淺談在用安全閥的在線校驗(yàn)技術(shù)及應(yīng)用

李國華，李華壯

（廣西壯族自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，廣西 南寧 530299）

1 安全閥作用及工作原理

隨著我區(qū)工業(yè)化的發(fā)展，特種設(shè)備的安全運(yùn)行也越來越受關(guān)注，為了保證特種設(shè)備的安全，必須對特種設(shè)備進(jìn)行定期檢驗(yàn)。安全閥作為相關(guān)承壓設(shè)備的保護(hù)裝置，其主要承擔(dān)承受介質(zhì)壓力過大的作用，從而確保設(shè)備能夠正常運(yùn)行，最大限度的保障工作人員的人身安全。安全閥的工作特點(diǎn)使其不需要借助任何外部能源來進(jìn)行工作，因此常被用作設(shè)備當(dāng)中承接壓力保護(hù)的最后一道屏障。從這個(gè)意義上來說，其他壓力保護(hù)或調(diào)解裝置不能夠替代安全閥的角色。當(dāng)承壓設(shè)備中介質(zhì)的壓力由于某種原因?qū)е庐惓Ｉ?，達(dá)到預(yù)先的壓力設(shè)定值時(shí)，安全閥將會(huì)自動(dòng)開啟，排放介質(zhì)，降低系統(tǒng)壓力，以防止設(shè)備系統(tǒng)內(nèi)壓力繼續(xù)升高；在安全閥進(jìn)行介質(zhì)排放的過程中，設(shè)備內(nèi)的壓力必然會(huì)有不同程度的降低，當(dāng)達(dá)到一定限度時(shí)，安全閥的密封件此時(shí)自動(dòng)降落并關(guān)閉，阻止介質(zhì)的繼續(xù)排除。也就是說安全閥的密封件會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)壓力處在安全值以下時(shí)保持密封狀態(tài)，確保介質(zhì)能夠達(dá)到設(shè)備運(yùn)行所需的壓力。

2 安全閥在線校驗(yàn)的必要性及特點(diǎn)

由于安全閥的定期檢驗(yàn)周期為每年最少一次，因此很多企業(yè)在安全閥到期時(shí)，不得不停止運(yùn)行設(shè)備裝置，將安全閥拆卸下來進(jìn)行送檢。安全閥在線校驗(yàn)技術(shù)的引進(jìn)及意義就顯得非常重大了，利用在線校驗(yàn)儀，可以在裝置運(yùn)行的狀態(tài)下，對安全閥進(jìn)行在線檢測，免去了企業(yè)由于停機(jī)校驗(yàn)安全閥而造成的損失。針對于石油化工、鋁業(yè)、電力等大中型企業(yè)，有許多安全閥的安裝方式是焊接式的，這類安全閥是無法拆卸下來進(jìn)行離線定期檢驗(yàn)的，因此，安全閥在線校驗(yàn)也解決了這類安全閥定期檢驗(yàn)的問題。在線校驗(yàn)技術(shù)操作不僅高效便捷，同時(shí)還有著較高的校驗(yàn)精度。在線校驗(yàn)可在設(shè)備運(yùn)行的過程中操作，這不會(huì)影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行，且能夠?qū)囟?、運(yùn)輸、安裝等不必要的外部因素排除，有效避免離線校驗(yàn)帶來壓力不確定等危險(xiǎn)因素。該校驗(yàn)技術(shù)不但不會(huì)影響企業(yè)的正常經(jīng)營，且校驗(yàn)成本較低。此外該校驗(yàn)技術(shù)還具有較高的安全性，避免了利用升壓實(shí)跳的校驗(yàn)方式造成的不準(zhǔn)確性。但該技術(shù)也存在一定的局限，如不確定因素較多，不能夠?qū)崿F(xiàn)對安全閥密封性的實(shí)時(shí)監(jiān)測且不能夠監(jiān)測回座壓力等。

