可在線校驗與監(jiān)測的彈簧式安全閥結(jié)構(gòu)設計與試驗研究

李 岳 溫殿江 宋 晨 姜一昌 張興和

（1.大連理工大學化工學院；2.大連理工安全技術(shù)與控制工程研究中心有限公司；3.大連理工安全裝備有限公司）

承壓設備在運行中由于內(nèi)部或外部的原因經(jīng)常存在壓力升高的情況，如果壓力升高超過了設備的許用壓力，則稱為超壓。引起設備內(nèi)部壓力升高的有外部原因和內(nèi)部原因，通常將外部因素引起的設備超壓，稱為物理超壓過程［1］；由設備內(nèi)部介質(zhì)發(fā)生化學反應引起的設備超壓，稱為化學超壓過程。根據(jù)設備安全設計規(guī)定：不管何種原因引起的設備內(nèi)壓力升高，凡是出現(xiàn)壓力升高可能超過設備允許壓力（通常為設備設計壓力或最大允許工作壓力），均需安裝超壓泄放裝置，并根據(jù)壓力升高速度不同，選擇安全閥類或爆破片類泄壓裝置。一般對于物理超壓過程，大多升壓速度較慢，可選擇安全閥類泄壓裝置；而對于化學超壓過程，如果發(fā)生可燃氣體或粉塵類的爆炸超壓，則必須選擇爆破片類泄壓裝置［2］。

1 傳統(tǒng)安全閥的結(jié)構(gòu)與原理

目前安全閥作為超壓泄放裝置，在工程上得到了廣泛應用，其優(yōu)點是：能自動打開和關(guān)閉復位，可重復使用，保存部分物料。缺點是：容易泄漏，不適合粘性介質(zhì)、顆粒、易結(jié)晶物料和有嚴重腐蝕的場合；對于彈簧結(jié)構(gòu)類安全閥，彈簧力隨開啟高度增大，彈簧壓縮大，閥瓣上的力也大，閥不能迅速開啟，對急速超壓泄壓滯后明顯，不能用于壓力急速升高的場合［3，4］。 據(jù)統(tǒng)計，目前市場上應用最多的是直接載荷的彈簧類安全閥，結(jié)構(gòu)如圖1所示，其特點是：利用彈簧力實現(xiàn)閥座與閥瓣之間的密封，通過調(diào)節(jié)彈簧壓縮量來調(diào)整安全閥的整定壓力和排放壓力。該結(jié)構(gòu)輕便緊湊，安裝方位不受嚴格限制，廣泛應用在壓力容器上。但長期高溫或長時間使用，彈簧剛度可能減小，密封力減小，閥容易泄漏，開啟壓力降低［5］。

圖1 傳統(tǒng)彈簧直接載荷式安全閥結(jié)構(gòu)

由于彈簧式安全閥的彈簧剛度可能隨時間而發(fā)生變化，從而影響密封效果和排放壓力，所以國家規(guī)定對安全閥進行定期校驗和檢查。2004年以前的《壓力容器定期檢驗規(guī)則》要求：安全閥應每年校驗。2004年以后發(fā)布的TSGR 7001—2013［6］《壓力容器定期檢驗規(guī)則》和TSG 21—2016《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定：“對于彈簧直接載荷式安全閥，當滿足條件時，經(jīng)過使用單位技術(shù)負責人批準，可以適當延長校驗周期”。規(guī)范中給出了校驗周期延長至3年甚至5年的安全閥制造要求，但一些安全閥仍要求每年校驗。安全閥的校驗方法允許離線校驗，也允許在線校驗。對于離線校驗，工作量十分巨大，特別是安裝在高塔上的安全閥，需要動用大型吊車，校驗成本高、工期長。目前逐漸采用在線校驗方法，工程技術(shù)人員發(fā)明了多種在線校驗方法［7～9］，這些方法大幅降低了校驗成本，降低了勞動強度，縮短了校驗周期，對目前已有結(jié)構(gòu)的安全閥是適合的，但仍存在一些問題，如檢驗人員還需要在現(xiàn)場進行較繁瑣的操作，并且檢驗時設備內(nèi)部壓力的穩(wěn)定性對整定壓力判斷和檢測精度存在影響，并且還是間斷周期性檢驗，無法對安全閥的運行進行實時監(jiān)控和檢驗。

