jù),但作為大多數(shù)企業(yè)來(lái)說(shuō),這個(gè)直接損失應(yīng)該還是可以忍受的。

但是問(wèn)題的關(guān)鍵在于,如果認(rèn)為例一、例二中的泄露超標(biāo)可能性屬于標(biāo)準(zhǔn)的隱藏缺陷,那么基于這種認(rèn)識(shí),必然會(huì)從法規(guī)層次對(duì)安全閥的密封性能提出更高要求。而密封性能的提高涉及安全閥所有重要元件的性能提升,這個(gè)提升是需要代價(jià)的,首先在設(shè)計(jì)上它會(huì)影響密封結(jié)構(gòu)的特性方案,其次在制造環(huán)節(jié)它會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)傳導(dǎo)過(guò)來(lái)的方案進(jìn)行響應(yīng),并對(duì)彈簧的剛度偏差提出更高指標(biāo),這樣就必然會(huì)拉高制造行業(yè)的整體成本。鑒于這種成本影響和輻射范圍的廣度,所產(chǎn)生的代價(jià)很難通過(guò)統(tǒng)計(jì)來(lái)量化,這個(gè)無(wú)法量化的代價(jià),就是密封試驗(yàn)壓力節(jié)能原則的價(jià)值體現(xiàn)。

當(dāng)然,即使這種密封泄露沒有危害,出于嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度,在校驗(yàn)工作中,也可以通過(guò)以下不附加成本的措施來(lái)進(jìn)一步減小這種泄露可能性的概率。

首先,由于設(shè)計(jì)和制造階段均存在厚度圓整等因素,設(shè)備的最高允許工作壓力一般都大于設(shè)計(jì)壓力。在設(shè)計(jì)壓力和工作壓力值較為接近的情況下,如以最高允許工作壓力作為確定安全閥整定壓力的基準(zhǔn)［8］,在充分發(fā)揮設(shè)備實(shí)際承壓能力的前提下,則避免了密封試驗(yàn)壓力小于最高工作壓力的可能性。

其次,整定壓力調(diào)整合格后進(jìn)行密封實(shí)驗(yàn),檢驗(yàn)人員不能在至少3次的整定壓力全部完成后,再進(jìn)行僅一次的密封實(shí)驗(yàn)。而應(yīng)該完全按照TSG ZF001—2006附錄E-1《安全閥校驗(yàn)記錄》表格中的要求,每進(jìn)行一次整定壓力校驗(yàn),然后相應(yīng)地進(jìn)行一次密封實(shí)驗(yàn)。通過(guò)多次的校驗(yàn)和試驗(yàn)結(jié)果配合論證,來(lái)確保安全閥密封性能的可靠性。

因此,標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的制定,是以安全為前提的多方面因素綜合論證的結(jié)果。作為檢驗(yàn)人員,對(duì)待工作的嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致是應(yīng)該提倡的,但是因?qū)?biāo)準(zhǔn)規(guī)范的理解差異,在執(zhí)行中意圖對(duì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定做出改變,則應(yīng)保持必要的審慎原則。

［1］ GB/T 12242—2005 壓力釋放裝置 性能試驗(yàn)規(guī)范［S］．

［2］ 邢金濤．安全閥整定壓力和密封試驗(yàn)壓力的取值探討 ［J］．石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2015，（8）：24-25．

［3］ 朱省初，郭新建，趙立凡，等．在用壓力容器安全閥密封性能可靠性分析［J］．中國(guó)特種設(shè)備安全，2008，24(7）：69．

［4］ 章裕昆，陳殿京，楊英，等．安全閥技術(shù) ［M］．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016．

［5］ GB/T 12243—2005 彈簧直接載荷式安全閥 ［S］．

［6］ TSG 21—2016 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程［S］．

［7］ TSG ZF001—2006 安全閥安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 ［S］．

［8］ TSG R0004—2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程及釋義 ［S］．

Tight Test Pressure of Safety Valve for Energy Conservation Principle

Li linxian
(Shaanxi Petrochemical Pressure Vessel Inspection Station Xi'an 710054)

Using 90% set pressure as the tight test pressure of safety valve may possibly cause that the tight test pressure is less than the maximum work pressure. There is also a doubt about the possibility of tight leakage overproof of safety valve while the tight test pressure is less than the maximum work pressure. This paper presents that this doubt is unnecessary according to three aspects: tight link, leakage possibility and safety valve model selection.Meanwhile, based on that the tight test pressure adjustment will increase the cost of safety valve, this paper indicates that safety valve tight test pressure speci fi cation of the standard is accordant to energy conservation principle of the special equipment safety in China.

Safety valve Tight test pressure Leakage over-proof Energy conservation principle

X924

：B

1673-257X(2017)07-0007-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.07.002

李林賢（1970～)，男，中專，工程師，從事特種設(shè)備檢驗(yàn)工作。

李林賢，E-mail： lilx163@163．com。

2017-02-06）