3 安全閥在線校驗(yàn)儀器

目前從事在線校驗(yàn)儀器生產(chǎn)研發(fā)的國內(nèi)企業(yè)競相發(fā)展，國外也有很多企業(yè)使用這些在線校驗(yàn)儀器。下面我們簡要介紹德國L-Plan 閥門檢測技術(shù)公司所開發(fā)生產(chǎn)的LEGATEST 型安全閥在線檢測裝置。

LEGATEST 型安全閥在線檢測裝置，該裝置的檢測原理借助模擬曲線（安全閥開啟時(shí)附加外力變化曲線和行程變化曲線）中的兩個(gè)特征點(diǎn)進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)對安全閥整體壓力的實(shí)際測量。在線校驗(yàn)時(shí)須輸入校驗(yàn)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)的基礎(chǔ)壓力，此壓力可以用壓力傳感器測量，也可以通過讀表獲取。該檢測裝置中提升外力的力傳感器屬精密元件，使用過程中極易受到溫度、濕度等外界條件的干擾，因此安全閥的在線校驗(yàn)過程中對于現(xiàn)場環(huán)境的要求較高，若現(xiàn)場操作環(huán)境比較復(fù)雜，會(huì)導(dǎo)致在線校驗(yàn)測量的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)校驗(yàn)的結(jié)果存在差異性。LEGATEST 型安全閥在線檢測裝置基本結(jié)構(gòu)圖1 所示。

圖1 LEGATEST 型安全閥在線檢測裝置結(jié)構(gòu)

4 安全閥在線校驗(yàn)技術(shù)的原理

以彈簧式的安全閥為例，使用過程中安全閥閉合、開啟動(dòng)作的完成通常是依賴于進(jìn)口端介質(zhì)壓力的變化來實(shí)現(xiàn)的，加上彈簧的預(yù)緊力，使得閥瓣處于開啟或者閉合狀態(tài)。在未開啟之前，安全閥彈簧預(yù)緊力大于或等于系統(tǒng)內(nèi)壓力。當(dāng)工作系統(tǒng)內(nèi)的介質(zhì)壓力不斷上升直至超過彈簧的預(yù)緊力，閥瓣便脫離彈簧預(yù)緊力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開啟，將系統(tǒng)內(nèi)的介質(zhì)排出，使得系統(tǒng)內(nèi)壓力降低。當(dāng)壓力降低到一定程度，閥瓣又受到彈簧壓力的作用隨之關(guān)閉，形成密閉空間，阻止介質(zhì)的進(jìn)一步泄露，從而實(shí)現(xiàn)了彈簧預(yù)緊力與系統(tǒng)內(nèi)壓力的動(dòng)態(tài)平衡。因此在進(jìn)行安全閥在線校驗(yàn)的過程中，若外部存在一定相應(yīng)的向上附加外力，使得系統(tǒng)內(nèi)壓力和附加力之和能夠超過彈簧預(yù)緊力，此時(shí)閥芯也能夠進(jìn)行開啟動(dòng)作。由此能夠看到，如果能精準(zhǔn)的測定外部附加力，就能夠結(jié)合已知的閥瓣密封面有效面積和壓力，得到安全閥的開啟壓力值。

將向下作用于閥瓣的彈簧預(yù)緊力設(shè)為Fd，大部分用于對抗系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)作用力Po·S，另外一些則應(yīng)用于對抗密封件壓緊力f，從而確保安全閥在密封狀態(tài)［圖2（a）］。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的介質(zhì)壓力不斷增加，f 慢慢降低，在實(shí)際壓力數(shù)值達(dá)到對應(yīng)開啟壓力Ps的狀態(tài)下，f 為零，此時(shí)安全閥開啟，滿足式（1）：

