先導(dǎo)式安全閥試驗與回座失效分析

(國家閥門產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心(福建)， 福建 泉州 362800)

引言

先導(dǎo)式安全閥是一種非直接作用式安全閥，由一個主閥和導(dǎo)閥組成，依靠從導(dǎo)閥排出介質(zhì)來驅(qū)動或控制主閥啟閉，適用于高背壓、大口徑、大流量和安裝位置緊湊的工況，被廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金和核電等領(lǐng)域[1-4]。在工況系統(tǒng)中，安全閥應(yīng)該具備開啟準(zhǔn)確、排放穩(wěn)定、回座及時和密封可靠等性能[5-6]。若安全閥回座壓力過高，啟閉壓差太小，會使閥門發(fā)生頻跳，不利于關(guān)閉后重新建立密封；若回座壓力過小，啟閉壓差太大，則會使系統(tǒng)或設(shè)備的介質(zhì)和能量損失過多，給系統(tǒng)或設(shè)備恢復(fù)正常運(yùn)行帶來諸多困難[7-10]。

先導(dǎo)式安全閥常見的故障包括：主閥導(dǎo)閥泄漏、導(dǎo)閥超壓不動作、主閥未隨導(dǎo)閥動作[6]。主閥導(dǎo)閥泄漏失效原因：密封面臟污或損傷，零部件卡阻、密封墊圈老化變形；導(dǎo)閥超壓不動作失效原因：導(dǎo)閥密封面銹蝕粘合或材料變形、導(dǎo)閥彈簧過緊或卡阻、導(dǎo)閥下導(dǎo)管堵塞；主閥未隨導(dǎo)閥動作失效原因： 主閥運(yùn)動卡阻、導(dǎo)閥排氣量過小。然而， 安全閥起跳不回座故障在試驗過程及工業(yè)現(xiàn)場也是非常常見的，國內(nèi)對于先導(dǎo)式安全閥起跳不回座失效分析的相關(guān)研究較少。本研究以某公司生產(chǎn)的AF46Y-25型先導(dǎo)式安全閥為研究對象，研究導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)并分析其動作過程。在對其開展動作性能試驗時，發(fā)現(xiàn)該安全閥實際回座壓力遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求[11]，排放時間過長，回座失效。因此，對其進(jìn)行受力分析，以探討回座失效的原因。

1 導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)及動作過程分析

1.1 導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)

AF46Y-25型先導(dǎo)式安全閥如圖1所示，其導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 AF46Y-25型先導(dǎo)式安全閥

圖2 先導(dǎo)式安全閥結(jié)構(gòu)圖

1.2 動作過程分析

當(dāng)被保護(hù)系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀況時，導(dǎo)閥閥腔內(nèi)的堵頭密封面處于開啟狀態(tài)，系統(tǒng)壓力從主閥進(jìn)口通過下導(dǎo)管、導(dǎo)閥閥腔和上導(dǎo)管傳入主閥閥瓣(活塞)上方氣室，此時上方氣室氣體壓力等同于主閥進(jìn)口的系統(tǒng)壓力。導(dǎo)閥密封面處于密封狀態(tài)，確保主閥上方氣室的氣體無法從導(dǎo)閥泄放口排出。此時主閥閥瓣受彈簧預(yù)緊力、上方氣室氣體對閥瓣向下作用力以及主閥入口對閥瓣向上的作用力合力的作用，該合力方向向下，使主閥處于關(guān)閉、密封狀態(tài)。

當(dāng)系統(tǒng)壓力升高達(dá)到整定壓力時，氣體在導(dǎo)閥密封面處向上頂起導(dǎo)閥的閥芯，使導(dǎo)閥密封面處于開啟狀態(tài)，同時導(dǎo)閥閥腔內(nèi)的堵頭向上移動，堵頭密封面處于密封狀態(tài)。主閥閥瓣上方氣室的介質(zhì)經(jīng)由打開的導(dǎo)閥密封面排出，使主閥閥瓣上方壓力降低。主閥閥瓣在進(jìn)口壓力的推動下打開而使系統(tǒng)卸壓。

當(dāng)系統(tǒng)壓力降低到一定值時，導(dǎo)閥閥芯在彈簧的作用下向下回座，導(dǎo)閥密封面關(guān)閉，導(dǎo)閥閥腔的堵頭密封面打開，系統(tǒng)壓力再次通過導(dǎo)閥閥腔傳入主閥閥瓣上方氣室，并推動主閥閥瓣關(guān)閉。在安全閥生產(chǎn)調(diào)試以及安裝使用中通常忽略響應(yīng)時差，導(dǎo)閥開始開啟排放，就認(rèn)為主閥也已經(jīng)開啟，導(dǎo)閥一旦回座，則認(rèn)為主閥也回座。

2 動作試驗及受力計算分析

2.1 動作試驗

安全閥冷態(tài)試驗裝置(見圖3)主要由壓縮氣源、儲氣罐、節(jié)流控制閥、試驗罐、閥門和管道、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，可對公稱壓力PN≤20 MPa，公稱通徑DN≤150 mm的安全閥進(jìn)行整定壓力試驗、排放壓力試驗、回座壓力試驗、開啟高度試驗、排量及排量系數(shù)試驗，檢測參數(shù)和自動化程度達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

