安全閥在線校驗(yàn)中密封面積的計(jì)算方法探討

姚 杰，阮受唱

（中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司，廣東深圳 518000）

0 引言

目前安全閥在線校驗(yàn)技術(shù)已運(yùn)用于諸多電站的安全閥整定值工作，主要用于安全閥整定值的在線標(biāo)定，其優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)校驗(yàn)過(guò)程是在接近真實(shí)的系統(tǒng)條件下進(jìn)行的，最終校驗(yàn)結(jié)果較離線校驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確。

在線校驗(yàn)的基本原理是：利用液壓提升力克服閥門(mén)彈簧力，施加的提升力被測(cè)力元件測(cè)量下來(lái)，除以密封面積，得出來(lái)的壓力值（壓強(qiáng)）等效成提升壓力，加上當(dāng)時(shí)的系統(tǒng)壓力，得到該安全閥的壓力整定值（圖1）。在線校驗(yàn)中，安全閥閥瓣受力可以用式（1）表達(dá)：

式中 Pt——壓力整定值，Pa

Pv——試驗(yàn)時(shí)的系統(tǒng)壓力，Pa

Fw——液壓裝置提供的提升力，N

S——安全閥密封面積，mm2

由上式可知，只要通過(guò)測(cè)力元件準(zhǔn)確地測(cè)定提升力Fw，就可以根據(jù)密封面積S 和系統(tǒng)壓力Pv，求得安全閥的壓力整定值Pt。而提升力可以通過(guò)液壓裝置的力傳感器測(cè)得，試驗(yàn)時(shí)的系統(tǒng)壓力可以通過(guò)壓力傳感器或壓力表讀數(shù)獲得，只有密封面積缺乏精確有效的測(cè)量手段。

1 密封面積的計(jì)算方法

安全閥在線校驗(yàn)中的密封面積沒(méi)有直接的測(cè)量手段來(lái)精確測(cè)量，只有采用間接方法計(jì)算得到，故一般把該面積稱(chēng)為等效密封面積。

目前比較常用的等效密封面積計(jì)算方法有4 種：中徑計(jì)算法，壓力線性分布計(jì)算法，壓力差異計(jì)算法和整定值差異計(jì)算法。

1.1 中徑計(jì)算法

中徑計(jì)算法認(rèn)為密封面的中徑對(duì)應(yīng)的面積即為等效密封面積，實(shí)際操作時(shí)分別測(cè)量閥瓣的內(nèi)徑、外徑與閥座的內(nèi)徑、外徑，然后選取內(nèi)徑大值和外徑小值，作為閥瓣、閥座接觸面積的內(nèi)徑和外徑，則等效密封面積計(jì)算如下：

圖1 在線校驗(yàn)過(guò)程中安全閥閥瓣的受力

式中 S——等效密封面積，mm2

d——等效密封中徑，mm

d1——閥瓣內(nèi)徑與閥座內(nèi)徑兩者中的大值，mm

d2——閥瓣外徑與閥座外徑兩者中的小值，mm

r1——閥瓣內(nèi)半徑與閥座內(nèi)半徑兩者中的大值，mm

r2——閥瓣外半徑與閥座外半徑兩者中的小值，mm

1.2 壓力線性分布計(jì)算法

對(duì)于背壓平衡式安全閥，閥瓣、閥座接觸密封面內(nèi)側(cè)邊界的壓力為系統(tǒng)壓力，而外側(cè)邊界的壓力僅為大氣壓（即未受到系統(tǒng)壓力），且通常接觸密封面的寬度很小，則在這狹窄的區(qū)間里可以假設(shè)接觸密封面上的壓力分布為線性分布（圖2）。因此可以得到式（3）：

圖2 系統(tǒng)壓力線性分布示意

式中 Pv——系統(tǒng)壓力，Pa

S——等效密封面積，mm2

r1——閥瓣內(nèi)半徑與閥座內(nèi)半徑兩者中的大值，mm

r2——閥瓣外半徑與閥座外半徑兩者中的小值，mm

Pr——半徑在r1和r2之間微型積分區(qū)域的壓力，Pa

Sr——半徑在r1和r2之間微型積分區(qū)域的面積，mm2

根據(jù)前述邊界條件和壓力線性分布的假設(shè)，可推導(dǎo)出：

1.3 壓力差異計(jì)算法

該計(jì)算法在兩個(gè)不同的系統(tǒng)壓力條件下，分別對(duì)安全閥進(jìn)行校驗(yàn)，得到相應(yīng)的提升力和壓力整定值。根據(jù)在線校驗(yàn)的基本原理可得：Pv1+Fw1/S=Pt1；Pv2+Fw2/S=Pt2。