若借助外力對閥瓣施加一個(gè)相應(yīng)的附加拉力ΔF，除抵抗系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)的作用力與壓緊力，預(yù)緊力還需要對抗相應(yīng)的附加壓力［圖2（c）］。壓緊力會(huì)隨著實(shí)際附加拉力的增加而逐漸減小。當(dāng)壓緊力無限接近零時(shí)，此時(shí)安全閥密封將逐漸開啟，介質(zhì)的實(shí)際作用力與附加外力的總和，剛好可以克服相應(yīng)的彈簧預(yù)緊力［圖2（d）］，如式（2）所示：

圖2 安全閥在線校驗(yàn)原理

5 安全閥在線校驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)

（1）安全閥在線校驗(yàn)判開準(zhǔn)則。安全閥進(jìn)行在線校驗(yàn)的過程中，若校驗(yàn)裝置施加的附加外力逐漸增加，在彈簧預(yù)緊力與附加外力和介質(zhì)本身對安全閥作用力的總和相當(dāng)時(shí)，閥瓣微微打開，壓力曲線上升階段出現(xiàn)拐點(diǎn)，而行程曲線也開始出現(xiàn)上升的拐點(diǎn)，此時(shí)安全閥處于開啟狀態(tài)，則可以測出安全閥的開啟壓力；當(dāng)慢慢釋放附加外力，安全閥閥瓣逐漸閉合，當(dāng)附加外力為零時(shí)，閥門回復(fù)到原始狀態(tài)，此時(shí)行程曲線回到零點(diǎn)（圖3）。

圖3 附件外力-行程曲線

（2）附加提升外力的施加。當(dāng)介質(zhì)壓力未達(dá)到安全閥開啟所需的壓力值時(shí)，需外部施加一個(gè)提升的附加外力讓安全閥打開從而完成在線校驗(yàn)工作。當(dāng)安全閥在開啟的瞬間，需要對該附加的提升外力有一個(gè)準(zhǔn)確的測量。附加的提升力對于方向有特定的要求，需要與安全閥閥桿的方向保持一致。若果附加提升外力有沿閥桿方向上的分力，會(huì)使測量獲得的附加提升外力比實(shí)際值偏高，對于測量精度也必然會(huì)有一定影響。

（3）閥瓣有效面積。當(dāng)我們能夠準(zhǔn)確測量出安全閥開啟瞬間的附加提升外力之后，按照公式Pd=Fs/S 把附加提升外力轉(zhuǎn)化成為和設(shè)備中介質(zhì)壓力相等同的工作壓力。公式中S 指的是閥瓣有效面積，但各個(gè)不同安全閥生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的安全閥，其安全閥閥瓣結(jié)構(gòu)尺寸也存在一定的差異，因此，準(zhǔn)確的測量或計(jì)算閥瓣有效面積，是準(zhǔn)確測量安全閥在線校驗(yàn)結(jié)果的重要因素之一。如果可以直接取得安全閥生產(chǎn)廠家的技術(shù)資料，那是計(jì)算有效密封面（S）的最理想、最有效的方法。以上數(shù)據(jù)很難通過生產(chǎn)廠家直接獲得，需要我們自行測量。注意事項(xiàng)有以下4 點(diǎn)：①閥瓣比閥座寬，測量閥座的內(nèi)外徑。②閥瓣比閥座窄，測量閥瓣的內(nèi)外徑。③閥瓣的內(nèi)外徑＞閥座的內(nèi)外徑，測量閥瓣的內(nèi)徑與閥座的外徑。④閥瓣的內(nèi)外徑＜閥座的內(nèi)外徑，測量閥座的內(nèi)徑與閥瓣的外徑。

（4）定期校驗(yàn)。作為精密元件的力傳感器至少要做到每年的定期校準(zhǔn)，確保外力測量時(shí)的準(zhǔn)確性，從而保證安全閥在線校驗(yàn)的精度。

6 安全閥在線校驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)及相關(guān)的技術(shù)問題