彈簧直接載荷式安全閥的動作原理為：內(nèi)部介質(zhì)對閥瓣產(chǎn)生的向上力作用在彈簧上，當介質(zhì)對閥瓣產(chǎn)生的向上力與彈簧產(chǎn)生的向下力相等時，安全閥閥座上密封比壓為零，安全閥處于開啟與關(guān)閉的臨界狀態(tài)，理論上只要內(nèi)壓再輕微增加一點，安全閥就會出現(xiàn)連續(xù)泄漏氣泡，則此時壓力即安全閥整定壓力，所以整定壓力也可認為是安全閥處于臨界狀態(tài)時的壓力；內(nèi)部壓力再增加，安全閥起跳，閥瓣達到額定高度時，彈簧受壓縮產(chǎn)生的向下力與內(nèi)部介質(zhì)壓力產(chǎn)生的向上力相等，此時內(nèi)部壓力為排放壓力。彈簧直接載荷式安全閥，內(nèi)部介質(zhì)產(chǎn)生的向上力都作用在調(diào)節(jié)螺母上。筆者從彈簧直接載荷式調(diào)節(jié)螺母的受力大小決定安全閥的整定壓力和排放壓力出發(fā)，設計了一種通過力傳感器來控制和監(jiān)測安全閥整定壓力的新結(jié)構(gòu)安全閥，對新結(jié)構(gòu)安全閥通過力傳感器來控制和監(jiān)測安全閥的整定壓力和排放壓力方法進行試驗研究，獲得了滿意結(jié)果，該研究結(jié)果申請了發(fā)明專利［10］。

2 新安全閥結(jié)構(gòu)設計

由于是彈簧力通過閥瓣壓緊在閥座上實現(xiàn)密封，當設備內(nèi)介質(zhì)產(chǎn)生的向上力等于彈簧產(chǎn)生的向下力時，安全閥開啟，所以理論上對整定壓力一定的安全閥，其彈簧力是恒定的，而彈簧力又全作用在調(diào)節(jié)螺母上（圖1）。本設計將傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)螺母端部與力傳感器接觸，這樣使彈簧力傳遞到力傳感器上，由力傳感器監(jiān)測彈簧力的大小，即可監(jiān)測安全閥的整定壓力，新安全閥的結(jié)構(gòu)如圖2所示。與傳統(tǒng)安全閥結(jié)構(gòu)相比，新安全閥結(jié)構(gòu)的改變主要是：安全閥上閥體結(jié)構(gòu)改變，將原調(diào)節(jié)螺母改為一端不通的中空結(jié)構(gòu)，便于閥桿在調(diào)節(jié)套中運動，不通的一端與力傳感器接觸；另設計與上閥體端部螺紋連接的新型調(diào)節(jié)螺母，方便對彈簧進行壓緊與松開，調(diào)節(jié)安全閥的開啟壓力，調(diào)節(jié)套、力傳感器和鎖緊螺母安裝在新結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)螺母內(nèi)。新安全閥調(diào)試方法為：根據(jù)整定壓力和閥瓣密封面尺寸，預先計算彈簧密封壓緊力，通過調(diào)節(jié)螺母壓緊彈簧，使力傳感器顯示讀數(shù)與計算值相等；對安全閥進行整定壓力和排放壓力調(diào)試，根據(jù)試驗的開啟壓力對調(diào)節(jié)螺母進行輕微調(diào)節(jié)，得到穩(wěn)定的整定壓力和排放壓力及兩者對應的力傳感器顯示值，完成安全閥的壓力校驗。新安全閥實時監(jiān)測或定期校驗方法為：安全閥現(xiàn)場安裝后，連接力傳感器顯示儀表，即可監(jiān)測力值是否改變，如果沒有改變，則可認為安全閥整定壓力未改變；安全閥使用后，可與力的顯示儀表長期連接，實現(xiàn)實時監(jiān)測彈簧力變化，也可定期監(jiān)測彈簧力是否改變，由此判斷整定壓力是否改變，如果改變，則通過調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)力傳感器顯示值，使之與安全閥整定壓力所對應的力值相等。

圖2 新安全閥結(jié)構(gòu)