其中，Pv1與Pv2為兩個(gè)不同的系統(tǒng)壓力；Fw1與Fw2分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)系統(tǒng)壓力需要的提升力；Pt1與Pt2分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)系統(tǒng)壓力得到的壓力整定值。

由于安全閥整定值未做調(diào)整，則Pt1=Pt2，所以S=（Fw2-Fw1）/（Pv1-Pv2）。

1.4 整定值差異計(jì)算法

對(duì)于調(diào)整性能較好的安全閥，由于其調(diào)節(jié)螺釘?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)角度對(duì)應(yīng)整定值的變化量為常數(shù)（該值和彈簧性能相關(guān)，一般由閥門(mén)生產(chǎn)廠家提供），故可用整定值差異計(jì)算法來(lái)計(jì)算等效密封面積。

該計(jì)算方法在系統(tǒng)壓力不變的情況下，改變安全閥的整定值（通過(guò)旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺釘實(shí)現(xiàn)），得到相應(yīng)的提升力。根據(jù)在線校驗(yàn)的基本原理可得：Pv+Fw1/S=Pt1；Pv+Fw2/S=Pt2。

其中，Pv為試驗(yàn)時(shí)的系統(tǒng)壓力；Pt1與Pt2分別表示改變前后不同的整定值；Fw1與Fw2分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)整定值需要的提升力。

假設(shè)調(diào)節(jié)螺釘?shù)霓D(zhuǎn)動(dòng)角度對(duì)應(yīng)整定值的變化量為常數(shù)ΔP，則Pt2=Pt1+ΔP，可得S=（Fw2-Fw1）/ΔP。

2 4 種密封面積計(jì)算方法的優(yōu)缺點(diǎn)

上述介紹的4 種密封面積的計(jì)算方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，選用合理的等效密封面積計(jì)算方法直接決定了安全閥壓力整定值的準(zhǔn)確性。

2.1 中徑計(jì)算法和壓力線性分布計(jì)算法的優(yōu)缺點(diǎn)

中徑計(jì)算法和壓力線性分布計(jì)算法適用的前提條件是必須知道安全閥閥瓣、閥座的內(nèi)外徑尺寸（r1值和r2值）。該尺寸可以由閥門(mén)生產(chǎn)廠家提供，也可以自行解體閥門(mén)進(jìn)行測(cè)量。無(wú)論使用哪種方法獲得，該尺寸均為在常溫常壓下的零件尺寸（簡(jiǎn)稱(chēng)為“離線尺寸”），但是安全閥的工作環(huán)境均在高溫或高壓條件下，考慮由溫差引起的尺寸差異，及由壓差引起的結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力變化，造成了實(shí)際密封面積和等效密封面積形成差異。該種差異相對(duì)于剛性閥瓣影響非常?。ㄍǔＶ挥胁牧弦驕夭钣绊懚纬傻妮p微尺寸變形），但是相較于柔性閥瓣，由于其結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性，在不同的溫度和壓力環(huán)境下產(chǎn)生差異性的柔性變形，導(dǎo)致其密封面積在不同工況下產(chǎn)生巨大的變化。

通過(guò)式（2）和式（3）可以看出，兩種算法的假設(shè)條件是閥瓣、閥座接觸形成的接觸密封面是一個(gè)完整的環(huán)形面，且系統(tǒng)壓力在接觸密封面上呈規(guī)律性分布（中徑計(jì)算法假設(shè)了系統(tǒng)壓力在接觸密封面內(nèi)半環(huán)上呈無(wú)壓降均勻分布，壓力線性分布計(jì)算法假設(shè)了系統(tǒng)壓力在整個(gè)接觸密封面上的壓降呈線性分布），但實(shí)際情況是，由于加工精度、裝配精度、溫差變化、壓差變化、系統(tǒng)擾動(dòng)、雜質(zhì)干擾等因素的影響，閥瓣、閥座間形成的接觸密封面并不是一個(gè)完整環(huán)形面，從而真實(shí)密封面積和等效密封面積有所差異。為了降低這些因素的影響，則需要降低假設(shè)條件中接觸密封面積相對(duì)于等效密封面積的比值，因此閥瓣、閥座的尺寸越大（r1、r2越大），接觸面積越窄，則兩種算法的精度越高。