圖3 安全閥冷態(tài)試驗裝置原理圖

運(yùn)用安全閥冷態(tài)試驗裝置對該先導(dǎo)式安全閥進(jìn)行動作性能試驗，將試驗容器內(nèi)的介質(zhì)壓力卸放到整定壓力以下，開啟試驗容器和安全閥進(jìn)口端的球閥，關(guān)閉流量計管路閥門，開啟主測試管路截止閥，開啟儲氣容器通向試驗容器的節(jié)流閥，逐漸加壓，同時啟動計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，被試安全閥開啟，繼續(xù)升高壓力，直至被試安全閥保持全開啟(排放)狀態(tài)，然后關(guān)閉儲氣容器通向試驗容器的閥門，被試安全閥亦逐漸關(guān)閉。計算機(jī)自動生成試驗過程的壓力、位移曲線，試驗人員記錄采集開啟壓力、排放壓力、回座壓力、開啟高度等數(shù)據(jù)。重復(fù)上述試驗至少3次，得到相應(yīng)壓力-位移-時間曲線，見圖4。左縱坐標(biāo)為位置，右縱坐標(biāo)為壓力，其中上部曲線代表導(dǎo)閥位移，下部曲線代表壓力變化。當(dāng)導(dǎo)閥位置發(fā)生變化，代表導(dǎo)閥開始開啟動作，此時的壓力為該先導(dǎo)式安全閥的開啟壓力，即整定壓力；當(dāng)導(dǎo)閥位置回到原點代表導(dǎo)閥已經(jīng)回座，此時對應(yīng)的壓力即為回座壓力。

Ⅰ.位移曲線 Ⅱ.壓力曲線 A.開啟時刻 B.回座時刻 C.開啟壓力 D.回座壓力

2.2 技術(shù)要求

安全閥啟閉壓差為整定壓力與回座壓力之差，即：

Δpb1=ps-ph

根據(jù)GB/T 28778-2012的規(guī)定，對于可壓縮性介質(zhì)的安全閥，其啟閉壓差最小值為2.0%整定壓力，最大值為15%整定壓力或0.03 MPa中的較大值。對于該先導(dǎo)式安全閥，其整定壓力1.6 MPa，則啟閉壓差、回座壓力應(yīng)分別滿足：

2%ps≤Δpb1≤15%ps

85%ps≤ph≤98%ps

通過計算，可得知：

0.32 MPa≤Δpb1≤0.24 MPa

1.36 MPa≤ph≤1.57 MPa

由圖4曲線可知，該先導(dǎo)式安全閥回座壓力僅為0.312 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，安全閥排放時間過長，能量和資源浪費嚴(yán)重。

2.3 受力計算分析

忽略重力和摩擦力因素的影響，對導(dǎo)閥的動作過程進(jìn)行受力分析[12]，導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)如圖5所示。

當(dāng)系統(tǒng)壓力升高達(dá)到整定壓力時，氣體在導(dǎo)閥密封面處克服導(dǎo)閥彈簧預(yù)緊力向上頂起導(dǎo)閥的閥芯，此時應(yīng)滿足：

F1=ps·S1

因此，可得出：

圖5 導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)圖

其中：G為彈簧材料切變模量，彈簧材料為60Si2MnA，G=78.5×103MPa；d為彈簧材料直徑，d=4 mm；D為彈簧中徑，D=25 mm；n彈簧有效圈數(shù)，n=6；ps為整定壓力，ps=1.6 MPa；d1為導(dǎo)閥密封面直徑，根據(jù)設(shè)計圖樣，d1=13 mm；f為導(dǎo)閥彈簧初始變形量，通過計算可得，f=7.9 mm。

當(dāng)系統(tǒng)壓力降低到回座壓力時，導(dǎo)閥彈簧要克服堵頭密封面處的密封力將其打開，此時應(yīng)滿足：

F2=ph·S2

因此，可得出：

其中：h為導(dǎo)閥閥芯開啟高度，由圖4可知，h=0.8 mm；

回座壓力與整定壓力滿足：

d2堵頭密封面平均直徑，通過計算可得，13.8 mm≤d2≤14.8 mm。

通過對導(dǎo)閥開啟和回座進(jìn)行受力計算分析，可知：堵頭密封面平均直徑d2應(yīng)在13.8～14.8 mm范圍內(nèi)才能滿足其回座壓力的要求。而實際堵頭密封面直徑d2=27 mm，無法滿足要求。

2.4 排放時間長原因分析

對于啟閉壓差不可調(diào)節(jié)的先導(dǎo)式安全閥，其導(dǎo)閥2個密封面的面積的比值直接影響了啟閉壓差的大小。導(dǎo)閥密封面面積與堵頭密封面面積應(yīng)滿足：

通過計算，該先導(dǎo)式安全閥導(dǎo)閥密封面與堵頭密封面面積比為0.23，比值相對較小，造成回座壓力過小，低于標(biāo)準(zhǔn)要求值，回座失效。而系統(tǒng)壓力必須降至回座壓力下，導(dǎo)閥的閥瓣才能回座，并驅(qū)動主閥閥瓣關(guān)閉，使安全閥停止排放。由于安全閥啟跳壓力為整定值，回座壓力過小，必然使安全閥啟跳壓力與回座壓力差值增大，安全閥排放時間相對延長。

3 結(jié)論

通過研究分析可知，導(dǎo)閥密封面與堵頭密封面面積比太大或太小都會導(dǎo)致回座失效，若面積比太大，則回座壓力過高，啟閉壓差太小，容易使閥門發(fā)生頻跳；反之，面積比太小則會使回座壓力過小，啟閉壓差太大，安全閥排放時間太長，使系統(tǒng)或設(shè)備的介質(zhì)和能量損失過多。因此在安全閥設(shè)計階段就應(yīng)給予充分的考慮，選擇合適的密封面配比，提高先導(dǎo)式安全閥的性能。

下一步將在該先導(dǎo)式安全閥的基礎(chǔ)上重新設(shè)計加工堵頭和導(dǎo)閥零件，改變2個密封面的面積配比，并通過試驗分析，找出最佳的密封面配比，驗證以上理論計算分析結(jié)果。