新安全閥結(jié)構(gòu)設計也考慮了對力傳感器的方便更換，結(jié)構(gòu)設計為：在上閥體頂部對稱設置4個M10mm左右的螺紋孔，當需要更換力傳感器時，對稱擰入4個螺栓與彈簧座接觸，實現(xiàn)對彈簧座的支撐，逐漸加大扭矩，當力傳感器顯示力的值為零時，松開傳感器鎖緊螺母，取出傳感器進行校驗或更換新的傳感器；將校驗過的力傳感器原位裝入，輕輕擰緊傳感器的鎖緊螺母，然后對稱松開彈簧座的支撐螺栓，使彈簧力完全作用到傳感器上，檢驗傳感器顯示值是否與整定壓力對應的受力值相等，如果不等，則通過調(diào)節(jié)螺母壓緊或松開彈簧，保證力傳感器顯示值與整定壓力所對應的力值相等。

3 新安全閥在線校驗與監(jiān)測試驗

試驗用安全閥型號為A42-25C，入口公稱直徑DN40mm，出口DN50mm，安全閥的喉徑為27mm，閥座密封面直徑32mm，試驗用彈簧特征參數(shù)見表1。

表1 試驗用彈簧特征參數(shù)

試驗內(nèi)容如下：

a.試驗一，在設定排放壓力下，力傳感器的顯示值與計算值的比較試驗；

b.試驗二，安全閥多次動作所測的力傳感器顯示值變化對比研究；

c.試驗三，力傳感器顯示值的重復性試驗。3.1 試驗一

試驗研究了在設定排放壓力下，力傳感器顯示值與由排放壓力和受壓面積計算得到的向上力的比較（表2）。

表2 力傳感器顯示值與由排放壓力和受壓面積計算得到的向上力的對比

表1顯示在設定排放壓力下，力傳感器的測量值與計算得到的向上力值基本吻合，計算值略小于實測值，這與理論分析相符，因為介質(zhì)利用反沖盤對彈簧產(chǎn)生的壓縮力 （即力傳感器顯示值）一定大于介質(zhì)壓力對閥瓣的作用力，這樣安全閥才能實現(xiàn)全開啟泄放。

介質(zhì)對閥瓣產(chǎn)生的向上力F的計算方法為：

式中d——閥瓣密封面內(nèi)徑，mm；

p——試驗容器內(nèi)壓力，MPa。

安全閥開啟壓力測量需要精確地判斷氣泡連續(xù)泄漏，在試驗中直接測量排放壓力，即安全閥全開啟壓力。

3.2 試驗二

本試驗研究了兩種絲徑安全閥在不同排放壓力下經(jīng)過5次起跳，力傳感器的顯示值 （表3、4）。

表3 7mm絲徑安全閥兩種排放壓力下5次起跳的力傳感器顯示值

表4 8mm絲徑安全閥兩種排放壓力下5次起跳的力傳感器顯示值

由表3、4可知，相同排放壓力下力傳感器顯示值偏差極小，測得的力值非常穩(wěn)定，一旦試驗中確定了安全閥排放壓力所對應的力傳感器顯示值，則該值基本恒定，可以作為安全閥排放壓力的校正標準值。

3.3 試驗三

在一定排放壓力下，通過調(diào)節(jié)螺母對彈簧壓縮一定量，獲得排放壓力和力傳感器顯示值，然后再恢復到原來的壓縮量，測量此時力傳感器顯

示值和排放壓力，試驗重復了3次，結(jié)果見表5。本試驗顯示對彈簧反復壓縮松開相同量，力傳感器顯示值與試驗得到的排放壓力有很好的重復性。

表5 彈簧壓緊與松開后力傳感器顯示值重復性對比

4 結(jié)論

4.1 提出的適合在線實時監(jiān)測和校驗的新安全閥結(jié)構(gòu)比較簡單，在保持安全閥總體結(jié)構(gòu)不變的情況下，通過對上閥體、調(diào)節(jié)螺母等部件的輕微改變，安裝了力傳感器，實現(xiàn)了對安全閥彈簧力的實時監(jiān)測，從而對安全閥的開啟壓力或排放壓力進行監(jiān)測，該方法操作方便、簡單，特別適合在重要、潔凈場合對安全閥的監(jiān)測和校驗。

4.2 通過對新安全閥的不同試驗表明，采用力傳感器對安全閥排放壓力進行監(jiān)測，在排放壓力相同的情況下，各次試驗所得力傳感器測量值基本相同，偏差很小，并且測量值重復性很好，與理論計算值基本一致。