（1）優(yōu)缺點(diǎn)。主要優(yōu)點(diǎn)：①準(zhǔn)確度較高，在設(shè)備正常運(yùn)行中對在用安全閥進(jìn)行在線校驗(yàn)，可以忽略使用溫度、使用介質(zhì)、出口背壓等使用環(huán)境因素造成的影響，也能夠有效避免因離線校驗(yàn)過程中介質(zhì)溫度、安全閥的搬運(yùn)、安裝等因素給整定壓力帶來的影響。②經(jīng)濟(jì)效益較高，在線校驗(yàn)的過程不會(huì)干擾設(shè)備的正常操作，且校驗(yàn)成本較低。③安全性較好，該校驗(yàn)技術(shù)要求對安全閥進(jìn)行至少每年一次的定期校驗(yàn)，防止安全閥失效而造成安全事故的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，安全閥在線校驗(yàn)也是存在缺點(diǎn)的，安全閥在線校驗(yàn)的缺點(diǎn)主要有兩方面，一方面在線校驗(yàn)過程中仍然存在一定的不確定因素；另一方面是在線校驗(yàn)無法對安全閥密封性能進(jìn)行測試，無法校驗(yàn)安全閥的回座壓力。

（2）安全閥在線校驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用中的相關(guān)技術(shù)問題[3]。首先，配套多功能閥桿卡具，因?yàn)殚y桿是安全閥必不可少的一個(gè)配件，目前安全閥型號規(guī)格較多，其安全閥閥桿的形狀與尺寸大小也各不相同，有螺紋的、也有光桿的，因此為促進(jìn)安全閥在線校驗(yàn)設(shè)備適用性的不斷提升，應(yīng)當(dāng)盡快研制出更有效的配套閥桿的多功能卡具。其次，安全閥有效密封面面積的計(jì)算，閥座尺寸是計(jì)算安全閥有效密封面的重要依據(jù)，需要在校驗(yàn)前對不同規(guī)格型號的安全閥閥座尺寸有充分的了解，只有充分掌握不同規(guī)格型號的尺寸，才能夠保障在線校驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

7 安全閥在線校驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用及前景

安全閥在線校驗(yàn)技術(shù)在近幾年來有著廣泛的應(yīng)用[1]，因其檢測不需要停止設(shè)備運(yùn)行的特點(diǎn)，使其適用于鍋爐、壓力容器以及壓力管道等特種設(shè)備上的彈簧式安全閥開啟壓力檢測，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)作業(yè)與安全閥定期校驗(yàn)作業(yè)的同步進(jìn)行。該校驗(yàn)技術(shù)目前在石油化工、電力、冶金、鋼鐵等行業(yè)中都有了進(jìn)一步的普及應(yīng)用，我院采用安全閥在線校驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行校驗(yàn)的彈簧式安全閥累計(jì)已經(jīng)接近10000 余個(gè)，大大降低了閥門拆裝和吊裝的運(yùn)輸成本，有效避免了不必要的安全隱患，在各個(gè)領(lǐng)域取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)對部分安全閥實(shí)施升壓實(shí)跳驗(yàn)證[2]，獲得的重復(fù)性誤差結(jié)果不超過1%。

8 結(jié)語

綜上所述，安全閥的在線校驗(yàn)技術(shù)改變了以往的煩瑣、低效的校驗(yàn)手段，提高了校驗(yàn)檢測的準(zhǔn)確度，也使得整定值更為可靠，操作更加規(guī)范，有效降低了勞動(dòng)成本，也節(jié)省了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)成本，在提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和保障安全方面的性能非常優(yōu)越。但該項(xiàng)檢測技術(shù)也有自身的局限性，受安裝方式與原件尺寸不同等因素的影響，目前不能夠?qū)崿F(xiàn)對沒有閥桿的安全閥、重錘式安全閥和先導(dǎo)式安全閥等閥門的在線校驗(yàn)。但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，安全閥的在線校驗(yàn)技術(shù)與設(shè)備也會(huì)不斷更新與發(fā)展，數(shù)據(jù)的采集將更趨自動(dòng)化、檢測的結(jié)果也將更加直觀準(zhǔn)確。