此外，中徑計(jì)算法和壓力線性分布計(jì)算法之間也存在一定的偏差。假設(shè)中徑計(jì)算法得出的等效密封面積為S1，壓力線性分布計(jì)算法得出的等效密封面積為S2，得出兩者間的偏差為：

由式（5）可以得出，閥瓣、閥座的尺寸越大，接觸面積越窄，則兩種算法的偏差就越??；反之，尺寸越小、接觸面積越寬，則兩種算法的偏差就越大。

中徑計(jì)算法和壓力線性分布計(jì)算法作為帶有剛性閥瓣安全閥校驗(yàn)比較常用的密封面積計(jì)算方法，優(yōu)點(diǎn)在于操作簡(jiǎn)便，尺寸測(cè)量工作完全離線進(jìn)行，因此對(duì)系統(tǒng)或設(shè)備沒(méi)有額外的要求，因此也不會(huì)對(duì)安全閥上下游設(shè)備產(chǎn)生影響。

2.2 壓力差異計(jì)算法和整定值差異計(jì)算法優(yōu)缺點(diǎn)

壓力差異計(jì)算法和整定值差異計(jì)算法的優(yōu)點(diǎn)在于，可在閥瓣、閥座尺寸未知的情況下進(jìn)行等效密封面積的測(cè)算及安全閥的在線校驗(yàn)。同時(shí)，由于這兩種算法均是在接近閥門(mén)實(shí)際工況的情況下進(jìn)行，因此基本排除了閥瓣結(jié)構(gòu)、加工精度、裝配精度、溫差變化、壓差變化、系統(tǒng)擾動(dòng)、雜質(zhì)干擾等因素的影響，測(cè)算得到的等效密封面積與真實(shí)密封面積非常相近。

壓力差異計(jì)算法的缺點(diǎn)在于需要在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)壓力的改變，同時(shí)需要系統(tǒng)壓力的改變達(dá)到一定的精度并維持穩(wěn)定。系統(tǒng)壓力的調(diào)整往往牽涉到諸多設(shè)備的調(diào)整和運(yùn)行工況改變，存在一定的系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)。

整定值差異計(jì)算法雖然不要改變系統(tǒng)的壓力，但是在校驗(yàn)過(guò)程中需要改變安全閥整定值，可能會(huì)導(dǎo)致安全閥因整定值超差而短時(shí)不可用，因此需要根據(jù)實(shí)際工況進(jìn)行評(píng)估，或者具有冗余設(shè)備來(lái)代替整定值被改變的安全閥。其次，該計(jì)算法的使用還必須滿(mǎn)足一個(gè)重要的前提條件，即安全閥在調(diào)整區(qū)間內(nèi)具有良好的調(diào)節(jié)性能（即調(diào)節(jié)螺釘轉(zhuǎn)動(dòng)固定的角度對(duì)應(yīng)的安全閥整定值的變化量為常數(shù)）。

中徑計(jì)算法和壓力線性分布計(jì)算法均可以通過(guò)多次試驗(yàn)取平均值的方法來(lái)提高密封面積的測(cè)算精度。但是多次動(dòng)作安全閥，具有一定的潛在風(fēng)險(xiǎn)，例如：在閥門(mén)開(kāi)關(guān)過(guò)程中密封面夾雜異物造成內(nèi)漏，彈簧過(guò)熱造成短時(shí)定值漂移影響測(cè)算精度等。

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)本文論述的安全閥在線校驗(yàn)時(shí)4 種密封面積的計(jì)算方法及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比分析，中徑計(jì)算法和壓力線性分布計(jì)算法操作簡(jiǎn)單，對(duì)系統(tǒng)沒(méi)有特殊要求，但是精度略低，只適用于剛性閥瓣的安全閥；壓力差異計(jì)算法和整定值差異計(jì)算法的測(cè)算精度高，不受閥瓣結(jié)構(gòu)、壓力變化等因素的干擾，但是對(duì)系統(tǒng)要求或閥門(mén)性能有特殊要求。選取合適的計(jì)算方法，對(duì)于確保安全閥整定值的精度、提高安全閥的可靠性至關(guān)重要。